전기차 배터리 및 에너지 저장 시스템(ESS) 열 관리를 위한 액체 냉각 시스템 설계

전기차 배터리 및 에너지 저장 시스템(ESS)용 액체 냉각 시스템 설계는 셀 화학 성분, 모듈 전압 구조, 최대 열 방출률 및 온도 균일성 요구 사항에 따라 달라집니다. 배터리 냉각판 넓고 평평한 표면에 적당한 열유속을 분산시켜야 합니다. 동시에 엄격한 허용 오차 내에서 셀 간 온도 균일성을 유지해야 합니다. 이 두 가지 요구 사항은 냉각판 채널 형상부터 냉각제 선택에 이르기까지 모든 상류 결정에 영향을 미칩니다.

Trumonytechs의 엔지니어링 팀은 상하이 자오퉁 대학교와의 연구 개발 협력을 바탕으로, 전기차, 에너지 저장 시스템(ESS), 가전제품, 5G 기지국 열 관리 프로그램 등 다양한 분야에서 축적된 생산 경험을 활용합니다. 본 가이드에 제시된 설계 매개변수 및 검증 방법은 다중 모듈 생산 과정에서 얻은 패턴을 반영합니다.

이 문서에서는 48V~1000V 범위의 전기차 배터리 팩 및 고정형 에너지 저장 시스템(ESS)용 간접 액체 냉각 시스템 설계에 대해 다룹니다. 전기차와 ESS는 냉각판 설계의 기본 원리를 공유하지만, 적용 표준, 설치 환경 및 안전 검증 요구 사항에서 차이가 있습니다. 이 문서에서는 수소 연료 전지 열 회로, 흐름 전지 냉각 또는 산업용 고진동 피로 하중을 받는 시스템에 대해서는 다루지 않습니다.

배터리 팩에서 액체 냉각 루프는 어떻게 작동할까요?

핵심 구성 요소 및 그 역할

기능적인 액체 냉각 루프는 크게 네 부분으로 구성됩니다. 첫째, 냉각판이 셀 표면과 열적으로 접촉합니다. 둘째, 펌프가 유체 압력을 제공합니다. 셋째, 열교환기가 열을 방출합니다. 넷째, 공급 및 회수 매니폴드가 평행판 회로 전체에 유체를 분배합니다. 각 구성 요소는 압력 강하를 발생시킵니다. 승용 전기차의 경우, 엔지니어들은 일반적으로 냉각판 네트워크 전체의 압력 강하를 50kPa 미만으로 유지하는 것을 목표로 합니다. 적정 압력 한계는 펌프 선택, 시스템 구조 및 전력 소모량에 따라 달라집니다.

BMS는 셀 온도 센서 판독값을 기반으로 펌프 작동을 제어합니다. 제어 임계값은 셀 화학, C-rate, 팩 열용량 및 주변 환경 조건에 따라 달라지며, 보편적인 설계 상수가 아닙니다. 모듈 내부의 서미스터 배치(팩 입구 및 출구뿐만 아니라)는 핫스팟을 조기에 감지하는 데 필요한 공간 해상도를 제공합니다. 배선 경로를 최종 확정하기 전에 CFD로 예측한 핫스팟 위치와 센서 배치 맵을 비교하여 검증합니다. 타사 설계에서는 이 단계를 생략하는 경우가 흔하며, 그 결과 모듈 행 전체에 걸쳐 비대칭적인 온도 분포가 발생합니다.

단일 루프 아키텍처와 이중 루프 아키텍처 비교

단일 루프 시스템은 배터리 냉각수를 차량의 다른 열 부하와 공유하는 열 교환기를 통해 순환시킵니다.これにより 부품 수와 비용이 절감되지만, 열 독립성이 사라집니다. 이중 루프 시스템은 전용 냉각기와 팽창 밸브를 사용하여 배터리 회로를 격리합니다. 이를 통해 주변 환경 조건이나 실내 온도 요구량에 관계없이 배터리 온도를 정밀하게 제어할 수 있습니다.

고속 충전 시 충전 시작 전 배터리 입구 예열이 필요한 경우 이중 루프 방식이 종종 요구됩니다. 일반적으로 엔지니어들은 최대 충전 속도가 약 100kW를 초과할 때 이중 루프 방식을 검토합니다. 실제 임계값은 배터리 열 시간 상수, 예열 요구 사항 및 셀 수용 기준에 따라 달라집니다.

