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전기자동차에서의 배터리 열 관리 기술

한국자동차공학회
2022-10-10
조회수 8630

근 들어 석유 자원의 고갈, 전 세계적으로 심각한 환경 오염 및 기후 변화 문제 등이 크게 부각됨에 따라 따라 자동차 업계에서는 가솔린, 디젤 기반의 내연기관 자동차에서 신에너지 기반 자동차로의 전환을 적극적으로 모색하는 추세이다.


전기자동차(EV)는 자동차 산업에서 온실가스 및 탄소 중립 문제 등에 효과적인 대응이 가능한 방안으로 더 나아가 수송 및 에너지 산업 측면에서 근본적인 변화를 이끌 수 있는 전환점으로 소비자들에게 인식되기 시작하고 있다.


전기자동차의 주요 동력원은 배터리인데, 전기자동차의 효율과 내구성 확보를 위해서는 핵심 요소인 배터리의 내구성, 안정성, 효율 측면의 지속적인 개선이 필수적이다. 전기자동차 분야에서는 다양한 종류의 배터리 탑재가 초기 개발 단계에서 시도됐는데 그 중 리튬-이온  배터리가 가진 고에너지 및 고출력 밀도, 비메모리 효과, 낮은 자가 방전율, 가벼운 중량 등 다양한 장점으로 주로 상용화 개발에 활용되고 있으며 배터리의 성능과 내구성 향상을 위한 관련 연구가 적극적으로 진행되고 있다.1


리튬-이온 배터리의 성능 및 안전성은 작동 온도에 크게 좌우된다. 특히, 적정 온도(15-35℃) 범위에서 작동되지 않으면 배터리의 안정적 수명과 효율적 작동을 보장할 수 없는 것으로 알려져 있다. 전기자동차 구동을 위해서 매우 많은 수의 리튬-이온 배터리가 직렬, 병렬, 혹은 혼합 방식으로 연결된 팩의 형태로 적용되는데 이 경우 연결된 부위에서 잦은 충·방전에서 발생하는 열을 효과적으로 관리하지 못하면 배터리 팩 내 과도한 온도 상승 및 배터리 팩 내 온도 분포 불균형을 발생시켜 팩의 수명 및 안정성에 부정적 영향을 미치게 된다.


전기자동차의 내구성은 차량에 장착된 배터리 팩의 수명과 직결된다. 따라서 리튬-이온 배터리의 열적 성능과 안전성(배터리 과열, 배터리 열 폭주 방지 등)을 보장하여 내구성을 최대한 확보하기 위해서는 배터리 팩 온도를 최적 범위로 조정하기 위해 신뢰도 높은 배터리 열 관리  시스템의 설계 및 개발이 요구된다.



United States Advanced Battery Consortium(USABC)에서는 리튬-이온 배터리를 동력원으로 하는 자동차에 대한 성능 목표를 정하였는데 하이브리드 자동차에 적용되는 배터리 팩의 수명은 15년, 전기자동차에 적용되는 배터리 팩의 수명은 10년이다. 이를 달성하기 위한 배터리 열 관리 시스템의 목표는 배터리 팩 내의 셀 간 온도 균일도는 3℃ 미만으로 작동 환경은 –30℃~52℃로 설정하였다.2


일반적으로 배터리 열 관리 시스템은 전기자동차 열 관리 시스템 모듈 중의 부속 시스템으로 장착된 배터리 팩 온도를 조절하는 필수적인 역할을 하는 것으로 이 요구 조건을 만족하도록 설계, 개발되는 것으로 볼 수 있다.2


배터리 열 관리 시스템은 몇 가지 기준에 의해 분류될 수 있는데 첫 번째는 소모 동력 유무에 따라 능동형(Active), 수동형(Passive), 복합형(Hybrid) 방식으로 각각 나뉜다. 능동형 배터리 열 관리 시스템은 공기, 액체 기반 냉각 시스템이 대다수이고 일부 열전 장치, 자기 시스템을 적용한 시스템 등도 등장하는 추세이다.


수동형 배터리 열 관리 시스템은 상변화 물질(Phase Change Material, PCM), 히트 파이프(Heat Pipe) 등 수동형 에너지 시스템 전략을 적용하는 냉각 방식이다. 복합(Hybrid) 배터리 열 관리 시스템은 2가지 혹은 그 이상의 열 관리 방식을 적용하는 것으로 공기-상변화 물질, 공기-히트 파이프, 히트 파이프-상변화 물질, 액체-상변화 물질 등 방식이 주로 사용된다.2 두 번째는 열전달 매질의 종류에 따른 분류인데 크게 4가지로 나누어 나타낼 수 있는데 각각 공기 냉각 방식, 액체 냉각 방식, 상변화 물질 적용 냉각 방식, 히트 파이프 적용 냉각 방식이다.


