열 관리 기술 개요 1
1.1 배터리 열 관리
배터리 열 관리(Battery thermal management)는 전기 자동차의 열 관리 시스템의 핵심 구성 요소입니다. 주요 목표는 배터리 팩이 다양한 작동 조건에서 적절한 작동 온도를 유지하여 배터리 성능, 안전성 및 서비스 수명을 보장하는 것입니다. 배터리 열 관리에는 주로 열 발산과 가열이라는 두 가지 측면이 포함됩니다. 다음에서는 이 두 가지 기능을 달성하기 위한 다양한 기술적 경로에 대해 자세히 설명합니다.
1.1.1 배터리 열 발산
1) 공기 냉각. 공기 냉각은 비교적 간단하고 저렴한 방열 방법입니다. 자연 대류를 통해 또는 팬을 설치하여 공기 흐름을 강제로 통해 배터리에서 생성된 열을 제거합니다. 공기 냉각 시스템은 주로 열 교환을 위해 배터리 팩 표면의 방열판에 의존하며, 이는 낮은 전력 밀도 요구 사항이나 적당한 주변 온도의 시나리오에 적합합니다. 그러나 공기의 비열 용량이 작기 때문에 열 교환 효율이 비교적 제한적이며 고전력 및 고에너지 밀도 배터리의 빠른 냉각 능력이 약합니다.
2) 액체 냉각. 액체 냉각 솔루션은 냉각수(예: 물, 에틸렌 글리콜 용액 등)를 열 전달 매체로 사용하여 순환 파이프를 통해 배터리와 직접 접촉하여 효율적인 열 전도를 달성합니다. 액체 냉각 시스템은 특히 고성능 전기 자동차의 경우 배터리 온도를 정확하게 제어할 수 있습니다. 배터리가 과열되는 것을 효과적으로 방지하는 동시에 배터리 온도가 고르게 분포되도록 하여 배터리 수명과 전반적인 성능을 향상시킵니다. 그러나 액체 냉각에는 몇 가지 한계가 있습니다. 액체 냉각 시스템은 더 복잡하고 액체 누출 위험이 있으며 재료의 내식성에 대한 특정 요구 사항이 있으며 유지 관리 비용이 증가합니다.
3) 상변화 물질(PCM) 방열. 상변화 물질은 고체-액체 상 전이 과정에서 많은 잠열을 흡수하여 우수한 방열 효과를 얻을 수 있습니다. 배터리 열 관리에 적용하면 PCM을 배터리 주위에 감거나 배터리 모듈에 내장하여 배터리 온도가 상승할 때 열을 흡수하여 열 방출을 느리게 하는 역할을 할 수 있습니다. PCM 방열의 장점은 일정한 온도 특성으로 배터리 온도가 갑자기 상승하는 것을 방지하지만 단점도 비교적 분명합니다. 열전도도가 비교적 나쁘고 응답 속도가 느리며 재료 비용이 높습니다.
4) 히트 파이프 열 발산. 히트 파이프는 외부 에너지 입력 없이 작동 유체의 상 변화 프로세스를 사용하여 열을 전달하여 효율적인 열 전도도를 달성할 수 있습니다. 배터리 열 관리 애플리케이션에서 히트 파이프는 국소 핫스팟에서 열을 빠르게 전달하고 전체 배터리 팩의 온도 일관성을 개선할 수 있습니다. 히트 파이프는 열 전달 효율이 높고 크기가 작으며 무게가 가볍다는 장점이 있지만 구조가 복잡하고 제조 비용이 비교적 높으며 열 발산 효율을 보장하기 위해 적절한 응축 단부를 설계하는 데 주의해야 합니다.
5) 직접 냉각 열 발산. 직접 냉각은 주로 냉각 매체(일반적으로 액체)가 배터리 모듈 또는 배터리 셀을 통해 직접 흐르면서 배터리의 작동 온도를 효과적으로 제어하는 것을 말합니다. 이 설계는 배터리 표면이 열을 빠르게 발산할 수 있게 해주며, 특히 고온 및 고전력 수요 상황에 적합합니다. 그러나 직접 냉각은 밀봉에 대한 요구 사항이 매우 높고 냉각수가 누출되면 심각한 안전 위험을 초래할 수 있습니다.
1.1.2 배터리 가열
1) PTC 가열. 양의 온도 계수(PTC) 히터는 양의 온도 계수 효과에 기반을 두고 있습니다. 즉, 저항은 온도에 따라 증가합니다. 따라서 저온 환경에서 안정적인 열 출력을 제공하는 동시에 자체 온도가 너무 높아지는 것을 자동으로 제한할 수 있습니다. PTC 가열은 자동차의 시트 가열 및 자동차 에어컨 시스템의 보조 가열과 같은 편안함을 위해 전기 자동차에서 널리 사용됩니다. 자체 조절 특성으로 인해 과열로 인한 문제를 피하면서 안정적이고 효율적인 가열 효과를 제공할 수 있습니다. 효율적인 가열 기술입니다. 그러나 PTC 가열은 전기 가열이므로 전기 자동차의 총 에너지 소비가 증가하고 주행 범위가 줄어듭니다.
2) 히트펌프 난방. 히트펌프 에어컨 시스템은 역 카르노 사이클을 통해 외부 환경으로부터 저온 열을 흡수하고, 열을 압축하고 방출하는 과정을 통해 배터리와 캐빈으로 전달합니다. 기존의 PTC 난방 방식과 비교할 때, 히트펌프는 저온 환경에서 에너지 효율이 더 높아 차량 성능을 유지하는 데 도움이 됩니다. 그러나 히트펌프 시스템의 설계와 작동은 더 복잡하며, 특히 극저온 조건에서는 성능이 저하됩니다. 이러한 이유로 일부 연구에서는 공기 주입 엔탈피 증가 및 듀얼 소스 히트펌프와 같은 혁신적인 기술을 제안하여 낮은 주변 온도에서 히트펌프 성능을 최적화했습니다.