배터리 냉각판이 인버터 냉각판과 다른 논리를 요구하는 이유는 무엇일까요?

배터리 냉각판 표면적 요구 사항은 셀 개수, 열유속 밀도 및 온도 균일성 목표에 따라 달라집니다. 이러한 차이로 인해 재료 선택, 채널 밀도 및 매니폴드 설계가 달라지며, 이 모든 것은 기존 방식과는 다른 논리를 따릅니다. 전력 전자 장치 열 관리를 위한 콜드 플레이트 설계.

열유속 차이

5kW의 전력을 소모하는 인버터 모듈은 약 100~200cm² 면적에 부하를 집중시킵니다. 따라서 열유속은 일반적으로 25W/cm²를 초과합니다. 동일한 5kW의 전력을 소모하는 배터리 팩은 2,000~10,000cm²의 셀 표면에 부하를 분산시킵니다. 결과적으로 열유속은 1W/cm² 미만으로 유지됩니다. 이러한 조건에서는 알루미늄 합금 3003 또는 6063이 충분한 열전도율을 제공하므로 구리는 필요하지 않습니다. 당사는 판재를 선정하기 전에 모듈 영역별 열유속 분포도를 계산합니다. 이는 실제 제약 조건이 유동 분포인 영역에서 판재의 열전도율을 과도하게 높이는 것을 방지하기 위함입니다.

ΔT 목표가 기하학적 구조를 결정하는 방식

배터리 팩 전체에 걸쳐 ΔT가 5°C 미만인 것은 전기차 및 에너지 저장 시스템(ESS) 냉각판 프로그램에서 널리 사용되는 목표입니다. 이 수준에서는 대부분의 리튬 이온 배터리 화학에서 셀 간 노화 속도 차이가 허용 가능한 범위 내에 유지됩니다. 이를 달성하려면 채널 간 온도 피크를 방지하기 위해 채널 간격이 충분히 좁아야 합니다. 일반적인 각형 셀의 초기 매개변수는 평행 채널 간 거리가 8~15mm입니다. 적절한 피치는 열유속, 유량 및 채널 형상에 따라 달라집니다. 우리는 금형 제작에 형상을 적용하기 전에 채널 피치에 대한 ΔT 민감도를 모델링합니다.

냉각 방식 선택: 액체 냉각 vs. 공기 냉각 vs. 침지 냉각

공랭식 냉각 방식은 저전력 고정형 에너지 저장 시스템(ESS) 설계에 적합합니다. 방전율은 1C 미만, 셀 온도는 40°C 미만으로 유지되어야 합니다. 하지만 고속 충전이나 엄격한 온도차 균일성이 요구되는 사양에서는 공랭식 냉각 방식이 적합하지 않습니다. DC 고속 충전 기능을 갖춘 전기차(EV) 애플리케이션에는 공랭식 냉각 방식을 권장하지 않습니다.

직접 침지 방식은 냉각판과 셀 사이의 계면에서 발생하는 열 저항을 제거합니다. 그러나 절연 유체가 필요하고 시스템 무게가 증가하며 셀 코팅에 대한 위험이 발생합니다. 400V 이상의 설계에서는 간접 냉각 방식을 기본으로 사용합니다. 우리는 오직 다음과 같은 경우에만 평가를 진행합니다. 침수 액체 냉각 최적화된 TIM 선택으로 접합 저항 목표를 달성할 수 없는 경우, 해당 아키텍처를 적용하기 전에 유전체 유체의 열 성능 저하가 접합 저항 감소에 비해 얼마나 효과적인지 검증해야 합니다.

콜드 플레이트 설계 기본 사항

흐름 경로 아키텍처

뱀 모양의 유로 경로는 모든 냉각수를 하나의 연속적인 채널을 통해 흐르게 합니다. 이는 단위 유량당 열 추출량을 극대화합니다. 그러나 입구에서 출구까지 온도 구배를 발생시킵니다. 길이가 긴 팩의 경우, 이 온도 구배는 ΔT 목표를 위반하게 됩니다.

