전기차 배터리 냉각: 열 부하 및 셀 온도 균일성에 맞는 냉각 방식 선정

전기차 배터리 냉각은 리튬 이온 팩을 작동 온도 범위 내로 유지하면서 개별 셀의 온도 편차를 최소화하는 기술입니다. 이 두 가지 목표를 달성하는 방법은 측정된 셀 발열량, 셀의 온도 균일성 목표, 그리고 사용 가능한 패키징에 따라 달라집니다. 공기 냉각, 간접 액체 냉각판, 직접 냉매 냉각, 침지 냉각, 히트 파이프, 상변화 완충액 등 다양한 냉각 방식이 있지만, 각각 물리적 한계에 도달하는 시점이 다릅니다. 발열량은 예상되는 전류, 충전 상태, 온도 범위에 걸쳐 셀 수준에서 측정된 데이터를 기반으로 계산해야 합니다. 팩 용량에 C-rate를 곱한 값은 전기 처리량을 나타내는 것이므로 발열량을 대체할 수는 없습니다.

전기차 배터리 냉각은 어떻게 작동하며 실제로 무엇을 제어하는가?

전기차 배터리 냉각 시스템은 배터리 팩에서 열을 방출하는 동시에 두 가지 목표를 달성해야 합니다. 하나는 셀의 절대 온도 범위이고, 다른 하나는 셀 간 온도 편차의 상한선입니다. 어떤 목표가 먼저 달성되는지는 유로, 패키징, 그리고 셀과 냉각수 사이의 접촉면에 따라 달라집니다.

배터리 팩 내부의 발열에는 여러 가지 원인이 있습니다. 비가역적인 열은 셀 내부의 저항 손실과 분극 손실에서 발생하고, 가역적인 엔트로피적 열은 전기화학적 반응 자체에서 발생합니다. 버스바, 탭, 접촉 저항 또한 발열을 증가시키므로 접합부는 셀 본체보다 먼저 열점이 되는 경우가 많습니다. 이러한 모든 요소는 전류, 내부 저항, 충전 상태, 온도, 노화, 충전 방향에 따라 변화합니다. 따라서 설계 시 고려해야 할 냉각 부하를 결정하기 위해서는 열량 측정, 공급업체의 발열 지도, 또는 실제 사용 주기에서 검증된 전기열 모델을 활용해야 합니다.

절대 밴드 분할에 대한 지침이 게시되었습니다. 전기차 배터리 냉각에 관한 E-모빌리티 엔지니어링 특집 기사, 엔지니어링 용어로 '최적의 성능과 최장 수명은 대략 20~25°C에서 나타난다'고 합니다. 사우어 에너지의 액체 냉각과 공기 냉각 비교 이는 20~40°C에 가까운 작동 가능 온도 범위를 나타냅니다. 두 수치는 서로 다른 질문에 대한 답을 제시합니다. 좁은 범위는 최적의 수명 조건을 나타내고, 넓은 범위는 작동 허용 오차를 나타냅니다. 허용 오차를 목표로 설계하면 자체 승인 테스트를 통과하더라도 셀 데이터시트에 명시된 것보다 더 빨리 노화될 수 있습니다. 두 수치 모두 업계의 일반적인 기준이며, 승인된 셀 사양이 우선합니다.

초기에 명확히 설정해 둘 만한 기준이 하나 있습니다. 일반적인 열 관리 시스템은 작동 온도, 확산, 노화 및 보조 에너지 사용을 제어합니다. 열 폭주 전파 안전은 별도의 분야입니다. 여기에는 감지, 환기, 격리, 탑승자 경고 및 셀 간 전파 저항이 포함됩니다. 도로 차량의 경우 이는 다음과 같이 다루어집니다. ISO 6469-1:2019/개정 1:2022, 이는 충전식 에너지 저장 시스템의 열 전파 안전 관리를 다루는 표준입니다. 정상 작동에 맞춰 설계된 냉각 루프는 열 전파 전략이 아니며, 해당 표준의 어떤 버전에서도 냉각 방법, 플레이트 크기 또는 최적 셀 온도를 규정하지 않습니다.

