순수 전기 자동차의 열 관리 모드: 배터리 침수 냉각

자동차 전기화의 새로운 적용에서 전기 부품을 최적의 작동 온도로 유지하기 위해 전기 부품을 냉각 및 가열하는 것이 매우 중요합니다. 이는 전기 부품의 수명과 효율성을 보장할 수 있기 때문입니다. 따라서 적절한 열 관리 시스템이 필수적입니다. 즉, 사용되는 전기 부품에 적합한 열 관리 시스템을 설계해야 합니다.
배터리의 작동 온도가 너무 높으면 배터리 용량의 손실이 발생할 수 있으며, 극단적인 경우 열 폭주로 이어질 수 있습니다. 배터리의 작동 온도가 너무 낮으면 배터리 효율 저하, 저항 증가, 배터리 용량 감소 및 리튬 덴드라이트(리튬 도금층) 형성으로 이어질 수 있습니다. 리튬 도금은 배터리 코어의 노후화 및 고장을 가속화합니다.
열 관리의 목표는 시스템이 최적의 작동 및 안전한 온도에 있도록 하는 것입니다. 더 복잡한 것은 작동 모드의 변경에 따라 배터리 시스템의 최적 온도가 변경될 수 있다는 것입니다. 급속 충전을 위한 최적 온도는 주행 중이나 주차(주차) 시와 다를 수 있습니다.
현재 주로 사용되는 배터리 열 관리 시스템에는 가스 냉각, 간접 액체 냉각, 직접 액체 냉각(침수 냉각이라고도 함) 및 상 변화 재료가 포함됩니다. [1]

다양한 냉각 시스템 설명
공기 냉각 시스템은 디자인이 단순하고 비용이 저렴하며 누출이 없기 때문에 가장 널리 사용됩니다. 공기 냉각은 강제 대류가 있는 능동형과 자연 대류가 있는 수동형으로 구분됩니다. 액체 및 기타 매체에 비해 공기는 열용량이 작고(표준 온도에서 Cp=1.006 kJ/kgK) 열전도율이 낮기 때문에 공냉식은 차세대 전기 자동차에 선호되는 기술이 될 가능성이 낮습니다. 더 큰 배터리 팩과 더 빠른 충전 속도. [1]
액체 냉각은 간접 및 직접 모드로 나눌 수 있습니다. 냉각수는 공기에 비해 열용량이 크고 열전도율이 높습니다. 균형 잡힌 온도 제어로 인해 간접 액체 냉각은 현재 배터리 열 관리에서 가장 일반적으로 사용되는 솔루션 중 하나입니다. 가장 일반적으로 사용되는 냉각수는 물과 글리콜의 혼합물입니다. 간접 냉각의 원리는 냉각수가 셀/배터리 모듈의 하단 또는 측면에 있는 채널을 통해 흐르도록 하여 시스템에서 열을 전달하는 것입니다.
특정 열 인터페이스 재료(TIM)를 사용하여 냉각 효과를 향상시킬 수 있습니다.
공기 냉각과 비교할 때 간접 액체 냉각의 단점은 시스템의 복잡성입니다. 구성요소와 채널/파이프라인이 많을수록 더 많은 고장, 추가 중량 및 누출 문제가 발생할 수 있습니다.
또 다른 새로운 냉각 기술은 배터리를 유전체 액체에 완전히 담그는 침수 냉각이라고도 하는 직접 액체 냉각입니다. 이것은 전기 파괴에 대한 저항성이 높은 비전도성 액체입니다. 이 기술의 도입은 배터리 공정 및 부품 설계의 복잡성을 크게 줄일 수 있음을 의미하며 시스템의 무게와 부피를 줄이는 데 도움이 되어 배터리 온도 제어의 안정성과 균형을 크게 향상시킵니다. 침수 냉각은 열 교환기를 사용하지 않고 필요에 따라 배터리를 가열하거나 냉각할 수 있어 효율성이 크게 향상됩니다. 전기 자동차 배터리의 침수 냉각은 아직 초기 단계이지만 Faraday Future [2]의 특허받은 완전 침수 배터리 코어 시스템, Dakar Rally 자동차 Audi RS Q e의 침수 냉각 기술과 같은 일부 사용 사례가 있습니다. -tron[3], 또는 Panasonic과 Tesla의 이전 직원이 만든 IMMERSIO ™ System[4].

