리튬이온 배터리 열관리 기술
리튬이온 배터리는 전 세계 전력 및 소비자 배터리 시장에서 중요한 위치를 차지하고 있기 때문에 이들의 열 관리 기술은 항상 업계에서 큰 주목을 받아왔습니다. 이러한 기술은 단순한 무공기 냉각에서 복합 냉각으로 발전하며, 각 기술에는 고유한 특성과 과제가 있습니다. 다양한 냉각 기술을 아래에서 자세히 소개합니다.
공기 냉각.
공기 냉각은 수동 자연 냉각과 능동 강제 냉각으로 나눌 수 있습니다. 두 가지 방법 모두 공기 흐름을 사용하여 배터리에서 발생하는 열을 제거하여 냉각합니다. 장점은 구조가 간단하고 비용이 저렴하며 환경을 보호하고 오염이 없다는 점입니다.
자연 냉각: 냉각 공기 덕트의 설계만 필요한 패시브 냉각 기술입니다. 예를 들어, 초기 닛산 리프(Nissan Leaf) 전기 자동차는 이러한 냉각 방식을 사용했습니다. 그러나 이 방법은 전원 배터리의 효율적인 냉각 요구 사항을 충족하기 어렵고 배터리 수명에 영향을 미칠 수 있습니다.
강제 공랭: 자연 냉각에 비해 공기 흐름을 늘리고 팬 및 기타 장비를 추가하여 냉각 효과를 향상시키는 기술입니다. 그러나 이는 소음과 에너지 소비 증가를 의미하기도 합니다. 또한, 공기유로의 형상을 조절함으로써 냉각효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
액체 냉각 기술
액체 냉각은 냉각수를 사용하여 배터리를 열 교환하여 효율적이고 빠르게 열을 방출합니다. 이 기술은 직접 액체 냉각과 간접 액체 냉각으로 구분됩니다. 직접 액체 냉각에서는 침수 액체 냉각과 같이 냉각수가 배터리와 직접 접촉합니다. 간접 액체 냉각은 냉각판과 같은 특정 구성 요소를 통해 냉각 효과를 얻습니다.
냉각판 액체 냉각
공냉식에 비해 냉각판 액체 냉각 기술은 더 효율적이며 냉각판은 대부분 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어지며 비용이 상대적으로 저렴합니다. 주요 연구 방향은 냉각판의 구조와 유체 흐름 특성을 최적화하여 제조 공정을 단순화하고 효율성을 높이는 것입니다.
최근 연구는 냉각수 채널 설계와 냉각수 흐름 방향에 중점을 두고 있습니다. 예를 들어 일부 전문가는 구불구불한 흐름 채널을 기반으로 하는 새로운 유형의 액체 냉각판을 설계했습니다. 이 새로운 디자인은 특정 조건에서 냉각 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 일부 전문가들은 사각형 배터리를 기반으로 벌집 구조 냉각판을 설계하기도 했습니다. 이 디자인은 냉각 채널을 추가하여 방열 효과를 향상시킵니다. 이러한 연구는 모두 합리적인 냉각수 채널 설계와 흐름 방향이 온도 균일성에 매우 중요하다는 점을 지적했습니다. 전반적으로 냉각판 액체 냉각 기술은 상당히 성숙되었으며 다양한 전기 장비에 널리 사용됩니다.
전반적으로 냉각판 액체 냉각 기술은 대부분의 애플리케이션 시나리오에 매우 효과적입니다. 구리 및 알루미늄과 같은 주요 재료는 열전도율이 좋고 비용 효율성이 적당하므로 전기 자동차 또는 냉각 요구 사항이 높은 기타 장비에 사용하기에 이상적입니다. 실제 응용 분야에서는 고품질의 냉각 효과를 보장하기 위해 적절한 냉각 채널을 설계하고 배터리 유형 및 구조에 따라 적절한 재료를 선택해야 합니다.
침수 액체 냉각
침수형 액체 냉각 기술은 배터리 및 기타 발열 부품을 냉각액에 완전히 담그는 방식입니다. 기존 공냉식에 비해 이 기술은 소음과 에너지 소비를 줄이고 배터리 온도를 더 효과적으로 제어합니다. 이 기술의 뛰어난 결과에도 불구하고, 주요 단점은 시스템의 무게와 부피가 상대적으로 커서 전기 자동차에 적용하는 데 제한이 있다는 것입니다. 그러나 고정 에너지 저장 발전소의 경우 이 기술이 이상적입니다.
침수식 냉각은 비용이 더 높지만 주로 절연유와 불화액을 냉각수로 사용합니다. 그러나 연구 결과에 따르면 이 냉각 기술을 사용하면 배터리의 평균 온도 상승이 5도를 초과하지 않고 셀 간의 온도 차이가 2도에 불과하다는 것이 입증되었습니다. 이는 에너지 저장 발전소의 서비스 수명과 안전성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
상변화물질 냉각기술
상변화물질(PCM) 기반 배터리 열관리 기술은 PCM의 축열 및 방출 특성을 활용해 배터리를 최적의 온도로 유지하는 혁신적인 방식이다. 이 접근 방식의 장점은 여러 가지입니다. 추가 에너지가 필요하지 않고, 움직이는 부품이 없으며, 유지 관리가 적고, 균일한 배터리 온도를 보장하는 데 효과적입니다.
현재 열 관리에 일반적으로 사용되는 PCM 재료는 파라핀, 알칸, 유기산과 같은 유기 재료입니다.
수용액, 염수화물, 용융염 등의 무기물질.
공융 재료
하지만 PCM 자체의 열전도율은 높지 않기 때문에 열전도율을 높이기 위해 폼 구리, 팽창흑연, 나노입자 등 다른 소재를 첨가하는 경우가 많다. 이는 또한 상 변화 후 유동성 문제와 같은 PCM의 일부 물리적 문제를 해결할 수도 있습니다.
이를 보다 직관적으로 이해하기 위해 최근 연구를 참고할 수 있습니다. 예를 들어, 일부 전문가들은 팽창된 흑연과 결합된 라우르산과 파라핀 왁스로 구성된 복합 상변화 물질을 만들었습니다. 이 소재는 특정 배터리의 최대 온도를 42.39도까지 낮추는 데 성공했습니다. 다른 연구에서도 공랭과 같은 다른 냉각 방법과 결합하면 PCM의 냉각 효과가 더욱 향상될 수 있음이 나타났습니다.
열전 냉각 기술
열전 냉각은 펠티에 효과를 기반으로 한 고급 능동 냉각 기술입니다. 간단히 말하면, 전류가 특정 물질을 통과할 때 한쪽에서는 열을 흡수하고 다른 쪽에서는 방출하여 냉각 효과를 만들어냅니다. 이 기술의 주요 장점은 냉매 없음, 낮은 에너지 소비, 빠른 시동, 우수한 안정성, 저소음 및 움직이는 부품이 없다는 것입니다. 하지만 냉각 효율이 낮고, 대형 기기 제조가 어렵다는 등 과제도 분명하다.
연구원들은 배터리 열 관리 시스템에 이 기술의 적용을 최적화하기 위해 많은 실험을 수행했습니다. 예를 들어 일부 전문가는 이중 실리카 냉각판과 구리 메시 및 공기 냉각을 결합한 시스템을 설계했습니다. 실리카 냉각판의 두께가 배터리의 온도 성능과 관련이 있다는 사실을 발견하고 1.5mm가 최적의 두께로 결정됐다. 또 다른 연구에서는 열전 냉각과 액체 냉각을 결합했으며 실험에 따르면 이 조합이 냉각 효과를 효과적으로 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.