액체 냉각 방식이 공랭식 냉각 방식보다 무조건 우수하지 않은 이유

전기차 배터리 팩에 공랭식과 수랭식 냉각 방식을 선택할 때는 표면 열유속, 실제 사용 가능한 유량, 그리고 균일성 목표를 고려해야 하는데, 이 때문에 팩 용량과 차량 등급만으로는 냉각 성능을 제대로 예측하기 어렵습니다. 공랭식 냉각 성능은 공기 질량 유량, 허용 가능한 공기 온도 상승, 입구 온도, 셀-공기 접촉면적, 덕트 바이패스 및 유량 분포, 팬 정압, 주변 환경 조건, 그리고 공기 사전 조절 여부에 따라 달라집니다. 수랭식 냉각 성능은 플레이트 면적, 접촉 저항, 유량, 입구 온도, 채널 형상, 압력 강하, 그리고 냉각기 용량에 따라 달라집니다. 이 모든 요소들을 하나의 와트(W) 임계값으로 단순화할 수는 없습니다. 일반적으로 발표되는 임계값은 특정 공급업체의 제품 범위에 불과합니다.

두 유체의 열전도율이 얼마나 다른지 명확히 알 수 있습니다. 약 25°C에서 공기는 밀도가 약 1.225 kg/m³일 때 kg·K당 약 1.005 kJ의 열전도율을 가지고 있으며, 이는 켈빈당 세제곱미터당 약 1.2 kJ에 해당합니다. 물은 밀도가 약 1,000 kg/m³일 때 kg·K당 약 4.18 kJ의 열전도율을 가지고 있으며, 이는 켈빈당 세제곱미터당 약 4,180 kJ에 해당합니다. 따라서 동일한 유체 온도 상승에서 동일한 열을 제거하려면 공기는 물보다 약 3,000배 더 많은 체적 유량이 필요합니다. 이러한 차이가 비교의 기준이 됩니다. 이 수치는 현열만 고려하고 대기압 및 순수한 물을 기준으로 한 것이며, 글리콜 혼합물의 열전도율은 더 낮습니다. 실제로 공랭식 설계는 덕트 용량과 팬 출력의 한계에 부딪히고, 평균 온도를 유지하기 전에 열 균일성이 떨어집니다.

두 가지 경로는 또한 결합될 수 있습니다. 상변화 물질은 공랭식 인클로저 내부에서 피크를 완충할 수 있으며, 대부분 공랭식 시스템은 가장 높은 플럭스를 가진 모듈에만 에너지를 공급하는 소규모 액체 냉각 루프를 포함할 수 있습니다. 고정형 에너지 저장 장치는 패키징 및 서비스 제약 조건이 다르므로 별도의 비교 대상입니다.

냉각 방법 6가지와 각 방법이 가장 먼저 도달하는 한계

현재 전기차 배터리 팩 설계에는 6가지 냉각 방식이 사용되고 있으며, 어떤 방식이 먼저 한계에 도달하는지는 표면 열유속, 패키징 부피, 냉각액과 배터리 셀의 호환성에 따라 달라집니다.

해당 목록에 있는 기술들의 성숙도는 다양합니다. 공랭식과 간접 액체 냉각식은 양산 단계에 있으며, 냉매 기반 방식은 양산 차량에 적용되고 있습니다. 침지 냉각 대규모 PCM 시스템은 시범 프로그램 및 고급 개발 단계에서 여전히 더 흔하게 사용되며, 간접 액체 냉각 방식은 현재 고에너지 승객용 팩에 가장 널리 사용되는 방식입니다. 같은 기사에서는 유전체 유체로 조사된 실리콘 오일이 펌프 동력을 상당히 증가시킬 만큼 점성이 높으며, 테스트된 유체 중 하나는 펌핑 부하에서 비뉴턴적 거동을 보였다고 언급합니다.

셀 크기는 접촉 면적, 내부 전도 경로, 냉각 효율이 가장 높은 방향을 변화시키기 때문에 이러한 한계점이 달라집니다. 따라서 정확한 비교를 위해서는 실제 셀 크기와 열 접촉에 사용 가능한 표면적을 알아야 합니다. 유동 배치 또한 같은 이유로 중요합니다. 단일 통로의 구불구불한 채널에서는 냉각수가 이미 상류에서 열을 흡수했기 때문에 출구 근처의 셀이 더 뜨거워질 수 있지만, 병렬 또는 다중 입구 배치에서는 이러한 온도 구배를 줄이거나 재분배할 수 있습니다.

