솔루션

새 에너지 차량을 위한 열전도 방안

전기차 배터리 솔루션 - 전자 부품 냉각을 위한 열 인터페이스 재료

열 관리 시스템의 중요성
배터리의 열 관련 문제는 성능, 안전성, 수명 및 비용을 결정하는 핵심 요인이다.

우선, 리튬이온 배터리의 온도 수준은 사용 중 에너지와 출력 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 온도가 낮으면 배터리의 가용 용량이 급격히 감소합니다. 너무 낮은 온도(예를 들어 0°C 이하)에서 배터리를 충전하면 순간적으로 전압 과충전 현상이 발생할 수 있으며, 이는 내부에 리튬 침전을 유발하고 결국 단락을 일으킬 수 있습니다.

둘째, 리튬이온 배터리의 열 관련 문제는 배터리의 안전성에 직접적인 영향을 미칩니다. 제조 과정의 결함이나 사용 중 부적절한 운영으로 인해 배터리가 부분적으로 과열될 수 있으며, 이는 연쇄적인 발열 반응을 유발하고, 결국 연기, 화재 또는 심지어 폭발과 같은 심각한 열폭주 사고를 초래할 수 있어 차량 운전자와 승객의 안전을 위협합니다.

또한, 리튬이온 배터리의 작동 온도나 보관 온도는 사용 수명에 영향을 미칩니다. 배터리의 적정 온도는 약 10~30°C로, 너무 높거나 낮은 온도는 배터리 수명을 빠르게 감소시킵니다.

대형 파워 배터리는 표면적 대 부피 비율이 상대적으로 낮아져 배터리의 내부 열이 쉽게 발산되지 않으며, 이로 인해 내부 온도가 균일하지 않고 국부적인 온도 상승이 심화되는 등의 문제가 발생하기 쉽습니다. 이러한 현상은 배터리 열화를 더욱 가속화하고, 배터리 수명을 단축시키며, 사용자들의 총 비용을 증가시킵니다.

배터리 열 관리 시스템은 배터리의 열 관련 문제를 해결하고 전력 배터리의 성능, 안전성 및 수명을 보장하는 핵심 기술 중 하나이다. 열 관리 시스템의 주요 기능은 다음과 같다:
1) 배터리 온도가 높을 때 효과적인 열 방출로, 열 폭주 사고를 방지합니다;
2) 배터리 온도가 낮을 때 워밍업을 실시하여 배터리 온도를 높이고, 저온에서의 충전 및 방전 성능과 안전성을 확보하십시오;
3) 배터리 팩의 온도 차이를 줄이고, 국부적인 고온 구역 형성을 억제하며, 고온 위치에서 배터리가 너무 빠르게 열화되는 것을 방지하고, 결과적으로 배터리 팩의 전반적인 수명을 단축시킵니다.

테슬라 로드스터 열 관리 시스템
테슬라 로드스터 배터리의 열 관리 시스템

테슬라 모터스의 로드스터 순수 전기차는 액체 냉각 방식의 배터리 열 관리 시스템을 사용합니다. 차량에 장착된 배터리 팩은 18650형 리튬이온 배터리 6831개로 구성되어 있으며, 이 중 69개가 병렬로 연결되어 하나의 세트(브릭)를 형성하고, 9개의 세트가 직렬로 연결되어 시트를 이루며, 최종적으로 11개의 층이 직렬로 쌓여 있습니다. 배터리 열 관리 시스템의 냉각 유체는 물과 에틸렌 글리콜을 50%씩 혼합한 것입니다.
그림 1.
(a)는 시트 내부의 열 관리 시스템입니다. 냉각 파이프가 배터리 사이의 지그zag 형태로 배열되어 있으며, 냉각수가 파이프 안을 흐르며 배터리에서 발생하는 열을 제거합니다.
(b)는 냉각 파이프의 구조를 나타낸 개략도이다. 냉각 파이프 내부는 그림 1과 같이 네 개의 채널로 나뉘어져 있다.
(c). 열 관리 시스템은 흐름 중 냉각수 온도의 점진적 상승을 방지하기 위해 양방향 유동장 설계를 사용합니다. 냉각 파이프의 두 끝은 모두 그림과 같이 액체의 입구이자 출구입니다. 1번에서 보여지듯이
(d). 배터리 간 및 배터리와 파이프 사이를 전기 절연성이 있지만 열전도성이 우수한 재료로 채우십시오.

