전기차 배터리의 열 관리 – 온도 측정을 위한 기본

전기차 배터리의 열 관리 – 온도 측정의 출발점

리튬 이온 배터리의 최적 성능은 10°에서 25°C 사이의 온도 범위에서 이루어집니다. 배터리를 고온에서 보관할수록 자가 방전 속도가 빨라집니다. 대부분의 경우, 영하의 온도는 리튬 이온 배터리에 큰 손상을 주지 않지만, 배터리에 물이 포함되어 있지 않기 때문에 낮은 온도는 성능을 떨어뜨립니다.

최고의 효율성을 위해, 리튬 이온 배터리는 통풍이 잘되고 건조한 곳에 보관되어야 하며, 온도는 약 25°C로 유지하는 것이 좋습니다. 배터리는 직사광선, 열원, 물로부터 멀리 보관해야 하며, 안정적으로 쌓여 있어 충격이나 넘어짐, 기타 손상을 피할 수 있도록 해야 합니다.

배터리가 최적 온도 범위를 벗어날 때 발생하는 민감도는 제조업체들이 열 관리를 주의 깊게 설계하는 이유 중 하나입니다. 이는 날씨 변화나 고속 주행 스타일에도 최적의 성능을 유지할 수 있도록 하기 위함입니다.

배터리 팩은 수백 개의 셀로 구성되기 때문에, 배터리 팩 내부의 온도 분포는 균일하지 않습니다. 따라서 온도 관리가 필수적이며, 모든 배터리 셀을 항상 동일한 온도로 유지하려면 어떻게 해야 할지에 대한 문제는 제조업체들이 연구개발을 통해 탐구하는 과제입니다. 이때 스마트하고 종합적인 데이터 수집 솔루션이 중요한 역할을 합니다.

오늘날의 최첨단 열 관리 시스템은 보통 배터리 시스템에 열교환기를 통합하여 모든 배터리 셀이 거의 일정한 온도를 유지하도록 설계됩니다.

열교환기 통합이 중요한 이유는, 셀 간 온도 차이가 크면 배터리 셀들이 서로 다른 속도로 노화되기 때문입니다. 그렇지 않으면 일부 배터리 셀은 다른 셀보다 더 뜨겁게 되어 더 빠르게 노화됩니다. 이와 같은 큰 온도 차이가 발생하면, 전체 배터리 팩의 수명이 단축될 가능성이 큽니다.

따라서 열 관리 시스템의 개발자는 배터리 셀 간의 온도 차이를 약 2~3°C 이내로 유지하려고 노력합니다. 최악의 경우, 배터리 셀 간 온도 차이가 6~8°C까지 허용되지만, 이는 대형 배터리 팩에서나 일반적으로 발생하는 상황입니다.

온도 차이 외에도, 배터리 시스템 개발에 중요한 역할을 하는 다른 요소들이 존재합니다. 배터리 셀 자체와 배터리 팩의 크기 외에도 열 관리 시스템의 기술적 사양은 적어도 두 가지 다른 측면에 따라 달라집니다: 배터리가 사용되는 작동 주기와 배터리가 배치될 지역입니다.

배터리의 열 관리 시스템 설계 과정에서 이 모든 요소를 고려하는 것이 중요합니다. 각 요소가 배터리 셀의 열 생성에 영향을 미치기 때문입니다.

열 관리 시스템 개발에 있어 중요한 질문 중 하나는, 배터리 팩이 얼마나 자주, 얼마나 빠르거나 느리게 충전되고 방전될 것인가입니다. 열 생성은 전기가 필요할 때 발생하므로, 이른바 **"작동 주기"**에 대한 이해가 필수적입니다. 고출력 애플리케이션에서 사용될 배터리 팩은 자연스럽게 더 많은 열을 생성하며, 재생 가능 에너지 저장 애플리케이션에서 사용될 배터리는 상대적으로 적은 열을 발생시킵니다.

또한 중요한 점은 배터리가 어떤 지역에서 운용될 것인가입니다. 기온이 매우 높은 지역에서는 배터리가 이미 높은 온도로 시작하며, 이로 인해 더 빠르게 노화됩니다. 이 사실은 열 관리 시스템 개발 시 고려해야 할 사항입니다.

세 번째로 배터리 셀의 화학적 구성이 전기차 배터리의 열 관리 기술에 영향을 미칩니다. 리튬 이온 배터리 셀의 화학적 조성에 따라 고부하 및 고온 작동 시 성능이 달라집니다.

작동 주기, 지리적 위치, 배터리 셀 화학은 열 관리 시스템 개발에 있어 중요한 요소들을 정의합니다. 또한 열 전도, 대류, 방사라는 세 가지 주요 열 전달 방식을 고려해야 하며, 각 방식의 발생은 열의 원천과 이를 주변 물질을 통해 분배하는 방법에 따라 달라집니다.

