배터리 박스 냉각
배터리 박스 냉각 (쿨링) 에 관한 기초 스터디입니다.우선 배터리박스의 구성을 간단하게 알아봐야 할 필요가 있습니다.배터리 박스는 충분한 전압과 전력량, 그리고 규정을 충족시켜야 할 의무가 있습니다.배터리 박스에는 전압과 전류, 전력량을 책임지기 위해 배터리 셀, 버스바, 홀더,격벽, bms, 방진제, hvd, lvd , 릴레이 , 쿨링팬, 에너지미터 등이 탑재됩니다.배터리 박스에 대한 강성은 ksae 협회에서 제시하는 규준을 충족시키면 됩니다.각종 마운트들은 구조해석 데이터가 기반이 되어야 하긴 하지만 , ksae측의 가이드라인대로만 설계하면 실질적인 결함이 생길 확률은 매우 낮습니다.규정을 충족하더라도 실제 결함이 생길 수 있는 부분은 배터리 셀과 모든 전자 회로에 속한 소자들입니다.전위차를 활용하는 전력체계는 각 소자마다 높은 발열이 발생하기 때문에 이를 억제하지 않는다면 열변형이나 파손, 심한경우 폭발이 발생할 우려가 생깁니다.ksae측은 이런 사고를 예방하기 위해 배터리 셀에 온도센서를 부착하고 임계점에 도달하면 imd가 작동하도록 하는 규정을 등재했습니다.그리고, ksae측에서 제시하는 또 하나의 규정은 완전한 방수 대책이 있어야 한다는 겁니다. 방수처리에 대해서는 실제 차량에 물을 뿌리는 'rain test'로 검차를 진행합니다. rain test를 원만히 통과하기 위해서는 배터리 박스를 완전히 밀폐하면 됩니다. 하지만 배터리 박스를 밀폐하면 발열량이 배출되지 않으므로 배터리 온도가 상승하며 imd가 작동하거나 사고가 발생할 수 있다는 역설이 발생합니다.그래서 현재 배터리 박스 구조는 부분적인 개방형으로 '에어덕트'와 '쿨링팬' 을 적용해 레인테스트에 대한 대비책을 강구한 형태입니다. 또, 배터리 셀과 버스바 각 부품에서 발생하는 발열간에 열전달이 발생한다면 사고에 대한 위험성도 더욱 커지기 때문에, 각 부품간의 이격거리를 크게 둠으로써 발열에 대한 대책을 세웠습니다.
이전 배터리 쿨링 체계에 대해서는 여러 개선점이 있습니다.근본적인 문제는 해석에 기반한 설계가 아니라는 겁니다.위에서 말한 배터리와 버스바의 이격 거리는 배터리 냉각에 대한 확실한 근거가 없기 때문에 생겨난 겁니다. 이격 거리가 있다면 배터리의 부피가 커지고 그만큼 설비가 커지며 무게가 무거워진다는 단점이 생깁니다. 우리가 배터리 박스를 최적화하는 방향은 '소형화'와 '경량화' 그리고 차체 중량 배분입니다. 배터리 박스 강성및 프레임 형상 등 고려해야할 부분은 많지만, 배터리 박스 형상을 결정짓는 가장 근본적인 요소는 배터리 셀의 배치입니다. 실제 21700 배터리 셀을 쓰는 해외팀의 사례를 보면, 배터리 셀 간의 이격거리가 좁고 공간 자체도 밀착된 형상입니다. 때문에 전체적인 크기는 상당히 컴팩트한데, 사실 구조 자체는 현재 kust팀의 배터리 박스와 크게 다르지 않습니다. 위스콘신 대학교는 열 해석 데이터가 있었기 때문에 근거에 기반한 설계를 할 수 있었습니다.
열전달과 관련해서 배터리 셀의 배치가 중요하다는 내용을 알았습니다. 사실 배터치 셀과 다른 차원으로, 배터리 박스 내부에 어떻게 유동을 흘리는지가 더 중요할 수 있습니다. 위 위스콘신 대학교의 사례를 보면 각 세그먼트 별로 쿨링팬을 설치함으로써 냉각 대책을 세운듯 보입니다.저희 kust팀 배터리박스도 마찬가지로 쿨링팬을 활용하고, 열을 배출시기 위한 에어덕트를 달았습니다. 하지만 위에서 설명한 내용대로 방수 처리에 대한 설계도 병행되어야 합니다. 물과 공기는 동일한 유체이기 때문에 물은 통과하지 않지만 공기는 통과하게 박스를 설계한다는건, 단지 쿨링팬 설치라는 말처럼 쉬운일이 아닌 겁니다.
