열적으로 더 안전한 EV 배터리를 위한 몰입형 솔루션

EV의 배터리 급속 충전기로 인해 발생하는 과도한 소음 문제를 해결하기 위한 연구 및 개발 작업은 열 관리, 방열 및 화재 위험 감소의 발전으로 이어졌습니다. 영국에 기반을 둔 전문 엔지니어링 회사인 D2H Advanced Technologies는 차량의 고속 충전 주기 동안 소음이 발생한다는 사실을 발견했습니다. 이는 배터리 열을 발산하는 데 필수적인 냉각수에 대한 높은 펌핑 전력 요구 사항으로 인해 발생했습니다. OEM 고객이 만족한 D2H는 연구 초점을 시리즈 생산 리튬 이온 배터리의 열 수요로 직접 전환했습니다.

EV 배터리에서 열 축적은 가속화된 성능 저하 또는 열 폭주로 이어질 수 있습니다. 그 문제는 대중에게 가스나 디젤이 아닌 전기가 개인 운송의 미래 에너지원이라는 것을 설득하기 위해 더 넓은 범위와 더 빠른 충전이 필수적이 됨에 따라 발생할 수 있습니다. McLaren, Chevrolet Racing 및 Formula E를 고객으로 하는 D2H는 이러한 문제를 해결하기 위해 특수 화학 회사인 Croda와 협력하고 있습니다.

EV 소음 문제에 대한 D2H의 연구 작업은 2019년 자동차 제조업체가 문제의 명확한 원인을 요청하는 회사에 연락하면서 시작되었습니다. 물리적 테스트를 위한 32셀 배터리 모듈이 제작되었으며 몰입형 및 냉각판 기술을 비롯한 다양한 잠재적 냉각 솔루션이 적용되었습니다. 결과는 물리적 및 전산 유체 역학(CFD) 기술을 통해 상호 연관되었습니다.

중요한 추가 혜택

침지 시스템 내에서 Croda 유전체 유체를 사용하는 것이 해답으로 확인되었으며, 특히 급속 충전 상황에서 감소된 펌핑 전력이 필요합니다. D2H 엔지니어링 이사인 Chris Hebert는 "전체 배터리가 비전도성 냉각수에 잠겨 있습니다. "이는 더 낮은 피크 셀 온도를 통해 상당한 이점을 가져오고 더 높은 C-rate[배터리가 충전/재충전되는 속도]를 가능하게 하고 각 셀 내에서 감소된 온도 구배를 가능하게 하여 더 긴 팩 수명으로 이어집니다."

그러나 높은 비열 용량을 가진 물-글리콜을 사용하는 것을 무효화하기 때문에 문제가 됩니다. 유전성 유체는 그 절반에 도달하는 데 어려움을 겪을 수 있으며, 그 결과 배터리 입구에서 출구까지 더 큰 온도 구배가 발생한다고 Hebert는 설명했습니다. 그러나 저점도, 저밀도 유체를 개발하는 Croda와 함께 배터리 내부 및 냉각수 흐름 경로에 주의를 기울인 결과 "낮은 펌프 출력을 유지하면서 이를 완화할 수 있었습니다."라고 Hebert가 말했습니다.

D2H는 팩 전체에 걸친 열 전달이 Croda 유체를 사용한 몰입형 방법을 사용하여 훨씬 더 효율적이라는 것을 발견했습니다. "우리는 열 관리 문제를 완화할 수 있는 잠재력이 있음을 확인했습니다."라고 Hebert가 말했습니다. "중요한 추가 이점은 저점도 유전체 유체의 인화점이 높기 때문에 화재 위험을 추가로 줄일 수 있다는 것입니다."

D2H의 급속 충전 주기에 의해 발생하는 열에 대한 연구는 배터리 성능과 수명 모두에 관한 것입니다. 작품에서 크로다의 역할은 필수적인 것으로 간주되어 "새로운" 몰입형 유체를 도입합니다. “침수 냉각의 이점을 감안할 때 개발은 계속될 것입니다.”라고 Hebert가 말했습니다. “배터리가 냉각되면 화재 위험이 줄어듭니다. 그 침수는 발화 가능성을 줄입니다. 열은 배터리 노화와 성능 저하의 주요 원인입니다.”

팩 내의 경로

Hebert가 인용한 University of California, Riverside의 연구원 보고서에 따르면 이러한 사이클의 고온과 저항은 잠재적으로 배터리를 손상시켜 마모를 가속화하고 극단적인 상황에서는 화재 위험을 초래합니다. 연구원들은 40번의 급속 충전 후에 배터리가 원래 용량의 약 60%가 되는 것을 발견했습니다.

일반적으로 자동차 애플리케이션의 경우 리튬 이온 배터리는 용량이 80% 미만으로 떨어지면 교체해야 하는 것으로 간주되며, 이는 단 25회의 급속 충전 주기 후에 도달한 수준입니다. 보고서는 이 시점에서 전극과 전해질이 공기에 노출될 위험이 증가하여 특히 60°C 이상의 온도에서 화재나 폭발의 위험이 증가한다고 밝혔습니다.

관련된 짧은 기간에도 불구하고 D2H는 완전한 냉각 성능을 고려하지 않았습니다. 모든 EV의 신뢰성은 성능과 충전 시간만큼 성공적인 포장에 달려 있습니다. Hebert는 몰입형 냉각이 더 많은 이점을 가질 수 있다고 언급했습니다. "몰입 설계는 냉각 플레이트가 필요하지 않으므로 더 컴팩트하므로 실제 셀에 더 많은 공간을 할당할 수 있는 기회가 생길 수 있습니다."

표면에 담그면 더 무거운 옵션처럼 보이지만 D2H의 연구에 따르면 배터리 팩 내의 경로를 신중하게 설계하면 흐름을 방해하지 않으면서 갤러리 크기를 줄여 냉각수 부피와 무게를 줄일 수 있다고 합니다.

Hebert는 "열 관리, 특히 고속 충전 주기 동안의 방열을 향상하면 화재 위험 감소와 함께 향후 반복에서 더 큰 전력 밀도, 범위 및 수명을 가능하게 할 가능성이 있습니다."라고 주장했습니다. "이 분야에 대한 확장된 연구가 필요하며 Croda와 함께 실험 작업이 진행 중입니다."

이 기사는 SAE의 유럽 편집자 Stuart Birch가 작성했습니다. 자동차 공학. D2H에 대한 자세한 내용을 보려면 여기를 방문하십시오. .