1. 배터리 열관리
배터리는 모든 전자기기의 심장이라고 볼 수 있다.
우리 주변에서 스마트폰부터 노트북과 같이 현대 사회에서 배터리가 사용되지 않는 제품을 찾기가 힘들 정도다. 또한 최근 환경오염 규제로 전기자동차가 주목 받으며 배터리의 사양 역시 급속도로 커지고 있다.
전기자동차의 경우 차량의 주행거리는 내부에 탑재되는 배터리 용량(Battery Capacity)이 결정짓기 때문에, 주요 완성차 업체들이 한정된 공간 내 고용량의 배터리를 넣기 위하여 고군분투하고 있다.
이러한 배터리의 에너지 밀도(Energy Density) 증가는 전기자동차의 주행거리 향상에 이바지하나, 동시에배터리의 유지보수 측면에서 우리에게 새로운 과제를 제기하기도 한다.
배터리는 성능은 온도에 매우 민감하다. 이는 마치 사람의 체온과도 유사한데, 배터리의 적정 작동온도는 대략 15℃에서 40℃ 사이로 이를 벗어나면 신뢰성에 문제가 생기게 된다.
그림 1 배터리 적정 작동온도 범위
배터리 사용온도가 최적 작동온도보다 낮은 경우 출력이 저하되고 용량이 감소하는데, 이것은 겨울철 전기자동차의 주행거리 감소에 결정적인 요인이다. 추운 날씨 스마트폰의 배터리 용량이 빠르게 줄어드는 것도 이 때문이다. 반대로 최적 작동온도보다 높을 시에도 배터리의 성능과 수명에 악영향을 미치게 된다.
특히 리튬이온 배터리(Lithium-ion Battery)는 이차전지 중에서도 에너지 밀도가 높아 전기자동차나 ESS(Energy Storage System) 등 여러 산업에 전반적으로 사용되는데, 전기적 및 열적 남용(Thermal Abuse)으로 배터리의 고온 환경에 지속 노출되면 내부 단락(Short Circuit)에 의한 열폭주(Thermal Runaway)가 발생할 수 있다.
배터리 열폭주는 배터리 온도가 급상승하여 내부 화학반응을 통제할 수 없는 상태로, 단일 셀에만 열폭주가 발생하더라도 배터리 팩 전체에 전파되어 폭발 및 화재를 일으킨다. 이 경우 치명적인 재산적 손실은 물론 인명피해까지 초래할 수 있으므로, 리튬이온 배터리를 고온의 환경에 장시간 방치하는 것은 반드시 피해야 한다.
그림 2 배터리 열폭주 메커니즘
따라서 전기자동차나 ESS와 같이 랙(Rack) 단위의 대용량 배터리를 구축하여 배터리의 발열량이 많은 경우 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)과 더불어 배터리 열관리 시스템(Battery Thermal Management System, BTMS)이 필수로 포함된다.
결과적으로, 배터리의 비중이 커짐에 따라 올바른 배터리 열해석과 BTMS 설계는 배터리의 성능과 안정성 확보의 핵심 요소가 되었다.
본 칼럼에서는 이차전지 중에서도 보편적으로 상용화된 리튬이온 배터리를 기준으로 배터리의 발열 메커니즘과 열관리 방법 및 열해석에 대하여 소개한다.
2. 배터리 발열 매커니즘
리튬이온 배터리는 기본적으로 충전과 방전 과정에서 전기화학 반응을 통해 열이 발생하므로 배터리의 발열량을 정확히 확인하기 위해서는 배터리의 전기화학반응에 대한 이해가 요구된다. 이때 전기 화학적인 변수를 과도하게 고려하면 정확한 계산이 가능하나 계산 비용이 많이 든다.
따라서 배터리 발열 방정식 중 Bernardi 등이 제안한 단순화된 배터리 발열 방정식이 범용적으로 사용된다. 이 경우 배터리 발열은 가역 발열(Reversible Heat)과 비가역 발열(Irreversible Heat)의 합으로 나타낼 수 있다.
가열 발열은 전기화학 반응에 따른 엔트로피 변화에 비롯되며, 비가역 발열은 과전압에 따른 옴 및 분극 저항 열에 의한 것이다.
여기서 가역 발열과 비가역 발열은 다음과 같다.
여기서 I 는 충·방전 시 전류량, V 는 배터리 셀 작동 전압, Voc 는 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage), T 는 온도, dVoc / dT 는 엔트로피 계수를 나타낸다.
따라서 위 식을 대입하면 배터리 발열량은 다음과 같이 정리할 수 있다.
3. 배터리 열관리 해석 및 설계
배터리의 효율적인 열관리를 위해서는 배터리 모듈의 냉각 및 난방에 필요한 만큼의 열전달이 일어나야 하며, 이를 위해서는 배터리를 운용할 시 발생하는 발열량을 산출해야 한다.
냉각 모드인 경우 배터리가 작동 유체에 전달하는 열량이 적절하게 필요 이상의 냉각이 되지 않도록 해야 하며, 난방 모드인 경우 반대로 작동 유체가 배터리에 전달하는 열량을 적절히 선정해야 한다.
현재 대표적인 배터리 열관리 기술로는 공냉식, 수냉식, 유냉식, 냉매식, 상변화물질(PCM)을 이용한 냉각 등이 있다. 고밀도 리튬이온 배터리의 경우 공랭식은 냉각 요구량을 충족시키지 못하므로 주로 수랭식이 사용되고 있으며, 증가하는 배터리 냉각 요구치를 만족시키기 위한 차세대 냉각기술로 PCM, 유랭식 등이 주목 받고 있다.
😥 미리 보기는 여기까지!
내용을 이어서 보고 싶다면,
아래 정보를 입력해 주세요.
