배터리 열 관리 시스템(BTMS)
BTMS(Battery Thermal Management System)는 전기차의 핵심 시스템 중 하나로 차량 전체의 안전, 성능, 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.
I. 배터리에 열 관리가 필요한 이유
전원 배터리, 특히 리튬{0}}이온 배터리는 성능, 수명 및 안전성이 작동 온도에 크게 좌우됩니다.
최적의 작동 범위
배터리의 이상적인 작동 온도 범위는 일반적으로 15~40도이며 최적 범위는 약 20~35도입니다.
고온 위험
지나치게 높은 온도(예: 60도 초과)는 배터리 용량 감소를 가속화하고 내부 저항을 증가시키며, 극단적인 경우 열 폭주를 유발하여 화재 및 폭발로 이어질 수 있습니다.
저온 위험
지나치게 낮은 온도는 배터리 내부의 내부 화학 반응 속도를 감소시켜 용량 및 전력 출력이 급격히 떨어지고 충전이 어려워지며 잠재적으로 리튬 증착이 발생하여 배터리가 손상될 수 있습니다.
온도차 위험
배터리 팩 내 셀이나 모듈 간의 온도 분포가 고르지 않으면(과도한 온도 차이) 성능이 일관되지 않고, 전체 배터리 팩의 노화가 가속화되며, 사용 가능한 용량이 제한됩니다.
따라서 효율적인 열 관리 시스템은 배터리 온도를 최적 범위 내로 유지하고 배터리 팩 내 최대 온도 차이(이상적으로는 3도 이하)를 최소화하는 것을 목표로 합니다.
II. 열 시스템의 작동 방식
액체 열 관리 시스템은 순환 냉각수를 매개체로 사용하여 열을 발산하거나 배터리를 가열합니다.
냉각 기능
열 흡수: 전기 펌프에 의해 구동되는 냉각수는 배터리 팩 내의 액체 냉각판(일반적으로 배터리 모듈과 접촉)을 통해 흘러 배터리에서 발생하는 열을 흡수합니다.
열 방출: 열을 흡수한 고온-냉각수는 전면 라디에이터(공랭식)로 펌핑되거나(냉각식) 차량의 에어컨 시스템과 열을 교환하여(칠러리 열교환기를 통해) 열을 외부 공기로 방출합니다.
순환: 냉각된 냉각수는 다음 사이클을 시작하면서 배터리 팩으로 다시 흘러 들어갑니다.
가열 기능
배터리 온도가 너무 낮으면 시스템은 PTC 히터(정온도 계수 서미스터)를 사용하여 냉각수를 가열할 수 있습니다.
따뜻해진 냉각수는 액체 냉각판을 통해 흘러 배터리를 가열하는 '뜨거운 물병' 역할을 합니다.
일부 고급 시스템은 전기 구동 시스템에서 생성된 폐열을 활용하고 이를 배터리 가열용 판형 열교환기를 통해 회수하여 에너지 효율성을 향상시킬 수도 있습니다.
III. 시스템의 주요 구성 요소
일반적인 액체 열 관리 시스템은 주로 다음 구성 요소로 구성됩니다.
액체 냉각판: 배터리 모듈과 직접 접촉하는 핵심 열 교환 구성 요소로, 일반적으로 내부 흐름 채널 설계를 갖춘 알루미늄으로 만들어집니다. 디자인은 방열 성능, 신뢰성, 경량의 균형을 이루어야 합니다.
냉각수: 높은 열 전도성, 절연(단락 방지), 낮은 점도, 넓은 작동 온도 범위 및 우수한 재료 호환성이 필요합니다. 에틸렌 글리콜- 물 혼합물이 일반적으로 사용되지만(비율은 부동액 요구 사항에 따라 조정됨) 순수 유기 알코올 및 기타 유전 유체도 때때로 사용됩니다.
전기 펌프: 냉각수 순환을 위한 동력을 제공합니다. 수요에 따른 공급을 달성하고 에너지 소비를 줄이기 위해 속도를 조정할 수 있는 경우가 많습니다.-
열교환기(칠러(Chiller): 냉각수 회로와 공조 냉각 회로를 연결하는 열 교환기로 냉각 성능을 향상시키는 데 사용됩니다.
라디에이터: 차량 전면에 위치하며 공기 흐름을 통해 냉각수의 열을 방출합니다.
판형 열 교환기: 폐열 회수와 같이 서로 다른 회로 간의 열 교환에 사용됩니다.
PTC 히터 : 가열이 필요할 때 냉각수를 가열하는 장치.
밸브 본체(예: 3{2}}방향 밸브, 솔레노이드 밸브): 냉각수의 흐름 방향을 제어하여 다양한 모드 간 전환(예: 냉방 모드와 난방 모드 간 전환 또는 다양한 열원 간 전환)을 가능하게 합니다.
저장소: 온도 변화로 인한 냉각수의 팽창 및 수축을 보상하고 충진 및 출혈을 촉진합니다.
센서 및 제어 장치: 온도 센서는 배터리 및 냉각수 온도를 실시간으로 모니터링합니다. BMS(배터리 관리 시스템) 열 관리 컨트롤러는 두뇌에 해당하며, 온도 신호와 차량 상태를 기반으로 펌프, PTC 히터, 밸브, 공조 압축기 등 액추에이터의 작동을 알고리즘을 통해 지능적으로 제어합니다.