병렬 흐름 구조는 여러 채널에 걸쳐 흐름을 분산시킵니다.これにより 압력 강하와 열 구배가 감소합니다. 그러나 채널 저항이 불균등하면 저항이 낮은 분기에서 흐름이 우회되는 현상이 발생합니다. 우리는 긴 패킹 레이아웃에서 입구/출구 위치를 반대로 하는 분할 흐름 구성을 사용합니다. 이는 병렬 분기 전체에 걸쳐 상호 보완적인 온도 분포를 생성하고 열 성층화를 방지합니다. 채널 방향은 이와 관련된 변수입니다. 직선 수로와 경사 수로의 기하학적 구조 이는 전기차 전용 레이아웃에서 압력 강하와 균일성 모두에 영향을 미칩니다.

 

매니폴드 크기 및 유량 분포

실제 콜드 플레이트 프로그램에서 재료 및 인터페이스 선택이 완료되면 유량 분배가 주요 병목 현상이 됩니다. 특히 병렬 분기가 많은 긴 팩에서 이러한 현상이 두드러집니다. 매니폴드의 단면적은 입구 근처의 분기에 과부하가 걸리지 않도록 각 분기에 적절한 유량을 공급해야 합니다.

설계 과정은 병렬 분기 개수, 목표 분기 유량 분산, 허용 가능한 총 압력 강하를 설정하는 것에서 시작됩니다. 매니폴드 형상을 툴링에 전달하기 전에 CFD 유동 네트워크 분석을 수행합니다. 초기 CFD 분석에서 허용 오차 범위를 벗어난 분포는 채널 형상 오류가 아니라 매니폴드 단면적이 부족함을 나타냅니다.

채널 기하학적 매개변수

일반적인 프리즘형 셀 냉각판의 초기 매개변수는 채널 폭 3~6mm, 높이 4~8mm입니다. 레이놀즈 수 목표치는 압력 강하 예산, 채널 수력 직경, 열유속 및 펌프 동력 제약 조건에 따라 달라집니다. 난류는 대류 열전달을 향상시키지만, 일부 프로그램에서는 압력 강하가 주요 제약 조건인 대형 채널 설계에서 층류를 허용하기도 합니다. 최종 툴링 형상을 결정하기 전에 채널 수력 직경과 벽 두께에 대한 민감도 분석을 수행합니다.

TIM 접촉 압력 - 가장 과소평가되는 변수

양산 과정에서 콜드 플레이트와 셀 케이스 사이의 접촉 압력은 배치별로 다릅니다. 이러한 변동은 플레이트 평탄도 누적과 열전도성 물질(TIM) 두께 허용 오차에 의해 발생합니다. 결과적으로 접촉이 밀착된 셀과 느슨하게 접촉된 셀 사이에 국부적인 온도 차이가 생깁니다. 따라서 TIM 전도도 선택과 접촉 압력 관리는 조립 설계 단계에서 반드시 포함되어야 합니다.

평탄도 허용 오차 및 TIM 전도도 최소값은 특정 셀 인터페이스에 대한 열 스택 분석을 통해 도출해야 합니다. 접합부-냉각수 저항을 낮추는 것을 목표로 하는 프리즘형 셀 설계에서는 TIM 열전도도가 3.0 W/m·K 이상인 것이 일반적인 최소값입니다. 이 임계값은 형상 및 설계에 따라 달라집니다. 당사는 표준 품질 검사 절차로 생산 배치 전반에 걸쳐 TIM 접촉 압력 균일성을 검증합니다.

재료 선택

알루미늄 합금 3003은 브레이징에 탁월한 내식성과 성형성을 제공합니다. 이는 승용 전기차에 사용되는 스탬핑 및 진공 브레이징 방식의 콜드 플레이트에 일반적으로 사용되는 소재입니다. 합금 6063은 3003의 155~175W/m·K에 비해 200~210W/m·K의 높은 열전도율을 제공합니다. 플레이트 내 전도 경로 길이가 성능을 제한하는 요인일 경우 6063이 선호됩니다. 다만, 내식성이 떨어지므로 냉각수 화학 성분 관리에 더욱 엄격한 기준이 필요합니다. 열유속 밀도 및 전도 저항 분석 결과 알루미늄이 목표 열 성능을 충족할 수 없는 경우에만 구리 사용을 권장합니다.

