EV 배터리 팩의 열 관리의 중요성
전기 자동차를 안전하고 효율적으로 운행하려면 열 관리가 중요합니다. 리튬-이온 배터리는 까다롭습니다.-섭씨 20~40도 사이를 좋아합니다. 더 뜨겁게 밀면 문제가 발생합니다. 전해질이 분해되기 시작하고 SEI 층이 두꺼워지며, 어느새 배터리의 용량이 줄어들고 효율성이 떨어지며 최악의 경우 화재가 발생하거나 폭발하기도 합니다.
추운 날씨는 그다지 친절하지 않습니다. 온도가 떨어지면 배터리 화학 반응이 느려집니다. 내부 저항이 증가합니다. 갑자기 필요한 전력이나 충전 속도를 얻지 못하는 경우가 있습니다. 세포 사이의 작은 차이-5도-만 있어도-불균일한 노화가 발생합니다. 일부 세포는 수명보다 일찍 늙어가고 다른 세포는 뒤쳐집니다.
그럼 결론은요? 모든 세포를 거의 동일한 온도로 유지한다고 해서 단지 상황이 더 안전해지는 것은 아닙니다. 이는 자동차의 성능을 최상의 상태로 유지하고 배터리가 훨씬 더 오래 지속되도록 돕습니다.
EV 배터리 팩용 공기 냉각
공기 냉각은 배터리 팩 위로 또는 배터리 팩을 통해 공기를 이동시켜 열을 빼내는 방식으로 작동합니다. 때로는 자동차가 운전할 때 공기가 움직이는 것일 수도 있고(수동적), 팬이나 송풍기가 그 역할을 하는 경우도 있습니다(능동적). 전체 설정은 간단합니다.-복잡한 배관도 없고 추가 무게도 많지 않으며 가격도 저렴합니다. 초기 전기차나 소형차에서 볼 수 있는 이유다. 덕트와 몇 개의 팬만 사용합니다.-액체나 무거운 부품을 넣지 않아도 됩니다.
하지만 문제가 있습니다. 공기는 열을 운반하는 데 적합하지 않습니다. 액체보다 밀도가 훨씬 낮아서 많은 에너지를 흡수할 수 없습니다. 배터리가 열심히 작동하기 시작하면, 특히 빠른 충전이나 과도한 사용 중에 공기 냉각 기능이 뒤쳐집니다. 모든 셀을 일정한 온도로 유지하거나 최신 EV가 배출하는 열을 처리할 수는 없습니다. 요즘 공기 냉각은 가장 간단한 배터리 설정에서만 작동합니다. 더 까다로운 것은 더 나은 것이 필요합니다.
장점:몇 가지 부품으로 구성된 간단한 설정이므로-가벼움을 유지하고 유지 관리가 많이 필요하지 않습니다. 냉각수 누수 걱정이 없고, 차가 움직일 때 불어오는 공기를 이용해 냉각수를 공급할 수 있습니다.
제한사항:쿨링능력이 꽤 약해요. 특히 자동차를 세게 밀거나 빠르게 충전하는 경우 핫스팟이 빠르게 나타납니다. 공기는 열을 이동하는 데 적합하지 않기 때문입니다. 이로 인해 구성 요소가 더 빨리 마모되거나 시스템이 종료될 수도 있습니다. 솔직히 말해서 이 방법은 고성능-또는 고에너지-EV를 따라잡을 수 없습니다.
EV 배터리 팩용 액체 냉각
요즘 대부분의 중성능- 및 고성능-전기 자동차에는 액체 냉각이 선택됩니다. 작동 방식은 다음과 같습니다. 펌프는 배터리 셀 바로 위에 있는 채널이나 냉각판을 통해 냉각수-보통 물-글리콜 혼합물-을 밀어냅니다. 냉각수가 배터리에서 열을 흡수하면 열교환기로 이동하여 공기나 냉매를 사용하여 열을 배출합니다. 액체는 공기보다 열을 더 잘 전달하기 때문에 이러한 시스템은 배터리 온도를 일정하고 균일하게 유지합니다. 이것이 실제로 거의 모든 장거리-전기 자동차가 액체 냉각식 배터리 팩을 사용하는 이유입니다. 더 나은 열 제거 기능을 갖춘 이 팩은 과열 없이 더 높은 전력 출력과 초{13}}초고속 충전을 처리할 수 있습니다.
장점:액체 냉각은 열을 빠르게 제거하고 모든 셀에 걸쳐 온도를 균일하게 유지합니다. 즉, 배터리 수명이 길어지고 충전 속도도 빨라집니다. 냉각수는 열 이동에 있어 공기보다 훨씬 낫기 때문에 이 팩은 땀을 흘리지 않고 높은 충전 속도를 처리할 수 있습니다.