레인테스트는 차체 상단부에 물을 흘립니다. 결국 차체 상단부에는 유동 흐름을 위한 개구부가 존재할 수 없고, 측면이나 하단부에 설비를 마련해 냉각 대책을 세워야만 합니다. 오히려 배터리 셀의 배치보다도 더 많은 아이디어를 필요로 할 수 있습니다. 그리고 그 아이디어를 기반으로 냉각에 대한 근거 자료가 될 수 있는 해석 데이터를 마련해야 합니다.특히 현재 배터리 박스는 카울과 방화벽으로 인해 실질적인 공기유입량이 많지 않습니다. 이 부분에 대해서는 카울과 프레임과의 협력설계로 개선해 나가야할 필요성을 느꼈습니다. 결국 개선점은 분명하다는 겁니다.정리하자면 배터리 박스 냉각은 1.방수 대책2.열 전달3.유동 흐름4.경량화등의 요소들을 고려해야 하고, 여기서 2,3,4번 항목을 전부 해석 데이터에 기반한 설계를 진행해야 합니다.그에 앞서 배터리 냉각에 대한 기초 지식을 함양해야할 필요가 있습니다.
보통 sae 포뮬러 차량 설계에 앞서서는 실제 차량의 구조를 벤치 마킹 해오는 형식이 유리합니다. 하지만 실제 차량의 경우는 전부 워터펌프와 라디에이터를 활용하는 '수냉식' 구조를 택합니다. 우리차가 그렇듯 배터리는 열관리가 상당히 중요한데, 실제 양산차들은 안전과 직결되는 문제이기 때문에 '공냉식'으론 배터리 냉각 설비에 한계가 존재합니다.물론 sae 포뮬러도 수냉식을 택할 수 는 있습니다. 하지만 저희 차량 배터리는 1회성이라는 점도 그렇고, 장시간 주행이 아닌 약 2시간 가량의 레이스에 문제가 생기지 않으면 됩니다. 단지 안전 설계를 목적으로 수냉식을 택한다면, 기타 비용과 장비, 무게가 급수적으로 증가하여 자동차의 동적 성능으로는 악영향을 줄 수 밖에 없습니다. 차량 출력을 위해 전압을 높이는게 아니라면 공냉식을 택하는게 나을 겁니다.kust팀은 이미 앞선 대회들에서 공랭식을 활용하더라도 큰 문제가 발생하지 않았다는 걸 이해합니다. 이번 2022ksae 대회에서도 배터리 발열과 전력량에 대한 실제 주행 데이터를 쌓을 수 있을 겁니다. 사실 이번 대회에서 문제가 생기지 않는다면 생각보다 배터리 박스의 발열량은 크지 않은 겁니다. 그런 환경일 수록 배터리 박스 최적 설계의 필요성은 더욱 확실해 집니다.실제 차량의 배터리 박스도, 셀을 합친 모듈단위로 냉각을 하지 셀을 하나하나 직접 냉각하진 않습니다. 셀 배열 사이에 냉각수를 흘리는건 위 'amg 퍼포먼스 배터리'의 경우가 있는데, 양산 차량의 고부하 주행을 염두하고 출력을 유지하기 위한 과설계라고 합니다. 원통형 배터리르 사용하는 대표적인 브랜드에는 테슬라가 있는데, 아래처럼 셀간의 이격거리는 크지 않습니다.
만약 배터리는 섭씨 0도 미만의 온도로 떨어진다면 화학반응이 느려집니다. 배터리 성능의 극심한 저하를 초래하는데, 여름에 열리는 ksae 대회는 오히려 외부 기온이 40도까지 오를 수 있습니다. 즉, 저온은 고려 사항에서 아예 배제할 수 있습니다.배터리가 작용하는 가장 최적의 온도는 30도 내외라고 합니다. 그리고 40도를 넘어서는 순간부터 에너지 밀도는 약화되고, 배터리 자체 발열은 연쇄반응이 일어나 인접셀로 전파하며 팩 전체 수명이 악화됩니다. 실제 차량의 수냉식 쿨러는 배터리를 15에서 35도 사이로 유지시킵니다. 불균일한 온도분포도 줄여야합니다. 연쇄반응이기 때문에, 배터리 셀의 평균 온도가 아닌 최저온도를 대표값으로 사용해야 한다는 추론이 생깁니다.
공냉식 시스템은 팬과 송풍기를 사용하는 겁니다. 앞선 설명대로 수냉식은 냉각루프와 전자장치를 탑재해야 하고, 냉각수 누출로 인한 배터리 손상이 발생한다면 극심한 피해를 입을 겁니다. 그렇기 때문에 공냉식 솔루션도 양산차 산업에선 그만의 역할과 가치가 있을 수 있다고 합니다. 비슷한 이유로 폭스바겐 ev 경주용 자동차도 수냉식이 아닌 공냉식을 사용한다고 합니다. 공랭 시스템이 충분히 작동하는지 확인하기 위해 전체 레이스에 걸쳐 가상 주행 테스트에서 열 소프트웨어를 사용했습니다.