기능은 다음과 같습니다:
(1) 배터리와 방열관 간의 접촉 형태를 선 접촉에서 면 접촉으로 변경하라;
(2) 네, 단일 셀 간의 온도 균일성을 향상시키는 데 유익합니다;
(3) 배터리 팩의 전체 열용량을 높이면 전체 평균 온도가 낮아져 유익합니다.

위의 열 관리 시스템을 통해 로드스터 배터리 팩 내 개별 셀 간의 온도 차이는 ±2°C 이내로 제어됩니다. 2013년 6월의 보고서에 따르면, 10만 마일 주행 후에도 로드스터 배터리 팩의 용량은 초기 용량의 80%~85% 수준으로 유지될 수 있으며, 용량 저하는 주행 거리와 명확히 관련이 있지만, 오히려 주변 온도와 더 밀접한 관련이 있음을 나타냈습니다. 반면, 차량 연식과의 관계는 뚜렷하지 않았습니다. 이러한 성과는 강력한 배터리 열 관리 시스템의 지원 덕분에 가능했습니다.

테슬라 배터리 열 관리 시스템의 열 방출 원리
유니언텐다 기술의 열 솔루션은 자동차 배터리 성능을 더욱 안정적으로 유지하고, 배터리 팩의 수명을 연장하며, 배터리 팩이 최상의 성능을 발휘할 수 있도록 보장합니다.
열 방출 원리: 배터리가 작동할 때 많은 열이 발생합니다. 이 열은 열전도성이 뛰어난 실리콘 시트를 통해 수냉식 튜브로 전달되고, 다시 수냉식 튜브에서 냉각수로 전달됩니다. 수냉식 튜브 내의 액체는 배터리 팩 안을 흐르며 열을 제거합니다.
국내 유명 자동차 제조업체의 배터리 열 관리 시스템의 열 방출 원리
열 방출 원리: 팬을 사용하여 적극적으로 열을 분산시키며, 팬이 바람을 공급하고, 이 바람이 배터리 팩 내부의 열을 가하기 위해 배터리 흐름 채널 쪽으로 불어갑니다. 또한, 배터리 팩 내부의 온도 차가 5°C 이내로 제어되지 않기 때문에, 열전도성 실리콘 패드를 배터리 팩의 상하부에 부착하여, 열전도성 실리콘 패드가 온도를 외부 알루미늄 쉘로 유도합니다. 이를 통해 전체 배터리 모듈의 온도 차가 5°C 이내로 관리됩니다. 이는 배터리 팩 설계의 요구 사항을 충족시켜, 주행 중 배터리 팩의 수명을 연장하고 성능을 더욱 안정적으로 만듭니다.


방열 원리: 배터리 팩은 수동 방열 방식을 채택합니다. 배터리 팩과 알루미늄 방열판 사이에 열 패드를 부착합니다. 이 열 전달 재료를 통해 온도가 알루미늄 판으로 전달되고, 알루미늄 판이 공기와 열을 교환합니다.
방열 원리: 배터리 팩은 수동 방열 방식을 채택합니다. 배터리 팩과 알루미늄 라디에이터 사이에는 열전도 시트가 부착되어 있습니다. 이 열전도 실리콘 시트를 통해 온도가 알루미늄 라디에이터로 전달되고, 알루미늄 라디에이터가 공기와 열을 교환합니다.