단점:결국에는 더 복잡하고 무거운 시스템이 됩니다. 이를 제어하려면 펌프, 호스, 열 교환기 및 모든 전자 장치가 필요하며 모든 것이 단단히 밀봉되어야 합니다. 유지 관리해야 할 사항도 더 많습니다.-펌프나 밸브가 파손될 수 있으며 누출은 실제 문제입니다. 또한 이러한 모든 추가 부품은 공간을 차지하고 무게를 추가하므로 전반적인 효율성이 약간 저하됩니다.
상-변화 물질(PCM) 냉각
상-변화 물질(PCM)은 배터리의 열 충격 흡수제 역할을 합니다. 일반적으로 세포 주위에 밀랍이나 소금이 들어있는 형태로 발견됩니다. 배터리가 특정 지점 이상 가열되면 PCM이 녹아 고체에서 액체로 변하면서 많은 에너지를 흡수합니다. 사물이 다시 식으면 고체가 되어 저장된 열을 다시 방출합니다. 이 프로세스는 특히 가속 페달을 세게 밟거나 고속 충전을 위해 전원을 연결하는 등 급격하게 폭발하는 동안 온도 급상승을 억제하는 데 도움이 됩니다.
장점:완전히 수동적이므로 실행하는 데 에너지가 필요하지 않습니다. 팬도 없고 펌프도 없습니다.{1}}단순히 온도 상승을 조용히 균등화하는 시스템입니다. PCM은 순간적인 열 폭발로부터 셀을 보호하고 갑작스러운 부하가 있을 때 팩을 안전한 온도로 유지하는 데 도움을 줍니다.
제한사항:단점은? PCM은 자체적으로 열을 잘 전달하지 못합니다. 일단 상 변화가 끝나면 더 이상 열을 흡수할 수 없습니다. 지속적인 고온 문제를 해결하고 있다면 수동 냉각만으로는 충분하지 않습니다. PCM에서 실제로 열을 방출하려면 일반적으로 추가 구성 요소가 필요합니다.-그래파이트 핀이나 히트 파이프-를 생각해 보세요.
히트파이프 냉각(열전도)
히트 파이프는 기본적으로 내부에 약간의 유체가 들어 있는 밀봉된 금속 튜브입니다. 유체가 지속적으로 증발하고 응축되도록 하여 열을 빠르게 이동시키므로 도중에 온도가 거의 손실되지 않습니다. 배터리 팩에서 히트 파이프를 열 "초전도체"로 생각하십시오. 모듈 내부에 집어넣거나 셀에 바로 부착하여 핫스팟에서 빠르게 열을 빼낼 수 있습니다. 때때로 히트 파이프는 열을 더 시원한 곳으로 전달하거나 냉각판 네트워크로 직접 전달합니다.- 실제로 길이에 따라 고체 구리보다 열을 수천 배 더 잘 전도하므로 로컬 핫스팟을 관리하는 데 적합합니다. 전체 모듈에 온도를 분산시키는 데 도움이 되도록 냉각판과 같은-액체 냉각 시스템-이-내장되어 있는 것을 종종 볼 수 있습니다.
장점:이것은 놀라운 열전도율을 가지고 있어서 열을 옆으로 아주 잘 퍼뜨립니다. 멀리 떨어져 있는-셀을 연결하면 온도 균형을 맞추는 데 도움이 되며 전체 '가장 약한 셀' 문제가 줄어듭니다. 게다가 전원이 필요 없이-스스로 작동합니다.
제한사항:일반적으로 사람들은 주 냉각 시스템이 아닌 부분 냉각용으로만 사용합니다. 올바르게 밀봉하고 심지 구조를 어떻게 설정하는지 세심한 주의를 기울여야 합니다. 또한 비용이 증가하고 팩 디자인이 더욱 복잡해집니다. 그리고 결국 실제로 팩에서 열을 내보내려면 냉각판과 같은 다른 것이 필요합니다.
냉각방식 비교
결론은 다음과 같습니다. 각 냉각 방법에는 고유한 장점과 문제점이 있습니다.
공기 냉각:그것은 아주 싸고 아주 단순합니다. 추가 장비가 거의 필요하지 않지만 솔직히 말해서 심각한 열에는 적합하지 않습니다. 온도가 갑자기 오르고 배터리를 세게 밀면 온도를 따라갈 수 없습니다. 이는 구식-또는 저전력 EV에만{4}}효과가 있습니다.
액체 냉각:대부분의 최신 EV가 착륙하는 곳입니다. 고속 충전 중에도 물건을 균일하고 시원하게 유지합니다. 물론, 훌륭하게 작동하지만 이제는 펌프, 파이프, 씰-과 더불어 추가 무게와 비용도 처리해야 합니다. 그럼에도 불구하고 이는 중급-이상의 표준입니다.