전기차 및 에너지 저장 시스템(ESS)용 냉각수 선택

물-글리콜 혼합물

대부분의 전기차 및 에너지 저장 시스템(ESS) 간접 냉각 시스템에는 40~60% 농도의 에틸렌 글리콜-물 혼합액이 표준으로 사용됩니다. 이 농도 범위는 농도에 따라 약 -25°C에서 -45°C까지 동결 방지 기능을 제공합니다. 부식 방지제 패키지 선택은 알루미늄 부식 방지 지속 시간과 서비스 간격을 결정합니다. OAT 및 HOAT 패키지는 기존 규산염 제제보다 더 긴 서비스 간격을 제공합니다. 구체적인 목표치는 부식 방지제의 화학적 특성, 작동 온도 및 OEM 요구 사항에 따라 달라집니다.

당사는 알루미늄 냉각판 시스템의 일반적인 시작점으로 HOAT 억제제 패키지가 포함된 에틸렌 글리콜 억제제를 권장합니다. 냉각수 전도도는 초기 주입 시와 정기 점검 시 확인합니다. 액체 냉각 시스템의 부식 일반적으로 부식 억제제 고갈로 인해 발생하며, 전도도 모니터링을 통해 육안으로 확인 가능한 손상이 나타나기 전에 감지할 수 있습니다. 허용 한계는 부식 억제제의 화학적 특성과 유체 공급업체의 사양에 따라 다릅니다.

펌프 크기 선정 및 저온 시동 위험

펌프 선정 시에는 전체 작동 범위에 걸쳐 시스템 저항에 맞는 양정-유량 곡선을 선택해야 합니다. 주변 온도가 낮을 경우 냉각수 점도가 높아져 시스템 저항이 크게 증가할 수 있습니다. 생산 검증 프로그램에서, 펌프 크기를 따뜻한 조건에서의 유량 목표치만을 기준으로 산정했을 때 낮은 주변 온도에서 원심 펌프가 스톨 현상을 보이는 것을 확인했습니다. 그 결과, 초기 활성화 과정에서 하나 이상의 콜드 플레이트 분기부를 통한 유량이 전혀 없거나 심각하게 감소합니다. 이로 인해 셀 온도 비대칭 현상이 첫 번째 충전 주기까지 지속됩니다.

이를 방지하려면 펌프 크기를 정상 작동 상태의 따뜻한 유체 점도와 저온 시동 점도 모두에서 확인해야 합니다. 또한 예열 바이패스, 단계적 펌프 작동 또는 온도 조절식 바이패스 경로 설정과 같은 사전 조건화 전략을 평가하십시오. 기어 펌프는 고점도 조건에서 스톨 현상에 대한 저항성이 더 뛰어납니다. 회로 저항이 동적으로 변하는 온도 조절식 바이패스 밸브가 있는 루프에 기어 펌프가 더 적합합니다.

적용 가능한 표준 및 검증 체계

전기차 배터리 팩 표준

• ISO 6469-1차량 탑재형 REESS에 대한 안전 요구사항(전기 안전 및 열 시스템 상호 작용 포함)
• ISO 12405-4배터리 팩 및 시스템의 성능 테스트 절차, 열 성능 및 내구성 검증을 위한 테스트 프로그램 구조 제공
• UNECE 규정 제100호배터리 전기 자동차의 안전 요구 사항, 특히 열 관리 상호 작용을 포함한 REESS 안전 관련 요구 사항
• UL 2580전기차 배터리 시스템의 안전성 평가 프레임워크로, 열 시스템 설계와 상호 작용하는 오용 시험 조건을 다룹니다.

ESS 표준

• IEC 62619산업용 및 고정형 리튬 이온 배터리 애플리케이션에 대한 안전 요구 사항; 전기차 프로그램에서는 도로 차량별 표준이 우선 적용됩니다.
• UL 9540A열폭주 화재 확산 평가 시험 방법; 결과는 콜드 플레이트의 열용량 및 바이패스 유량 규정에 직접적인 영향을 미칩니다.
• NFPA 855고정형 에너지 저장 시스템 설치 표준 (부지 선정, 이격 거리 및 화재 진압 요건 포함)

유효성 검사 유형 프레임워크

검증은 크게 네 가지 유형으로 나뉩니다. 설계 검증(DV)은 정의된 조건에서 설계가 요구 사항을 충족하는지 확인하는 것입니다. 여기에는 CFD 유동 분포, 열 성능 시뮬레이션 및 프로토타입 열화상 촬영이 포함됩니다. 성능 검증(PV)은 생산을 대표하는 시제품이 전체 작동 범위에서 성능 목표를 충족하는지 확인합니다. 안전 검증은 열 폭주 방지 시험 및 적용 가능한 오용 시험 기준을 포함합니다. 설치 및 시운전 검증은 배출 프로토콜 실행, 충전 후 열화상 촬영 및 센서 교정을 포함합니다.

