첨단 열관리 혁신, EV 충전기 소음·화재 위험 동시 저감

영국 전문 엔지니어링 회사 D2H 어드밴스드 테크놀로지스(D2H Advanced Technologies)가 전기차(EV) 배터리 급속 충전기에서 발생하는 과도한 소음 문제 해결을 위한 연구개발 끝에 열관리, 열방출, 화재 위험 저감 분야에서 진전을 이뤘습니다. D2H는 소음이 차량 급속 충전 주기 중 발생하며, 배터리 열을 식히는 데 필수적인 냉각수의 높은 펌핑 동력 요구사항 때문임을 발견했습니다. OEM 고객이 만족하자 D2H는 연구 초점을 양산형 리튬이온 배터리의 열적 요구사항으로 직접 옮겼습니다.

EV 배터리에서 열 축적은 가속 열화나 열폭주(thermal runaway)로 이어질 수 있습니다. 더 긴 주행거리와 더 빠른 충전이 휘발유나 경유가 아닌 전기가 개인 이동수단의 미래 에너지원임을 대중에게 납득시키는 데 필수적이 되면서 이 문제가 대두될 수 있습니다. D2H(고객사: 맥라렌, 쉐보레 레이싱, 포뮬러 E)는 특수 화학 회사 크로다(Croda)와 협력해 이 과제들을 해결하고 있습니다.

D2H의 EV 소음 문제 연구는 2019년 한 완성차 업체가 결정적 원인 규명을 의뢰하며 시작됐습니다. 32셀 배터리 모듈을 제작해 물리 테스트를 하고, 침수 냉각과 콜드플레이트 냉각 등 다양한 잠재적 냉각 솔루션을 적용했습니다. 결과는 물리적 방법과 전산유체역학(CFD) 기법으로 상관관계를 분석했습니다.

중요한 추가 이점

침수 시스템 내 크로다 유전체 유체 사용이 해답으로 확인됐으며, 특히 급속 충전 상황에서 펌핑 동력 요구량을 줄였습니다. "배터리 전체가 전기를 통하지 않는 냉각제에 잠깁니다."라고 D2H 엔지니어링 디렉터 크리스 허버트(Chris Hebert)는 설명했습니다. "이로 인해 피크 셀 온도가 낮아져 더 높은 C-레이트[배터리 충방전 속도]가 가능하고, 셀 내 온도 구배가 줄어들어 팩 수명이 연장되는 등 상당한 이점이 있습니다."

하지만 이는 비열이 높은 물-글리콜 사용을 배제하는 도전이기도 합니다. 유전체 유체는 그 절반에도 미치지 못해, 허버트 설명에 따르면 배터리 입구에서 출구까지 더 큰 온도 구배가 생깁니다. 그러나 배터리 내부와 냉각수 흐름 경로에 세심한 주의를 기울이고, 크로다가 저점도·저밀도 유체를 개발함으로써 "낮은 펌프 동력을 유지하면서도 이 문제를 완화할 수 있었습니다."라고 허버트는 말했습니다.

D2H는 크로다 유체로 침수 냉각 시 팩 전체 열전달이 훨씬 효율적임을 확인했습니다. "열관리 과제를 완화할 잠재력이 있음을 확인했습니다."라고 허버트는 말했습니다. "중요한 추가 이점은 저점도 유전체 유체의 높은 인화점으로, 화재 위험을 추가로 낮출 가능성이 열립니다."

D2H의 급속 충전 주기 발열 연구는 배터리 성능과 수명 모두와 관련됩니다. 크로다의 역할은 '혁신적' 침수 유체 도입으로 필수적이라 평가됩니다. "침수 냉각의 이점을 고려하면 개발이 계속될 것입니다." 허버트 말. "배터리가 더 차갑게 작동하면 화재 위험이 줄어듭니다. 침수는 발화 가능성을 낮춥니다. 그리고 열은 배터리 노화와 성능 저하의 주요 원인입니다."

팩 내부 경로

허버트가 인용한 캘리포니아 대학교 리버사이드 연구진 보고서에 따르면, 고온과 급속 충전 사이클의 저항이 배터리를 손상시켜 가속 마모를 일으키고 극단적 경우 화재 위험을 초래합니다. 연구진은 40회 급속 충전 후 배터리 용량이 원래의 약 60%로 떨어짐을 발견했습니다.

자동차 용도에서는 리튬이온 배터리 용량이 80% 아래로 떨어지면 교체해야 한다고 일반적으로 봅니다. 이 수준은 급속 충전 25회 만에 도달했습니다. 보고서는 이 시점에서 전극과 전해질이 공기에 노출될 위험이 커져, 특히 60°C 이상에서 화재나 폭발 위험이 증가한다고 밝혔습니다.

짧은 시간frames에도 불구하고 D2H는 단순히 냉각 성능만 보지 않았습니다. 모든 EV의 신뢰성은 성능과 충전 시간만큼 성공적인 패키징에 달려 있습니다. 허버트는 침수 냉각이 추가 이점을 가질 수 있다고 언급했습니다: "침수 설계는 냉각판이 필요 없어 더 콤팩트하며, 이는 실제 셀에 더 많은 공간을 할당할 기회를 만들 수 있습니다."

침수 냉각은 겉보기엔 더 무거운 옵션처럼 보이지만, D2H 연구에 따르면 배터리 팩 내부 경로를 신중히 설계하면 흐름을 방해하지 않으면서 갤러리 크기를 줄여 냉각제 부피와 무게를 줄일 수 있습니다.

"특히 급속 충전 사이클 중 열방출을 강화하는 열관리 개선은, 화재 위험 감소와 함께 향후 더 높은 전력 밀도, 주행거리, 수명을 가능케 할 잠재력이 있습니다."라고 허버트는 단언했습니다. "이 분야에 대한 확장된 연구가 필요하며 크로다와의 실험적 작업은 계속되고 있습니다."

이 기사는 스튜어트 버치(Stuart Birch) SAE 오토모티브 엔지니어링 유럽 편집장이 작성했습니다. D2H에 대한 자세한 정보는 여기를 방문하세요.