전도는 두 물체가 직접 접촉하여 열 에너지를 전이하는 방식입니다. 대류는 열이 액체 매체를 통해 열 싱크 장치로 이동하는 방식입니다. 반면에 복사는 열 에너지가 전자기적으로 열로 충전된 입자들에 의해 한 원천에서 다른 원천으로 방출되는 방식입니다. 배터리 시스템 설계에서는 세 가지 열 전달 방식을 모두 고려해야 하지만, 전도와 대류가 열 시스템 설계에 가장 큰 영향을 미칩니다.

능동적 열 관리에서는 열 분배를 방지하거나, 공기, 액체 또는 냉매와 같은 다양한 매체를 통해 열을 분산시켜야 합니다. 이를 배터리 팩을 통해 밀어넣고 셀 위를 지나가게 하여 온도를 낮추는 방식입니다.

가장 일반적인 방법 두 가지는 공기 또는 액체를 냉각제로 사용하는 것입니다. 공기를 냉각제로 사용할 때, 시스템은 일반적으로 팬, 덕트, 열 전달판을 통합합니다. 공기 냉각 시스템의 장점은 온도의 급격한 변화에 빠르게 반응할 수 있고 액체 냉각 시스템보다 무게가 적다는 것입니다. 또 다른 장점은 차가운 공기가 셀을 직접 지나가면서 열을 분산시킬 수 있다는 점입니다. 그러나 공기의 단점은 액체에 비해 냉각 효과가 떨어지며, 공기 흐름 설계에 따라 불균일한 열 분산이 발생할 수 있다는 점입니다. 공기 흐름의 시작 부분에서 배터리 셀은 효과적으로 냉각되지만, 공기가 따뜻해지면서 냉각 효과가 감소하고, 이로 인해 셀들이 다른 속도로 노화되어 배터리 팩의 수명이 단축될 수 있습니다.

반면, 액체 냉각 시스템의 장점은 열을 셀에서 신속하게 이동시키는 데 매우 효과적이라는 점입니다. 시스템에 히팅 요소가 추가되면, 액체는 추운 날씨에서 배터리 셀을 따뜻하게 유지하는 데도 사용될 수 있습니다. 그러나 액체 냉각 시스템은 상대적으로 무겁고, 배터리 팩 내에서 누수 위험이 있다는 단점도 있습니다.

수동 열 관리는 공기, 액체, 냉매와 같은 냉각 매체를 배터리 팩에 도입하지 않고 배터리 셀의 온도를 감소시키는 방식입니다. 이 방법은 셀 사이와 배터리 팩 내부에서 열 분배를 방지하거나 선택된 재료를 사용하여 열이 증가하지 않도록 하는 방식입니다. 예를 들어, 알루미늄이나 금속 하우징을 사용하면 셀의 열이 재료로 전달되고, 이를 분산시켜 배터리 팩 하우징을 통해 환경으로 방출할 수 있습니다.

또 다른 수동 냉각 방법은 배터리 팩 외부에 핀을 추가하는 것입니다. 이 핀은 차량이 움직일 때 공기 흐름을 유도하여 배터리 팩의 열을 방출합니다.

배터리 셀을 수동적으로 냉각하는 또 다른 방법은 **상변화 물질(PCM)**을 사용하는 것입니다. PCM은 환경 온도에 따라 고체에서 액체로 상태가 변하는 물질입니다. PCM은 일반적으로 왁스와 흑연을 기반으로 하여 배터리 셀 사이에 배치됩니다. 셀이 열을 받을 때, PCM은 열을 흡수하고 이를 부드럽게 하거나 녹여서 분산시킵니다. 이 상변화는 많은 에너지가 필요하므로 매우 효과적인 냉각 방법입니다.

전기차의 구성과 배터리 팩의 전기 성능은 지속적으로 발전하고 있으며, 열 관리 시스템도 마찬가지로 진화하고 있습니다. 이러한 이유로 열 시스템 설계와 배터리 열 관리 테스트에서 정확한 온도 측정이 필요합니다. 리튬 이온 셀의 온도를 측정하기 위한 가장 정확한 위치는 셀 내부이지만, 이는 온도 센서를 설치하기 가장 어려운 위치입니다.

온도 측정의 도전을 해결하기 위해, 열 관리 시스템 개발에서 가장 중요한 문제 중 하나는 보통 배터리 셀 표면에서 온도 측정을 하는 것입니다.

추후 연구, 분석, 개발 과정에서 안전하고 정확하며 사용하기 쉬운 온도 측정 시스템은 전기차 배터리의 능동적 및 수동적 열 관리에 필요한 올바른 재료와 설계를 결정하는 데 중요한 도구가 될 것입니다.