배터리 열 관리 시스템은 위에서 언급된 분류와 방식에 의해 다양한 산업 분야에의 적용을 위하여 설계, 개발 측면의 다양한 연구가 활발히 진행되어 오고 있다. <그림 1>은 다양한 배터리 열 관리 시스템 기술을 그 전략 측면에서 분류하여 나타낸 것이다.1



위에서 언급된 배터리 열 관리 시스템이 전기자동차에도 널리 적용되고 있는데 주요 적용 시스템을 냉각 매체 기준으로 살펴보면 다음과 같다. 


첫째는 공기 냉각 시스템으로 시스템 구조의 단순성, 적은 비용, 정비의 용이성, 경량 시스템, 에너지 소모 저감 등의 장점으로 실제 상용화된 전기자동차에 널리 적용되고 있다. 그 예로는 Nissan Leaf, Toyota Prius Prime, Honda FitEV, Hyundai IONIQ 을 들 수 있다.3 자연 대류 및 강제 대류를 적용한 시스템이 각기 적용되고 있는데 강제 대류 시스템이 배터리 열을 방출하는 데 있어 더 효율적인 방안이 된다. 이와 같은 장점에도 불구하고 공기 냉각 방식은 공기의 작은 열용량 및 공기와 배터리 간 작은 열전달 계수로 배터리 팩에 대한 충분한 냉각에는 한계가 있으며 낮은 대기 온도에서는 배터리를 효과적으로 예열시키지 못하는 단점이 있다. 최근에는 이런 한계를 극복하기 위하여 자동차의 차량 실내의 공조 시스템(HVAC)과 연동된 공기 냉각 배터리 열 관리 시스템의 연구 및 개발이 시도되고 있다.3 <그림 2>는 전기자동차에 적용되는 전형적인 공기 냉각 배터리 열 관리 시스템을 나타낸 것이다.


둘째는 액체 냉각 시스템으로 근본적으로 액체는 공기와 비교할 때 높은 열전도율, 큰 열용량을 가지므로 배터리 팩 온도 분포 개선에 더 효과적이다. 따라서 현재까지 가장 많이 적용되고 있는 배터리 열 관리 시스템으로 전기자동차에도 상용화 적용되고 있는데 그 예는 Tesla Model X, Model 3, GM Chevrolet Bolt, BMW i8, Volvo XC90 T8b 등이 있다.3


하지만 배터리 열 관리 시스템을 구성하기 위해서는 액체가 순환될 수 있는 루프가 구성되어야 하는데 이를 위해서는 보조 장치들(열교환기, 펌프, 팬 등)이 포함된 복잡한 구조를 가지게 되어 누출의 가능성이 존재하며 관련 루프에서 액체를 순환시키기 위한 동력이 추가로 요구된다. 일반적으로 액체 순환 냉각을 적용하는 경우 배터리 팩 내 온도 제어나 온도 균일도 개선에는 효과적이어서 전기자동차의  주행거리를 증가시키는 데 도움이 된다. 단, HVAC 시스템과 배터리 시스템 간 통합적인 고려를 통하여 관련 개발이 진행되어야 전기자동차의 성능 및 유용성을 실질적으로 개선할 수 있다. 특히 요즈음은 열적인 제어와 열전달 효과의 증대를 위하여 냉매 직접 냉각 방식도 많은 관심의 대상이 되고 있는데 이는 공기, 물, 그리고 다른 냉각 매질과 비교할 때 월등히 큰 냉매의 증발 잠열 때문이다.


셋째는 상변화 냉각 시스템이다. 이는 상변화 물질을 적용하는 것으로 상변화 물질이 상이 변화하면서 열을 흡수하거나 방출하는 성질을 활용한 냉각 시스템이다. 상변화 물질은 에너지를 저장하거나 시스템을 열적으로 보호하는 용도로 많은 산업 분야에 활발히 적용되고 있다. 상변화 물질을 적용한 배터리 열 관리 시스템에서 가장 중요한 기술적인 사항은 적절한 상변화 물질의 선택인데, 높은 열전도율, 높은 잠열, 높은 비열, 화학적 안정성, 합리적인 가격 등이 주요 인자가 된다. 최근 들어서는 전기자동차 충·방전 과정 중 리튬-이온 배터리 팩을 보호하고 열적으로 안정시키기 위해 적용이 증가하는 추세이다.5 <그림 3>은 상변화 물질을 적용한 배터리 열 관리 시스템의 예를 나타낸 것이다.