어떤 팩 변수가 방법을 결정하는가, 그리고 어떤 변수를 먼저 설정해야 하는가

전기차 배터리 냉각 방식에 대한 결정은 7가지 변수에 의해 좌우되며, 각 변수는 셀 데이터시트, 검증 요구 사항 또는 배터리 팩의 실제 작동 주기와 같은 타당한 근거를 가지고 있습니다.

일곱 가지 요소는 서로 수렴하지만, 그중 두 가지는 초기에 명확히 정의하는 것이 중요합니다. 첫 번째는 셀 발열량입니다. 플레이트 면적, 채널 개수, 유량, 펌프 선택 모두 셀 발열량을 입력값으로 고려하므로, 셀 발열량의 변화는 이후의 모든 결정에 영향을 미칩니다. 두 번째는 확산 한계인데, 이는 두 요소 중 더 중요한 고려 사항입니다. 확산 한계는 셀 자체에서 비롯되므로 설계자가 제어하기 어렵습니다. 반면, 인클로저 유형과 작동 유체는 일반적으로 설계 후반부에 크기 조정을 다시 하지 않고도 재검토할 수 있습니다.

우리에게 불리하게 작용하는 점을 말씀드리자면, 팩의 측정된 열 방출량이 적고 포장이 조절된 공기를 허용하는 경우, 액체 순환 시스템은 펌프, 연결 부품, 냉각수 공급 및 누출 감지 기능을 추가하여 실제 작동 주기에서 필요하지 않을 수도 있는 여유 마진을 확보하게 됩니다. 서류상으로 예산을 분석해 보면 공급업체 비교보다 훨씬 빨리 이러한 사실을 알 수 있습니다.

2025년에 변경된 냉각수 전도율 제한

두 개의 문서가 이동되었습니다. 냉각수 선택 최근의 사양과 달리, 구형 냉각수 사양은 이러한 점을 반영하지 않을 수 있습니다.

• GB 29743.2-2025, 자동차 냉각수, 제2부: 전기 자동차 냉각수. 2025년 10월 1일부터 중국에서 시행되는 이 규정은 공급되는 냉각수의 전기 전도도를 100µS/cm로 제한하며, 사용 중 허용 상승폭을 두고 있습니다. 행동: 해당 시장에 판매되는 모든 플랫폼에 사용할 냉각수를 지정하기 전에 냉각수 공급업체에 규정 준수 상태를 확인하십시오.
• ASTM D8566-24, 글리콜계 저전도성 전기 자동차 냉각제에 대한 표준 규격. ASTM D15.26 소위원회의 승인을 받은 이 규격은 2024년 5월 15일에 신규 냉각수의 최대 전기 전도도를 100 µS/cm로 보고하고 있습니다. 행동: 기존 엔진 냉각수는 온도가 훨씬 높으므로, 사용 중인 냉각 시스템이 이 문서에 명시된 사양을 따르는지 아니면 기존 엔진 냉각수 사양을 따르는지 확인하십시오.

두 문서 모두 최적 셀 온도, 균일성 목표 또는 냉각 유량을 설정하지 않습니다. 유체만 제한하며, 열 설계는 전적으로 사용자에게 달려 있습니다.

셀과 냉각판 사이의 계면 저항

전지와 그 구성 요소 사이의 계면 저항 콜드 플레이트 접합선은 두께가 증가함에 따라 저항이 증가하고 전도도와 면적이 감소함에 따라 저항이 감소하는 직렬 요소이기 때문에, 플레이트보다 달성 가능한 셀 온도에 더 큰 영향을 미치는 경우가 많습니다. 이러한 특성으로 인해 상충 관계가 명확해집니다. 10 W/m·K의 전도도를 가진 재료로 채워진 10mm 간격은 1 W/m·K의 전도도를 가진 재료로 채워진 1mm 간격과 거의 동일한 열 저항을 가집니다. 다른 모든 조건이 동일할 때 이러한 비교가 성립합니다.