Audi RS Q e-tron의 Dakar Rally용 침수 냉각 시스템
침수 냉각에 일반적으로 사용되는 유전체 액체는 열 폭주 이벤트를 억제할 수 있는 난연성입니다. 현재 시장에는 하이드로플루오로에테르, 탄화수소 오일, 실리콘 오일 및 플루오르화 탄화수소와 같은 여러 그룹의 냉각 매체가 있습니다. 사람들은 생분해성 유전체 액체에 점점 더 많은 관심을 기울이고 있습니다.
냉각수 특성은 열 관리에 중요한 역할을 하며 다음 요구 사항을 충족해야 합니다.
- 좋은 전기 절연
-높은 비열용량과 높은 열전도율
- 불연성 및/또는 높은 인화점
- 제작이 용이하고 대량 공급 가능
-적절한 작동 온도 범위가 있습니다.
- 액체의 긴 저장 수명
위의 요구 사항 외에도 적절한 침수 냉각수를 선택할 때 재료 호환성, 저밀도, 저점도 및 환경 보호도 고려해야 합니다.

다양한 냉각수에 대한 설명
히드로플루오르에테르 - 전력 전자 응용 분야의 히드로플루오르에테르는 순수 전기 자동차의 침수 냉각 분야에서 큰 주목을 받았습니다. 문헌에 따르면 공기 냉각 시스템에 비해 냉각 효율이 크게 향상되었습니다. Hydrofluoroether의 불연성과 인화점이 거의 없어 시스템 안전성도 향상되었습니다. 전체 수명 주기에서 이 히드로플루오로에테르 침지 냉각 시스템의 성능은 아직 연구해야 합니다. 또한 HFE의 밀도는 물-글리콜 시스템보다 약 40% 더 높기 때문에 순수 전기 자동차의 무게와 범위에 부정적인 영향을 미칩니다. 또한 전기 자동차의 열 관리 시스템에서 히드로플루오로에테르의 사용을 방해하는 재료 비용 및 환경 보호도 중요한 요소입니다.
탄화수소 - 미네랄 오일, 폴리머 - 올레핀(PAO) 및 합성 탄화수소 오일 포함. 탄화수소는 석유의 증류 제품으로 비용이 저렴하고 독성이 낮으며 적절한 작동 온도 범위에서 침수 냉각에 적합합니다. 이러한 액체의 단점은 가연성이 있고 인화점이 있을 수 있다는 것입니다.

에스테르 - 저렴한 비용, 높은 인화점, 우수한 유전 특성 및 생분해성으로 인해 다양한 산업 분야에서 널리 사용되었습니다. 에스테르는 합성과 천연으로 나뉩니다. 합성 에스테르는 폴리올과 카르복실산 사이의 화학 반응의 산물인 반면, 천연 에스테르는 식물성 기름의 산물입니다. 두 소스는 서로 다른 속성에 해당합니다. 합성 에스테르는 산화 안정성이 우수하여 차량 유지 보수 기간 연장에 긍정적인 영향을 미칩니다. 그러나 천연 에스테르에 비해 일반적으로 인화점이 낮습니다. 에스테르 기반 시스템의 단점은 재료의 노화에 따라 점도가 증가하고 냉각 용량이 감소한다는 것입니다.
실리콘 오일 - 실리콘 오일의 주요 장점은 고온 및 저온에서 우수한 내열성과 유전 특성을 가지고 있다는 것입니다.
물/글리콜 - 물과 글리콜의 혼합물. 다른 시스템과 비교하여 물/글리콜은 상대적으로 높은 전도도와 열전도도를 가지며 비용상의 이점이 있습니다. 그러나 수성 글리콜 혼합물의 전도도는 간접 액체 냉각에만 사용하는 데 제한이 있습니다. 사용 과정에서 간접 액체 냉각 시스템의 밀봉 조치는 혼합물이 배터리 또는 배선으로 누출되는 것을 방지하고 단락 및 최종 열 제어 손실을 방지할 수 있기 때문에 매우 중요합니다. [5]

