電氣車 安全·走行距離 지키는 배터리 熱管理 시스템

[IT東亞 김동진 記者] 酷寒期가 찾아오면, 自動車 室內 溫度를 調節하기 위해 共助 시스템을 强하게 稼動하곤 한다. 이때 엔진의 熱로 暖房하는 內燃機關車와 달리, 배터리 電力으로만 空氣를 加熱해 뿜어내는 電氣車의 走行可能 거리는 크게 줄어든다. 車輛을 充電하거나 走行 中 外部 衝擊으로 배터리 溫度가 急激히 上昇하면, 火災를 誘發하기도 한다. 電氣車 배터리 性能 維持와 火災 豫防을 위해 일정한 溫度 維持를 돕는 熱管理 솔루션의 重要性이 커지고 있다.

電氣車 安全과 效率을 擔保하는 熱管理 技術

電氣車에 主로 使用하는 리튬이온 배터리의 主要 構成은 兩極財와 陰極材, 分離膜, 電解液이다. 배터리는 充電 時 리튬 이온을 陽極에서 陰極으로 보냈다가 放電 時 兩極으로 다시 돌아오게 하는 方式으로 衝·放電을 持續한다. 兩極의 리튬이온이 中間의 電解液을 지나 陰極으로 移動하면서 電氣를 發生시키는 原理다. 이때 이온이 잘 移動하도록 돕는 媒介體가 液體인 電解液이며, 分離幕은 陽極과 陰極의 接觸을 遮斷하는 役割을 한다.

寒波가 몰아치면 氣溫이 急激히 낮아지면서 液體 成分인 電解液이 一部 굳기 때문에 리튬이온의 원활한 移動을 막아 배터리 效率을 떨어뜨린다. 리튬이온 배터리로 作動하는 携帶폰이 겨울철에 빨리 放電되는 것도 같은 脈絡이다.

極限의 날씨뿐만 아니라 電氣車를 驅動하거나 充電하는 過程에서 高電壓 電氣가 배터리에 過熱을 일으키는 境遇가 있다. 外部 衝擊으로 배터리 損傷이 發生하기도 한다. 두 境遇 모두 배터리 溫度의 急激히 上昇을 誘發하는 要因이다. 배터리 溫度가 急激히 올라가면 셀에서 熱暴走 現象이 發生해 電氣車 火災를 일으킬 危險이 있다.

極限의 날씨로 인한 電氣車 走行距離 減少 또는 外部的 要因에 依한 배터리 異常으로 發生하는 溫度 變化를 統制하는 ‘배터리 熱管理 시스템’은 電氣車 安全과 效率을 擔保하는 솔루션이다. 電氣車에 搭載한 배터리 셀의 溫度를 實時間으로 感知해 異常이 있으면 制御하는 方式으로 作動한다.

배터리 熱管理 시스템의 熱管理 方式은 크게 空冷式과 水冷式으로 나뉜다.

空冷式 熱管理 方式은 外部 空氣를 배터리 셀이나 放熱板 핀 等에 흐르도록 유도해 溫度를 調節한다. 하지만 外部 環境에 影響을 많이 받는 短點으로 相當數 電氣車에는 水冷式 熱管理 方式의 배터리 熱管理 시스템이 搭載된다. 水冷式은 셀 사이에 位置한 放熱板에 冷却水 또는 溫水를 닿게 해 배터리 溫度를 일정하게 調節한다. 이 같은 배터리 熱管理 시스템은 배터리 팩 內에 搭載돼 電氣車의 安全뿐만 아니라 性能 維持에도 必須的인 役割을 한다. 電氣車 市場 擴大와 함께 배터리 熱管理 시스템의 市場 規模도 커지는 理由다.

韓國科學技術情報硏究院(KISTI)에 따르면, 배터리 熱管理 시스템의 글로벌 市場 年平均 成長率(CAGR)은 約 18.4%며, 2026年에는 46億7800萬달러(藥 6兆2000億원) 水準을 形成, 큰 規模로 成長할 展望이다. 이에 따라 自動車 製造社뿐만 아니라 素材·部品 企業, 배터리 製造社 等이 熱管理 先行 技術 開發을 위한 硏究에 邁進하고 있다.

배터리의 適正 溫度를 維持하며 以上이 發生할 時 卽刻 感知하고 對處하는 技術力을 갖춘 企業이 市場을 先導할 展望이다. 獨逸 콘티넨탈, 프랑스 발레誤, 美國 젠썸, 우리나라의 寒溫시스템 等이 熱管理 分野 主要 企業으로 꼽힌다.

장우석 KISTI 데이터分析本部 先任硏究員은 “最近 電氣車의 走行可能 거리를 擴大하기 위해 배터리 팩 密度를 높이는 趨勢인데 이 때문에 팩 內에 空氣나 물이 닿지 않는 곳이 생기고 熱을 發散할 空間이 줄어들어 배터리 溫度 變化가 더욱 심해진다”며 “熱管理 시스템은 배터리 周邊 溫度에 따라 배터리 팩에서 發生하는 熱을 빠르게 가져가거나, 反對로 熱을 傳達하며 배터리의 일정한 溫度 維持를 돕는다. 하지만 周邊 溫度가 急變하는 境遇에는 物質의 列傳이에도 限界가 있어 空氣나 물을 함께 活用하는 하이브리드 形式의 熱管理 分野와 같은 또 다른 方式의 熱管理 硏究도 活潑히 進行 中”이라고 말했다.

글 / IT東亞 김동진 (kdj@itdonga.com)