냉각시스템

냉각시스템(cooling system)은 전기구동 자동차의 배터리의 과열방지를 위한 시스템 및 각종 차량용 모터, 모터 드라이버 등의 효율적인 성능 향상을 위한 시스템이다. 배터리 전력의 사용은 자동차의 주행시간 지속능력 및 주행 능력과 직접적인 연관에 있어서 전기구동 자동차에 적용되는 열관리 시스템은 기존의 엔진구동력을 이용하는 고효율 시스템이 필요하다.

미 도로교통안전국(NHTSA)는 테슬라의 2012~2016년 생산된 구형 테슬라 모델S에 사용된 배터리 냉각시스템의 결함 유무에 대해 조사한 바 있다. 모델S의 배터리팩 냉각 코일 끝의 알루미늄이 균열에 취약해 냉각제 누출로 이어질수 있었다고 지적했다.

개요

하이브리드 자동차 및 전기자동차에 사용되는 배터리는 높은 파워 사용으로 인해 많은 열이 발생하게 된다. 따라서 배터리 냉각 시스템이 필수적인데, 배터리의 최대 온도와 최소 온도의 차이와 최고 온도는 배터리의 내구성과 안정성을 크게 좌우하는 요소이다. 그 때문에 하이브리드 자동차와 전기자동차의 배터리는 냉각 시스템으로 배터리의 온도를 최대한 균일하게 하고 과하게 온도가 올라가는 것을 막아야 한다.

전기자동차와 하이브리드 자동차는 구동을 위한 대용량의 배터리가 요구되고, 배터리 발열에 대한 냉각기술의 필요성도 증가한다. 배터리 냉각시스템의 기계적 오류가 발생하면 자동차의 화재 또는 배터리 셀의 온도 불균형 증가로 배터리의 수명이 감소하거나 배터리 팩의 열폭주가 나타날 수 있다. 그러므로 안정성을 고려하여 동작 허용 온도를 55 °C 이하로 제한한다.

T. Yiksel과 J. Michalek은 배터리 냉각과 수명과의 관계를 규명하였고, H. Teng 등은 이로 인해 HEV/EV용 배터리의 열적 관리 시스템을 이용하여 온도의 균일성 및 냉각 성능을 제안하였다. 네이더 자바니(N. Javani) 등은 PCM(phase change materials)방식을 이용하여 배터리 냉각방식을 제시하였고, H. Park은 공냉식을 사용한 하이브리드 자동차에 리튬이온 배터리 냉각을 제안하였다. 또한 나노입자유동을 이용하여 전기자동차 배터리용 냉각수로 사용하는 기술도 개발되고 있다. 저밀도 에너지 배터리에서는 공냉식과 수냉식이 모두 가능 하나, 고밀도 배터리에서는 냉각수를 활용한 수냉식 시스템이 가장 효율적인 열관리 방법이다. 고밀도 전기 배터리의 무게는 차량에 따라 250~500 kg으로 무겁고 이에 비례하여 부피도 증가한다. 효율적인 공간활용을 위해 배터리 셀을 직사각형 형태로 만들어 적층한 스택을 사용하는 방식이 많아지고 있다.

배터리팩 냉각방식

• 공랭식(空冷式) : 외부 공기를 유입시켜 냉각시키는 방식이다. 가장 쉽고 간단한 방법이지만, 수랭식이나 유랭식에 비해 냉각 효율이 낮은 편이다.
• 수랭식(水冷式) : 물을 이용하여 냉각시키는 방식이다.

- 직접 수랭식 : 배터리셀 사이에 냉각 유로를 배치하여 냉각시키는 방식이다. 냉각 효율이 높지만 제조원가가 비싸지고 배터리팩의 무게와 부피가 커진다.

- 간접 수랭식 : 배터리셀 사이에 방열핀을 삽입하고 방열핀의 끝단을 외부 히트싱크(heat sink)에 연결시켜 냉각하는 방식이다. 가격 대비 성능이 좋아서 간접 수랭식 방식을 많이 사용한다.

• 유랭식(油冷式): 기름을 이용하여 냉각시키는 방식이다. 수랭식의 경우 증발된 물을 보충할 때 불순물이 들어갈 수 있고, 물에 의한 부식, 겨울에 물이 얼어서 동파되는 문제 등이 있는데, 이것을 해결하기 위해 물 대신 기름을 사용한 방식이다.