PCM 버퍼링:그것은 일종의 영리한 것입니다. 전력을 사용하지 않고도 열 스파이크를 흡수하지만 일단 가득 차면 도움이 되지 않습니다. 사람들은 일반적으로 추가 완충을 위해 액체 냉각과 결합합니다.
히트파이프:그들은 레이저-집중적인 문제 해결사와 같습니다. 핫스팟에서 열을 빠르게 내보내고 문제를 해결하는 데 도움이 되지만 실제로 열을 방출하려면 -방열판-과 같은 다른 장치가 필요합니다. 그들은 그 자체가 아닌 더 큰 시스템의 일부로서 빛납니다.
고급 방법(신흥):예를 들어 침수 냉각은 말 그대로 배터리를 특수 액체에 담그는 방식입니다. 이 방법은 매우 빠른 속도로 열을 방출합니다.-초고속 충전을 원하는 경우에 적합합니다.- 하지만 유체 관리는 까다롭습니다. 일부 프리미엄 EV는 자동차의 에어컨 냉매를 사용하여 배터리를 직접 냉각하기도 하는데, 이는 매우 효율적이지만 제거하기가 쉽지 않습니다.
안전, 성능 및 배터리 수명에 미치는 영향
열 관리는 단순한 기술적 세부사항이 아닙니다.-EV 안전과 성능에 있어 매우 중요한 부분입니다. 배터리가 너무 뜨거워지면 화재나 폭발 가능성이 훨씬 높아집니다. 과열은 열 폭주라고 불리는 현상을 일으킬 수 있는데, 여기서 세포는 기본적으로 연쇄 반응을 시작하고 스스로 더 뜨거워집니다. 이는 차량 안에 있는 사람뿐만 아니라 최초 대응자에게도 위험한 일입니다.
하지만 단순히 냉정함을 유지하는 것만은 아닙니다. 시스템이 열을 잘 관리하지 못하면 배터리가 더 빨리 노화됩니다. 경험에 따르면 온도가 최적 지점보다 10도 이상 올라갈 때마다 배터리 수명이 절반으로 줄어듭니다. 약 50도에서 세게 밀면 단 몇 백 사이클 후에 용량의 약 60%가 손실되는 것을 볼 수 있습니다.
감기도 좋지 않습니다. 저온에서는 이온이 자유롭게 움직일 수 없기 때문에 배터리가 어려움을 겪습니다. 이는 전력 소비가 적고 충전 속도가 느리며 전체적으로 반응이 느리다는 것을 의미합니다. 그리고 사람들이 가끔 잊어버리는 것이 있습니다. 모든 세포의 온도도 중요합니다. 일부 셀이 다른 셀보다 더 뜨겁거나 더 차갑게 작동하면 전체 배터리 팩은 가장 약한 셀 수준에서 작동하게 됩니다. 그러면 용량이 줄어들고 배터리 수명이 단축됩니다.
안전:셀을 시원하게 유지하면 셀이 과열되거나 화재가 발생하는 것을 방지할 수 있습니다. 좋은 냉각 기능은 단순히 좋은 것이 아닙니다.-그것은 모든 차량 안전 계획의 핵심 부분입니다.
성능:배터리는 섭씨 20도에서 40도 사이에서 가장 잘 작동합니다. 너무 추워서 원하는 전력을 전달할 수 없습니다. 너무 뜨거우면 저항이 더 커지고 전압이 빨리 손실됩니다.
배터리 수명: 온도를 일정하고 시원하게 유지하면 세포가 더 오래 지속되고 빨리 닳지 않습니다. 전체 팩의 온도가 균일하다는 것은 단일 셀이 너무 세게 밀리지 않는다는 것을 의미합니다. 솔직히, 견고한 냉각 시스템은 항상 뜨겁게 작동하는 배터리보다 배터리 수명을 두 배 이상 연장할 수 있습니다.
최신 기술 및 동향
EV 배터리는 그 어느 때보다 더 강력해지고 더 빠르게 충전되므로 더 나은 냉각 기술이 요구됩니다. 침수냉각(Immersion Cooling)은 현재 많은 주목을 받고 있습니다. 간단합니다. 배터리 셀을 전기가 흐르지 않는 특수 액체에 담그면 열이 훨씬 더 빨리 빠져나갈 수 있습니다. 이러한 종류의 설정은 1,000kW가 넘는 엄청난 양의 빠른 충전이 실제로 작동할 수 있을 만큼-충분히-심각한 열을 처리할 수 있습니다.
일부 사람들은 자동차 자체의 A/C 냉매를 사용하여 배터리를 식히고 있는데, 이는 특히 외부가 더울 때 잘 작동합니다. 또한 냉각수가 끓어 열을 내보내는 2상 시스템이나 열을 훨씬 더 빠르게 내보내는 마이크로채널-초소형 통로와 같은 아이디어에 대해서도 많은 화제가 있습니다.