CFD 시뮬레이션 결과만으로는 최종 승인 근거로 충분하지 않습니다. 형상을 툴링에 적용하기 전에 물리적 테스트를 통해 상관관계를 확인해야 합니다.

콜드 플레이트 설계 수명주기 전반에 걸친 검증

CFD 시뮬레이션 수용 기준

CFD 검증은 세 가지 기준을 충족해야 합니다. 모든 병렬 채널에서 분기 유량 변동이 허용 가능한 범위 내에 있어야 합니다. 최대 열 부하 조건에서 팩 전체의 온도 분포가 ΔT 균일성 목표를 충족해야 합니다. 전체 시스템 압력 강하는 시스템 압력 예산 범위 내에 유지되어야 합니다. CFD 결과가 설계 승인을 뒷받침하기 전에 메시 독립성 연구와 물리적 테스트 데이터에 대한 난류 모델 검증이 필요합니다.

열화상 촬영 프로토콜

콜드 스타트 과도 현상 이후에도 열화상 촬영이 필요하며, 정상 상태뿐만 아니라 이후에도 촬영해야 합니다. 장시간 작동 후에만 열화상을 촬영하면 베이퍼록으로 인한 고온 지점을 놓칠 수 있습니다. 장시간 작동 중에는 기포가 배출되지만, 초기 몇 번의 열 사이클 동안 국부적인 온도 급상승을 유발합니다. 이러한 온도 급상승은 이후 용량 유지 테스트에서 셀의 초기 열화와 관련이 있습니다. 합격 기준은 세 번째 열 사이클 이내에 모든 셀 표면 온도가 ΔT 균일성 범위 내에 있어야 한다는 것입니다.

출혈 프로토콜 및 경계 조건

저희가 조사한 초기 열화상 시스템 고장의 대부분은 부적절한 공기 빼기 작업으로 인해 발생합니다. 공장 초기 충전에는 진공 보조 충전, 시스템 압력에서의 정적 유지, 그리고 최소 한 번의 완전한 열 사이클 동안의 능동적인 펌프 순환이라는 세 단계가 필요합니다. 공기 빼기 후 열화상 촬영을 통해 공기가 완전히 제거되었는지 확인해야 합니다.

현장 서비스 시나리오에는 조정된 승인 기준을 포함하는 명확하게 정의된 대체 절차가 필요합니다. 다중 분기 병렬 시스템에서는 각 분기를 독립적으로 배출해야 합니다. 단일 지점 배출로는 모든 병렬 경로를 완전히 제거할 수 없습니다. 따라서 배출 규정 준수 여부를 문서화하여 설치 품질 검증의 필수 요소로 요구합니다.

결론

대부분의 전기차 배터리 냉각판 프로그램에서 재료 및 인터페이스 선택이 완료된 후에는 유동 분포 균일성이 주요 병목 현상이 됩니다. 성공적인 현장 성능과 조기 실패를 가르는 가장 일반적인 세 가지 변수는 병렬 분기 전체의 유동 분포 균일성, 생산 배치 전체의 열전도성 물질(TIM) 접촉 압력 일관성, 그리고 설치 중 블리드 프로토콜 실행 품질입니다.

Trumonytechs에서는 채널 형상이나 재료를 최적화하기 전에 유량 분포를 주요 검토 기준으로 삼습니다. 설계, 성능, 안전 및 시운전을 아우르는 전체 검증 체계를 적용한 후에야 제품을 출시합니다. 수냉식 냉각판 양산 툴링에 필요한 정보를 제공해 주십시오. 배터리 팩 구성, 셀 규격, 전압 구조 및 듀티 사이클을 저희 팀과 공유해 주시면 열 경계 조건을 검토하여 예비 설계 방향을 제시해 드리겠습니다.

자주 묻는 질문