이번에는 전기자동차에 조금 더 집중하여 배터리 냉각기술에 대해 살펴보도록 하자.
배터리 열관리
배터리에 대한 열관리라고 해서 별시리 특별한 것은 없다. 즉, 냉각 기술이라는 것이 거의 거기서 거기다. ‘배터리 열관리’라는 것은 결국 배터리에서 열이 생성되면 빠르게 외부로 빼주는 것이고, 배터리가 너무 차가우면 배터리에 열을 공급해 주는 것이다. 배터리가 사람이라고 생각하면 이해가 쉬워 진다. 배터리(사람)가 너무 더우면 냉각이 필요하고, 너무 추우면 난방이 필요한 것이다.
위의 그림에서도 볼 수 있듯이, 배터리도 사용 용도에 따라 냉각방식이 달라진다. 전력 그리드에 사용되는 배터리의 경우, C-rate가 낮기 때문에 열이 발생하는 정도도 그렇게 크지 않다. 따라서 구조가 간단한 공기 냉각(air cooling) 방식을 사용하여도 된다. 하지만 전기자동차와 같이 C-rate가 큰 경우에는 공기 냉각 방식만으로는 배터리를 효과적으로 냉각시킬 수 없다. 따라서 공기 냉각 방식 대신 액체 냉각(liquid cooling) 방식을 선택한다. 이것은 마치 고성능 컴퓨터 은 과도한 열발생 때문에 공랭이 아닌 수냉 방식을 사용하는 것과 동일한 이치이다.
배터리 냉각 방식
위의 표는 배터리 냉각 방식의 설명, 응용분야, 기술적 특징을 보여주고 있다. 보통은 공랭, 수랭만으로 충분하지만, 경우에 따라서는 냉매를 이용하기도 한다. 냉매를 이용하는 방식은 다른 두 방식에 비하여 더욱 공격적으로 배터리에서 발생하는 열을 관리할 수 있다. 하지만, 그만큼 구조가 복잡하고 제조 단가도 상승하게 된다.
배터리 팩 온도 구배
배터리 팩 냉각 방식을 선정하는데 있어 중요한 설계 변수는 온도 구배이다. 배터리 셀의 온도 구배는 배터리 팩 내의 여러 지역 또는 셀에 따른 온도 변화를 나타낸다. 여러 가지 이유로 배터리 팩을 설계할 때 온도 구배를 고려하는 것이 중요하다.
- 균일한 성능: 배터리 셀은 특정 온도 범위 내에서 가장 효율적으로 작동한다. 셀 전반에 걸쳐 온도 변화가 크면 용량 손실, 전력 출력 감소, 성능 저하 가속화 등 성능 차이가 발생할 수 있다. 온도 변화를 최소화함으로써 설계자는 배터리 팩 전반에 걸쳐 보다 균일한 성능을 보장할 수 있다.
- 안전: 온도 변화는 배터리 셀의 안전에 영향을 미칠 수 있다. 고온은 열폭주 위험을 증가시킬 수 있으며, 특히 이미 최대 온도 한계에 가깝게 작동하고 있는 셀의 경우 더욱 그렇다. 팩 내의 불균일한 가열은 국지적인 핫스팟을 생성하여 열 폭주 위험을 증가시키고 전체 배터리 시스템의 안전성을 손상시킬 수 있다.
- 열 관리: 효과적인 열 관리는 최적의 작동 조건을 유지하고 배터리 셀의 수명을 연장하는 데 중요하다. 배터리 팩 내의 온도 분포를 이해함으로써 설계자는 적절한 냉각 또는 가열 시스템을 구현하여 온도를 조절하고 온도 변화를 최소화할 수 있다. 여기에는 열을 발산하고 셀 전체에 균일한 온도를 유지하기 위해 단열재, 냉각판, 액체 냉각 시스템 또는 강제 공기 냉각을 사용하는 것이 포함될 수 있다.
- 에너지 밀도 극대화: 온도 변화는 배터리 셀의 에너지 밀도에 영향을 미칠 수 있다. 고온에서 전지를 작동하면 에너지 밀도는 증가하지만 수명은 단축될 수 있으며, 저온에서 작동하면 수명은 향상되지만 에너지 밀도는 감소할 수 있다. 온도 변화도를 제어함으로써 설계자는 작동 조건을 최적화하여 에너지 밀도, 성능 및 수명 간의 균형을 이룰 수 있다.
- 예측 유지 관리: 배터리 팩 내 온도 변화를 모니터링하면 개별 셀의 상태와 상태에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있다. 온도 변화는 셀 성능 저하, 열 폭주 또는 냉각 시스템 비효율성과 같은 잠재적인 문제를 나타낼 수 있다. 시간 경과에 따른 온도 변화를 모니터링함으로써 운영자는 문제를 사전에 식별하고 해결하여 가동 중지 시간과 유지 관리 비용을 최소화할 수 있다.
요약하면, 배터리 팩 설계 시 균일한 성능, 안전성, 열 관리, 에너지 밀도 최대화 및 예측 유지 관리를 보장하려면 배터리 셀의 온도 구배를 고려하는 것이 필수적이다. 온도 변화를 제어하고 효과적인 열 관리 전략을 구현함으로써 설계자는 배터리 시스템의 성능, 안전성 및 수명을 최적화할 수 있다.