이외도 히트 파이프 등을 적용한 배터리 열 관리 시스템 관련 기술 개발이 진행되고 있으나 전기자동차 배터리 시스템에 적용하여 본격 상용화하기에는 기술적 성숙도 측면에서 추가 개선이 필요한 상황이다.


이러한 다양한 배터리 열 관리 기술들은 특정 조건 및 상황에 따라 각기 장점과 한계를 모두 가지고 있다는 점이다. 따라서 적절한 배터리 열 관리 기술을 선정하는 것은 시스템 구성, 에너지 효율, 작동 상황 등 많은 인자를 통합적으로 고려하여 이루어져야 함에 주목할 필요가 있다. 또 많은 연구의 진행을 통하여 여러 종류의 배터리 열 관리 시스템이 적용되어야 할 적합한 방안 및 산업 분야 등이 확인되고 정리되어 오고 있다. 하지만 최근의 전기자동차의 주행거리 및 효율의 추가 향상을 위한 개발 노력, 다양한 기후 조건에서의 전기자동차 주행, 동적 조건에서의 전기자동차 주행 등은 높은 수준의 배터리 열 관리 기술이 점점 요구되는 상황이다.


따라서 이와 같은 도전적인 과제에 효과적으로 대응하기 위하여 복합 방식 배터리 열 관리 기술들이 요구되고 있다. 주로 진행 중인 연구들은 공기-상변화 물질, 액체-상변화 물질, 히트 파이프-상변화 물질 등의 열 관리 전략에 중점이 주어지고 있다. 복합 방식 열 관리에서는 각 열 관리 기술의 장점이 적절히 합쳐져 다양한 조건에서 개선된 효과 구현을 목표로 한다.1


앞으로도 전기자동차에 적용되는 배터리 열 관리 기술은 복합 방식의 열 관리 기술이 주요 흐름을 형성하며 발전해 갈 것으로 전망된다. 따라서 관련 기술 확보를 위한 산·학·연 협력을 통한 연구 개발 노력과 적극적인 관심이 필요할 것으로 생각된다.


본 고에서는 전기자동차에 적용되고 있는 배터리 열 관리 기술의 필요성과 그 종류들을 공학적인 측면에서 간략히 살펴보았다. 최근 전기자동차의 시장 파급성을 감안하여 생각해 볼 때 적용되는 배터리 열 관리 시스템은 전기자동차의 주행거리 증가, 비용 대비 차량 효율의 증가 등이 우선 고려되어 검토 개발되어야 할 것으로 판단된다. 보다 구체적으로 배터리 열 관리 기술은 전기자동차의 운전 특성이 충분히 고려되고 HVAC 시스템, 전기자동차 power electronic 시스템과 긴밀히 연계된 종합적인 연구를 토대로 개발된다면 전기자동차의 내구성 및 효율을 효과적으로 개선할 수 있을 것으로 사료된다.


<참고문헌>

1. L. Liu, X. Zhang and X. Lin, Recent Developments of Thermal Management Strategies for Lithium-Ion Batteries: A State-of-The-Art Review, Energy Technology, Vol.10, 2101135, 2022.

2. D. K. Sharma and A. Prabhakar, A Review on Air Cooled and Air Centric Hybrid Thermal Management Techniques for Li-ion Battery Packs in Electric Vehicles, J. of Energy Storage, Vol. 41, 102285, 2021.

3. Y. Wang, Q, Gao, G. Wang, P. Lu, M. Zhao and W. Bao, A Review on Research Status and Key Technologies of Battery Thermal Management and its Enhanced Safety, Int. Journal of Energy Research, Vol.42, No.13, pp.4008-4033, 2018.

4. G. Zhao, X. Wang, M. Negnevitsky and H. Zhang, A Review of Air-cooling Battery Thermal Management Systems for Electric and Hybrid Electric Vehicles, J. of Power Sources, Vol.501, 230001, 2021.

5. P. Zare, N. Perera, J. Lahr and R. Hasan, Solid-liquid Phase Change Materials for the Battery Thermal Management Systems in Electric Vehicles and Hybrid Electric Vehicles–A Systematic Review, J. of Energy Storage, Vol.52, 105026, 2022.


* 출처: 한국자동차공학회 제공, 오토저널 2022년 9월호


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