배터리 시스템을 위한 열 관리 솔루션

온도 요인이 전력 배터리의 성능, 수명 및 안전에 결정적인 영향을 미친다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 일반적으로 배터리 시스템은 최적의 전력 출력 및 입력, 최대 가용 에너지, 그리고 최장 수명 주기를 달성하기 위해 15~35℃ 범위에서 작동하는 것이 좋습니다. (저온 보관은 배터리의 수명을 연장할 수 있지만, 실제 응용 분야에서 저온 보관을 실천하는 것은 큰 의미가 없으며, 이 점에서 배터리는 사람과 매우 유사합니다.)

현재 전력 배터리 시스템의 열 관리 방식은 크게 자연 냉각, 공랭식, 수랭식, 직류 냉각의 네 가지로 나눌 수 있습니다. 이 중 자연 냉각은 수동적인 열 관리 방식이며, 공랭식, 수랭식, 직류 냉각은 능동적인 방식입니다. 이 세 가지 방식의 주요 차이점은 열 교환 매체의 차이입니다.

자연 냉각
자연 냉각은 열 교환을 위한 별도의 장치가 필요하지 않습니다. 예를 들어, BYD는 LFP 배터리를 사용하는 Qin, Tang, Song, E6, Tengshi 등의 모델에 자연 냉각 방식을 적용했습니다. BYD는 향후 삼원계 배터리를 사용하는 모델에 액체 냉각 방식을 도입할 것으로 예상됩니다.

· 공랭식 (PTC 공기 히터)
공랭식 냉각은 공기를 열 전달 매체로 사용하는 방식입니다. 크게 두 가지 유형이 있는데, 첫 번째는 외부 공기를 직접 열 교환에 사용하는 수동식 공랭식입니다. 두 번째는 배터리 시스템에 유입되는 외부 공기를 예열하거나 냉각하는 능동식 공랭식입니다. 초기에는 일본과 한국의 많은 전기차 모델들이 공랭식 냉각 방식을 사용했습니다.

· 액체 냉각
액체 냉각 방식은 부동액(예: 에틸렌 글리콜)을 열 전달 매체로 사용합니다. 일반적으로 이 솔루션에는 여러 개의 서로 다른 열 교환 회로가 있습니다. 예를 들어, VOLT에는 라디에이터 회로, 에어컨 회로 등이 있습니다.PTC 에어컨), 그리고 PTC 회로(PTC 냉각수 히터배터리 관리 시스템은 열 관리 전략에 따라 반응하고 조정하며 전환합니다. 테슬라 모델 S는 모터 냉각 회로와 직렬로 연결된 회로를 갖추고 있습니다. 배터리가 저온일 때 예열이 필요하면 모터 냉각 회로가 배터리 냉각 회로와 직렬로 연결되어 모터가 배터리를 가열할 수 있습니다. 반대로 배터리가 고온일 때는 모터 냉각 회로와 배터리 냉각 회로가 병렬로 연결되어 두 냉각 시스템이 독립적으로 열을 발산합니다.

1. 가스 응축기

2. 2차 응축기

3. 보조 응축기 팬

4. 가스 응축기 팬

5. 에어컨 압력 센서(고압측)

6. 에어컨 온도 센서(고압측)

7. 전자식 에어컨 컴프레서

8. 에어컨 압력 센서(저압측)

9. 에어컨 온도 센서(저압측)

10. 팽창 밸브(냉각기)

11. 팽창 밸브(증발기)

· 직접 냉각
직접 냉각 방식은 냉매(상변화 물질)를 열교환 매체로 사용합니다. 냉매는 기체에서 액체로 상변화하는 과정에서 많은 양의 열을 흡수할 수 있습니다. 기존 냉매와 비교했을 때, 직접 냉각 방식은 열 전달 효율을 3배 이상 높여 배터리 교체 주기를 단축하고 시스템 내부의 열을 효과적으로 방출합니다. BMW i3에는 직접 냉각 방식이 적용되었습니다.

 

배터리 시스템의 열 관리 방안은 냉각 효율뿐만 아니라 모든 배터리의 온도 균일성도 고려해야 합니다. 배터리 팩은 수백 개의 셀로 구성되어 있으며, 온도 센서 하나로 모든 셀의 온도를 감지할 수는 없습니다. 예를 들어, 테슬라 모델 S 모듈에는 444개의 배터리가 있지만 온도 감지 지점은 단 2개뿐입니다. 따라서 열 관리 설계를 통해 배터리의 온도 균일성을 최대한 확보하는 것이 중요합니다. 우수한 온도 균일성은 배터리 출력, 수명, SOC(충전 상태) 등의 성능 지표의 일관성을 유지하는 데 필수적인 조건입니다.