냉각시스템(시뮬레이션)   냉각시스템(시뮬레이션)2   공랙식   직접 수랭식   히트싱크   일체형 수랭식 냉각시스템

히트펌프 기술

현대차 코나 일렉트릭에 적용된 고효율 히트펌프 시스템

2012년 닛산 리프에 최초로 탑재된 히트펌프는 외부 공기의 열원만 활용한 데 반해, 쏘울 EV(1세대)는 공기 열원뿐만 아니라, 전기모터 및 인버터에서 발생하는 폐열원을 추가로 활용한 복합 열원 히트펌프 시스템을 적용했다. 이후 지속적인 연구개발을 통해 배터리에서 발생하는 폐열과 충전 시 발생하는 열을 추가로 활용하는 고효율 히트펌프 시스템을 개발했고, 이를 현대차는 코나 일렉트릭에 적용했다. 테슬라 모델Y는 히트펌프 기술을 적용해 저온 주행 거리를 획기적으로 개선했다고 알려졌다. 현대 기아차와 테슬라의 두 시스템은 외부 공기, 전장 부품, 배터리의 폐열을 활용한다는 것은 동일하지만, 코나 일렉트릭의 히트펌프는 다양한 열원의 온도에 따라 더 똑똑하게 작동한다. 예를 들어, 주행 상황에 따라 전기모터, 배터리, 각종 전장 장치에서 발생하는 열의 온도가 상이한데, 코나 일렉트릭은 이 중 높은 온도가 발생한 열원을 선택적으로 흡열한다. 수치적으로도 차이가 있음을 확인할 수 있다. 테슬라가 발표한 자료에 따르면 히트펌프 기술을 적용한 모델 Y는 히트펌프를 적용하지 않은 모델3 대비 주행 거리를 10% 개선했다. 두 차종은 히트펌프 적용 여부에 차이만 있을 뿐 모터 및 배터리 용량은 동일한 조건이다. 반면 코나 일렉트릭은 히트펌프 적용 시 저온에서 주행 거리가 18% 향상된다. 즉 코나 일렉트릭이 모델 Y 대비 더 높은 효율을 발휘하는 셈이다.

관련업체

• 한온시스템 : 한온시스템은 차량용 공조시스템 회사로 덴소에 이어 글로벌 2위의 회사다. 한온시스템은 전기차에 최적화된 차량 공조 시스템을 개발했다. 배터리의 열 부하에 따라 공기 냉각 및 냉각수 냉각 방식을 통합적으로 활용해 배터리의 수명을 높였다. 전기차용 단방향 히트펌프 열관리 시스템'을 개발했다. 냉매 회로를 단순화해 열관리 시스템과 부품 중량을 감소해 연비를 높였고, 충전시 발생하는 폐열을 난방열원으로 활용해 전기차의 주행거리를 높였다. '전기차용 수냉식 콘덴서'를 개발해 전장부품에서 발생하는 폐열을 수냉각 방식으로 회수해 에어컨 응축 열원으로 활용하는 기술을 개발했다.

한온시스템은 공조시스템 성능을 높여 전기차의 화재 위험성도 낮췄다. '고전압·고용량 전동압축기'를 개발했다. 전동압축기는 배터리 용량 증대에 따른 냉방 부하 및 급속충전시 발생할 수 있는 열부하에 효과적으로 대응할 수 있다.

전기차는 충방전시 발열이 발생해 화재의 위험성을 항상 안고 있다. 차량 내부 온도를 제어해 배터리의 발열을 억제할 수 있게 해 화재 위험성을 낮췄다.

한온시스템이 개발한 전기차용 공조시스템 관련 기술

구분	내용
전기차용 통합 열관리 시스템	배터리 열 부하에 따라 공기냉각 방식을 통합적으로 활용 배터리 수명 주행거리 증대
전기차용 단방향 히트펌프 열관리 시스템	냉매회로를 단순화해 중량을 낮추고 폐열을 난방열로 활용해 연비 개선
전기차용 수냉식 콘덴서	전기차 전장부품에서 발생하는 폐열을 수냉각 방식으로 회수 주행거리 향상
고전압.고용량 전동압축기	배터리 용량 확대에 따른 냉방 부하 및 급속충전 시 열부하에 대응

참고자료

• 하이브리드/전기 자동차용 수냉식 배터리 셀의 냉각성능에 관한 수치 해석적 연구(응용논문) - https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201616853628755.pdf
• 하이브리드/전기 자동차 배터리 냉각 시스템의 냉각판내 냉각수 유동 패턴이 냉각 특성에 미치는 영향 - file:///C:/Users/sms/Downloads/KSAEFCS_20131120_1268-1269.pdf
• 뉴에너지모빌리티, 〈美 NHTSA, 테슬라 '모델S'의 배터리 냉각시스템 결함 조사〉, 《네이버 포스트》, 2020-07-02
• 현대자동차·기아, 〈현대·기아차가 개발한 전기차 ‘고효율 히트펌프 기술’ 다른 브랜드도 앞다퉈 도입하는 이유는?〉, 《현대자동차그룹》, 2020-06-11
• 구태우 기자, 〈EV·수소 밸류체인 막 오른 한온시스템 '쟁탈전'...전기차 주행거리 확대 기여〉, 《블로터》, 2021-04-09

같이 보기

• 냉각
• 수냉식
• 히트싱크

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