전기자동차 배터리 열관리 시스템 필요성
전기자동차에 부착되는 배터리는 주행 중이나 외부 환경요인으로부터 발생되는 외부 충격으로부터 내식, 내습, 내구성 등을 확보해야 한다. 또한 배터리의 반응성과 성능을 확보하기 위해 15℃에서 40℃의 온도 범위를 유지해야 한다.
리튬이온배터리를 사용하는 전기차 배터리는 고온환경에 노출되면 배터리 내부에서 가스가 발생하고 팽창하는 등 배터리의 수명이 줄어들고 부품 손상이 발생할 수 있으며, 저온 환경에 노출될 경우 내부저항이 급격하게 증가하면서 리튬이온의 이동성이 현저하게 감소하기 때문에 급격한 에너지 및 전력 감소가 발생한다. 때문에 일반적인 전자기기들이 발생하는 열을 해소하기 위해 냉각시스템만을 고려한다면, 전기자동차에 부착되는 배터리는 날씨에 따라 외부 기온이 영하권까지 떨어지기도 하기 때문에 냉각시스템뿐만 아니라 가열시스템까지 필요하다.
하지만 전기자동차의 경우 엔진폐열이 존재하지 않기 때문에 내연기관과 반대로 난방 시 전비가 급격하게 감소한다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 글로벌 자동차 회사들은 열관리 시스템에 대해 부품의 성능 개선뿐만 아니라 주행거리 향상까지 고려해 종합적인 시스템 최적화 기술개발에 열을 올리고 있다. [내연기관 자동차의 냉각 시스템]
냉장고 원리
가정에서 사용하는 냉장고의 원리와 전기자동차의 냉각 시스템은 비슷한데 전기 자동차에도 압축기(Compressor), 증발기(Evaporator), 응축기(Condenser)가 존재하며 냉매가 순환하면서 상변화를 통해 배터리 온도를 일정하게 유지시켜 준다.
전기자동차 배터리 열관리 시스템
전기자동차 개발이 활발하게 이루어지면서 각 제조사별로 자신들만의 기술력을 활용해 여러 열관리 시스템을 개발하고 있고 이러한 완성차 제조사 뿐만 아니라 유수 자동차 부품 기업들 또한 열관리 통합형 시스템에 기술을 개발 중에 있다.
이러한 열관리 시스템은 항속 거리의 연장과 충전시간의 단축, 배터리 수명 연장을 위한 가장 중요한 요소로 꼽히고 있으며, OTA(Over The Air) 시스템을 도입해 효율적인 냉각 제어 알고리즘을 개발하는 데로 소프트웨어를 업데이트해 나가는 움직임도 보이고 있다.
그 중 전기자동차 분야의 선두주자라고 할 수 있는 테슬라(TESLA)에서 실내 난방, 냉방을 포함한 배터리, 파워트레인, ECU 등 냉각과 가열이 필요한 부품의 열관리를 통합 제어 할 수 있는 부품을 개발했고, OTA 시스템까지 도입하면서 자동차 구입 후 계속해서 진화할 수 있는 열관리 시스템을 선보였다.
테슬라에서 적용한 통합 제어 관리 시스템의 핵심은 Coolant Reservoir(CR)라는 부품으로, 사방밸브를 가진 냉매 저장공간이며 구성 요소들 간의 허브 역할을 함으로써 배터리, 구동장치 및 전자 장치의 냉각, 가열을 관리하는 부품이다.
냉각 할때의 흐름도를 살펴보면 2가지 경로로 배터리와 전자장치들의 온도를 낮춰주는데, 첫 번째 경로는 배터리에서 열을 받은 냉매가 CR을 통해 칠러(Chiller)로 이동, 차가워진 냉매가 다시 배터리로 유입되는 경로이고, 두 번째 경로는 배터리를 제외한 관리모듈과 같은 발열 제품들을 거쳐 뜨거워진 냉매가 라디에이터(Radiator)로 이동, 다시 냉각되어 순환하는 경로이다.
경로상에서 알 수 있듯이 모든 경로의 중심에는 CR이 있고 각각의 발열 제품을 일정한 온도로 유지하기 위해 냉매 이동을 제어한다는 것을 알 수 있다.
가열 할때의 흐름도는 배터리의 경우 냉각했을때와 반대로 뜨거운 냉매가 유입되어 배터리에 열을 전달한 후 차가운 냉매로 전환, CR, 칠러를 통해 순환하는 구조인데, 앞서 설명한 두 번째 경로의 경우 라디에이터를 거치지 않고 뜨거워진 냉매가 CR로 유입되는 것을 알 수 있다.
이는 자동차 내부의 관리 모듈과 구동 장치 등에서 발생하는 열을 흡수하여 냉매를 데우는 형태로, 시즈 히터(Sheath Heater)와 같은 별도 부품의 필요성을 없애주는 방식, 즉 내연기관에서의 엔진 폐열을 이용한 가열 방식과 비슷하다고 볼 수 있다.
본문에서는 테슬라 Model3에 적용된 열관리 시스템에 대해 소개했으나, 테슬라뿐만 아니라 여러 자동차 회사에서 열관리를 위한 통합 시스템 개발을 하고 있으며 핵심이 되는 히트펌프 기술력 확보와 테슬라에서 적용한 폐열을 이용해 배터리를 가열시키는 등의 재생에너지 시스템에 대해서도 활발하게 개발이 진행되고 있다.
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