요컨대, 열 관리를 위한 많은 솔루션이 있습니다. Detweeler는 순수 전기 자동차의 열 관리 시스템이 재료와 복합재의 적절한 사용을 통해 개선될 수 있다고 믿습니다. 모바일 여행 산업이 전기화 방향으로 꾸준히 발전함에 따라 이제는 냉각수 제조업체, 모든 수준의 공급업체 및 OEM이 열 관리 시스템을 업그레이드하도록 지원하는 데 중점을 둡니다. 이런 점에서 디트웰러의 소재 전문성은 높은 수준으로 적용됐다. 다른 냉각수는 다른 밀봉 솔루션으로 이어질 수 있기 때문에 화학적 호환성은 직접 담금 냉각 방법의 핵심입니다.
각 침수 냉각 시스템에 가장 적합한 밀봉 솔루션을 선택할 때 테스트를 수행해야 합니다. 전기 자동차 산업에 관한 한 과불화폴리에테르(PFPE)는 불연성 및 낮은 점도 특성으로 인해 냉각수 적용의 최전선에 있는 것으로 보입니다. 그러나 전기 자동차에 어떤 종류의 냉각수를 사용하든 이러한 가혹한 환경에서 시간이 지남에 따라 씰의 부식/열화를 방지하고 그에 따른 문제를 방지하기 위해서는 씰링 솔루션과의 호환성을 보장해야 합니다. [1]
안전이 중요합니다

배터리 시스템의 가장 중요한 안전 문제는 화재 및 열 폭주를 방지하는 것입니다. 침수 냉각 방식의 배터리 시스템은 냉각수에 직접 잠겨 있기 때문에 전체 영역을 특수 밀봉 엘라스토머 부품으로 밀봉해야 하며 엘라스토머 선택이 정확해야 합니다. 차량의 서비스 수명 주기 동안 일정 수준의 내화학성과 내후성을 갖는 것이 좋습니다.
Detwelle에서는 다양한 재료와 접촉하는 다양한 유형의 냉각수에 대한 실험과 정확한 분석을 수행하고 있습니다. 이러한 테스트를 통해 이러한 액체를 밀봉하는 데 가장 적합한 폴리머 또는 엘라스토머 유형을 결정할 수 있습니다.
시뮬레이션 분석 단계에서도 제어해야 하는 중요한 매개변수는 열 노화입니다. 재료는 고온(최대 100°C)에서 장시간(최대 1000시간) 테스트됩니다. PFPE, 실리콘 오일 및 종자유에 대한 첫 번째 테스트 그룹에 따르면 DETWELLER의 IC-DAT10 및 IC-DAT30을 기반으로 하는 공식은 대부분의 냉각수에서 잘 작동하며 일반적으로 밀봉 재료의 선택으로 사용되어야 합니다. 각 IC-DAT 코드는 서로 다른 엘라스토머 계열을 나타내므로 이 연구에서는 선택한 액체에서 서로 다른 폴리머 계열의 성능을 비교합니다.
이 엄격한 테스트 과정에 따라 이러한 액체에 담그기 전과 후의 재료의 물리적 특성을 비교했습니다. 아래 그림에 표시된 부피 변화는 냉각수에 담근 후 시간 경과에 따른 화학적 안정성의 지표로 사용됩니다. 또한 열 안정성, 인장 특성 변화, 압축 영구 변형 및 누출도 확인하고 이해했습니다.

침수 냉각 시스템을 위한 다양한 유형의 냉각수(종자유, 실리콘 오일 및 다양한 PFPE)에 침지된 표준 고무 제형의 화학적 안정성 결과
그림 2에 표시된 두 번째 테스트 그룹에서는 무할로겐, 무독성 생물학적 기반 및 생분해성 냉각제에 중점을 둡니다. 측정된 모든 냉각수는 0의 지구 온난화 지수(GWP)와<1. In addition, this study also includes so-called mixed liquids, which not only provide cooling effect, but also provide lubrication effect for the propulsion system.
이러한 액체에 침지한 후 표준 고무 공식의 부피 변화는 테스트된 대부분의 고무 공식이 분명한 변화를 가지고 있음을 보여줍니다. 테스트한 모든 재료 중에서 코드가 IC-DAT41인 공식만이 적합한 후보 공식임을 알 수 있습니다.

침수 냉각 시스템을 위한 특정 유형의 바이오 기반 냉각제에 침지된 표준 고무 제형의 화학적 안정성 결과
밀봉 재료의 극성이 밀봉 요소의 화학적 안정성에 영향을 미칠 것으로 추측됩니다. IC-DAT41 외에도 Detweller는 바이오 기반 침지 냉각제로 사용하기에 적합한 다른 후보 물질을 연구하고 있습니다. Detweller는 테스트를 위해 다양한 독점 공식을 사용하고 최종적으로 어떤 공식이 테스트된 특정 냉각수에 가장 적합한 밀봉 재료인지 선택합니다.