두께와 전도율 사이의 관계는 조달에 있어 중요한 영향을 미치지만, 이에 대해 언급되는 경우는 드뭅니다. 접착선 두께를 절반으로 줄이면 필러 전도율을 두 배로 늘리는 것과 거의 같은 효과를 얻을 수 있습니다. 두께는 공차 및 평탄도와 관련된 요소인 반면, 전도율은 가격과 관련된 요소입니다. 두께를 줄이는 것이 종종 더 저렴한 방법입니다. 프리미엄을 명시하는 것은 가격 결정에 영향을 미칩니다. 열 인터페이스 재료 발열이 심한 배터리 팩을 살리기 위해 노력하는 것은 종종 더 촘촘하게 쌓아 올렸을 때 얻을 수 있는 온도 저하를 감수해야 하는 값비싼 방법입니다. 이 비교는 1차원 전도를 가정하고 두 표면의 접촉 저항을 무시하는데, 접촉 저항은 어느 한 표면이 평평하지 않을 때 증가합니다.

냉각수 유량은 열 부하와 허용 온도 상승에 따라 결정됩니다. q = ṁ × Cp × ΔT 공식에 따르면, 5kW의 부하를 3K의 냉각수 온도 상승에 맞춰 유지하려면 약 5,000 ÷ (3,300 × 3) ≈ 0.5kg/s의 냉각수가 필요합니다. 3.3kJ/kg·K 값은 이상적인 혼합을 가정한 50/50 물-글리콜 혼합물의 순수 성분 값을 기준으로 합니다. 실제 측정된 부하와 사용 중인 유체의 데이터시트 값을 대입하여 계산하십시오. 이 계산에서 산출되는 값은 셀 간 열 확산 예산의 한 요소인 냉각수 온도 상승입니다. 나머지 요소는 매니폴드 유동 분포, 플레이트를 가로지르는 평면 내 전도, 계면 저항, 셀별 발열량 차이, 모듈 경계면에서의 에지 효과, 센서 배치 및 허용 오차 등에서 비롯됩니다. 플레이트 옵션을 비교하기 전에, 정해진 열 확산 예산 내에서 감당할 수 있는 냉각수 온도 상승량을 확인합니다.

플레이트 크기를 총 열 부하만으로 결정하고 온도 편차 예산을 기록하지 않으면, 팩은 평균 온도 목표에는 도달하지만 출구 부근의 균일성 검사에서 불합격하는 경우가 종종 발생합니다. 이 경우, 매니폴드 레이아웃을 변경하는 대신 유량을 늘리는 방식으로 문제를 해결하는 경향이 있습니다. 높은 주변 온도에서 매일 사이클링하는 팩의 경우, 측정된 온도 편차가 넓어지기 시작하면 냉각수 출구와 플레이트-셀 접합선에 가장 가까운 셀들을 먼저 재점검해야 합니다.

열 발생 데이터에서 냉각 방식 결정까지

전기차 배터리 냉각 방식 결정은 무엇보다 두 가지 중요한 요소에 달려 있습니다. 하나는 측정 또는 모델링된 발열 프로파일이고, 다른 하나는 측정 조건에 명시된 셀 간 열 편차 한계입니다. 이 두 가지 요소가 확보되면 냉각 방식, 플레이트 크기, 유량 등을 훨씬 수월하게 결정할 수 있습니다. 공랭식과 수랭식 냉각 방식에 대한 논쟁은 대부분 이 두 가지 수치에 대한 의견 차이에서 비롯됩니다. 이 두 가지 수치는 프로젝트 수준에서 결정되며, 사용자의 작동 주기에 따라 달라지므로 하드웨어를 선택하기 전에 지속적인 부하 테스트를 통해 확립하는 것이 중요합니다.

이미 발열 프로파일과 명시된 균일도 목표가 있다면, 다음 단계는 채널 레이아웃과 인터페이스 스택을 이 두 가지 기준에 맞춰 검토하는 것입니다. 바로 이 부분에서 저희의 역할이 중요합니다. 배터리 팩 열 관리 작업이 시작됩니다. 만약 둘 다 없다면, 열량계 또는 공급업체의 열 발생량 지도를 활용하십시오. 그 이후의 모든 크기 결정은 해당 자료의 정확도에 따라 좌우됩니다.

자주 묻는 질문