공랭이란? 쿨링팬으로 열을 낮추는 것쿨링팬은 주로 컴퓨터 장치 냉각에 활용 (전기적 발열 , 배터리 박스도 마찬가지)'큰 쿨링팬(쿨러)'은 낮은 회전 속도 회전하더라도, 빠른 속도의 작은 팬과 동일한 양의 공기 흐름을 만들 수 있습니다. 컴퓨터에서 케이스 쿨링팬은 일반적으로 본체의 전면, 후면, 상단, 하단에 위치합니다. 전면, 하단의 쿨러는 차가운 공기를 본체 내부로 흡입시키고, 후면, 상단의 쿨러는 따뜻해진 공기를 외부로 날려 보냅니다. 하단의 쿨러에서 공기를 흡입하고, 상단 쿨러로 뜨거운 공기를 날려보내는 이유는 뜨거운 공기는 위로 가기 때문입니다. 본체 내부의 뜨거워진 공기는 자연스럽게 상승합니다. 그래서 본체 상단에 쿨러가 있어야 뜨거운 공기를 효율적으로 내보낼 수 있습니다. 공기 흡입과 공기 배출을 비교하면, 쿨링 팬으로 공기가 배출이 많을때, 내부가 더 차가워진다고 합니다. 하지만 본체 내부의 열을 배출하는 쿨링팬(쿨러)가 많으면, 본체 내부에 먼지가 많이 쌓일 수 있다는 단점이 있습니다. 쿨링팬으로 흡입하는 공기량이 적고, 배출하는 쿨링팬이 많으면, 본체는 온갖 구멍을 통해 공기를 흡입합니다. 케이스 쿨링 효율을 올리기 위해, 본체의 공기의 흐름(기류)은 전면에서 후면으로, 아래에서 위로 흐르도록해야합니다. 공기 흐름에 방해가 되는 요소는 최대한 배제해야 합니다.
출처: https://itrum.tistory.com/154
공랭식 냉각효과를 극대화하기 위해서는 열교환이 이뤄지는 표면에 난류를 조성해야 합니다. 열전달에서 중요한 것은 부품에 흐르는 유체의 유속도 있습니다. 난류가 발생할 정도로 유속을 상승시키면 유리합니다. 낮은 유체의 흐름에는 층이 형성되는데, 이를 '층류'라고 칭합니다. 층류 아래에서 열전달율은 표면 면적에 온도 차이를 표면의 거리로 나눈 값을 곱한 것과 같습니다.https://blog.naver.com/kajoklove/221228260174
튬 이온 배터리는 충전 및 방전 작업 중에 열을 생성하고 고온으로 인해 성능이 저하됩니다. 셀의 온도는 전체 배터리 팩에서 최적 작동 온도 범위인 15˚C - 45˚C 내에서 엄격하게 유지되어야 합니다. 과열 및 불균일한 온도 분포와 같은 열 문제는 급속한 전지 성능 저하로 이어지고 배터리 수명을 단축시킬 수 있습니다. 극단적인 경우 셀 온도가 한계 이상으로 상승할 때 열 폭주가 발생할 수 있으며, 이 높은 온도에서 작동 중인 셀에서 발열 반응이 촉발됩니다. 이러한 반응은 더 많은 열을 방출하여 제어되지 않은 열 발생으로 인해 화재 또는 폭발을 일으킵니다. 이 사건은 SEI가 분해될 때 약 90˚C에서 시작됩니다.따라서 리튬 이온 배터리 팩 개발의 주요 관심사 중 하나는 열 관리입니다. 위에서 논의한 바와 같이 배터리의 열 문제는 배터리 성능, 수명 및 배터리 안전에 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 문제를 해결하려면 열 관리가 필요하며 이 시스템은 최적의 성능/수명을 위해 원하는 온도 범위인 15˚C - 35˚C에서 작동하도록 배터리 팩을 조절하고, 균일한 온도 분포를 유지하며, 제어되지 않는 온도(열 폭주)를 방지합니다. 배터리 팩에서. 전압 보호는 배터리 관리 시스템의 또 다른 중요한 작업입니다.
기존 ICE 차량과 마찬가지로 EV 및 HEV의 배터리 팩에는 냉각 시스템이 필요합니다. 다양한 유형의 냉각 시스템 기술이 배터리 팩 열 관리 시스템의 성능과 비용에 영향을 미칩니다.https://www.scirp.org/journal/paperinformation.aspx?paperid=110905