게다가 연구원들은 부분 냉각을 위해 또는 단순히 추가 열을 수동적으로 발산하기 위해 열을 방출하는 열전 모듈과 특수 표면을 연구하고 있습니다. 재료 과학도 게임에 포함되어 있습니다. 사람들은 높은-전도도가 있는 물질을 상변화 물질에 혼합하거나 나노-구조의 흑연으로 폼을 만들고 있는데, 모두 추가 노력 없이도 배터리를 시원하게 유지하는 데 도움이 됩니다.
그리고 소프트웨어 측면이 있습니다. 배터리 관리 시스템은 고급 알고리즘과 AI를 사용하여 실시간으로 냉각을 예측하고 제어하면서 더욱 스마트해지고 있습니다. 전체적으로 배터리 열 관리에 있어 매우 흥미로운 시기입니다.
설계 과제 및 OEM 고려 사항
배터리 열 관리 시스템(TMS)을 자동차에 구축하는 것은 쉽지 않습니다. 제조업체는 비용이나 무게를 늘리거나 귀중한 공간을 차지하지 않고 시스템이 제대로 작동하도록 하기 위해 많은 노력을 기울여야 합니다. - 예를 들어, 액체 냉각 및 대형 열 교환기는 바닥이나 후드 아래 공간을 차지하고 더 많은 무게를 차지하므로 효율성 향상이 줄어들 수 있습니다. 고{4}}전압 설정(400~800볼트)은 모든 냉각수 부품에 최고 수준의 절연과 안전성을 요구하므로 골치 아픈 문제를 야기합니다. 모든 회로와 커넥터는 엄격한 연면거리 및 공간거리 표시를 충족해야 하며 거친 진동과 급격한 온도 변화를 견뎌야 합니다.
그렇다면 생각해볼 날씨가 있습니다. 추운 곳에서는 배터리를 온도에 빠르게 도달시키기 위해 히터 -(PTC 또는 열 펌프 -)가 필요합니다. 그것은 단지 더 많은 복잡성을 가중시킬 뿐입니다. 그리고 유지 관리와 신뢰성도 잊지 마세요. 펌프, 밸브, 센서 - 각각은 실패할 수 있는 또 다른 요소를 추가합니다. 따라서 결국 엔지니어는 올바른 균형을 찾아야 합니다. 범위, 비용 또는 가장 중요하게는 안전과 배터리 수명을 희생하지 않고 TMS를 최대한 단순하게 만들어야 합니다. 솔루션에 많은 관심이 필요한 까다로운 퍼즐입니다.
차량 아키텍처와의 통합
배터리의 열 시스템은 자동차의 HVAC 및 파워트레인과 함께 작동합니다. 많은 전기 자동차에서는 공유 냉각 루프를 찾을 수 있습니다.-동일한 열 펌프 또는 AC 압축기와 응축기가 실내와 배터리를 모두 처리하지만 모드는 다릅니다. 여름이라고 가정해 보겠습니다. AC는 공유 증발기를 사용하여 배터리를 냉각합니다. 날씨가 추울 때는 배터리 콘덴서에서 방출되는 열이 실제로 실내 온도를 높이는 데 도움이 될 수 있습니다. 일반적으로 엔지니어는 별도의 냉각수 루프-하나는 배터리용(냉각판을 통해 작동), 다른 하나는 실내 또는 모터용으로 설정한 다음-열을 이동해야 할 때 판형 열 교환기와 함께 연결합니다. 제어 시스템은 배후에서 끈을 당깁니다. 배터리 관리 시스템과 열 컨트롤러는 배터리 셀과 자동차의 나머지 부분이 수행하는 작업을 기반으로 펌프와 팬의 작동 속도와 밸브의 위치를 결정합니다. 그리고 새로운 고전압 설정으로 인해 열 및 전기 설계가 더욱 복잡해졌습니다.{10}}이러한 소형 800V 시스템은 모든 열 부품이 좁은 공간과 절연 규칙에 맞아야 함을 의미합니다. 결국 전체 열 관리 시스템을 설계하는 것은 큰 퍼즐로 바뀌고 모든 것을 함께 최적화해야 합니다.
파워윙스고급 EV 열 관리 구성 요소와 맞춤형 배터리 냉각 솔루션을 제공합니다. 열교환기 및 냉각 시스템 설계에 대한 심층적인 전문 지식을 갖춘 PowerWinx는 OEM이 정밀 냉각 모듈을 배터리 팩에 통합하도록 돕습니다. 당사의 맞춤형 솔루션은 효율적인 열 제거와 균일한 온도 제어를 보장하여 현대 전기 자동차의 배터리 안전성, 성능 및 수명을 향상시킵니다.
EV 열 관리 솔루션
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