적층 가공을 통한 전기 자동차의 성능 향상

열 관리 전기 자동차(EV) 내연기관(IC) 자동차와는 완전히 다른 도전 과제입니다. 단순히 엔진 온도를 낮추기 위해 냉각 회로가 필요한 기존 IC 엔진과 달리, 전기차 배터리는 셀이 최대 효율을 달성할 수 있는 특정 온도 범위 내에서 조절해야 합니다. 효율이 높을수록 배터리가 사용 기간 동안 더 많은 에너지를 저장하고 보존할 수 있어 차량의 주행 거리가 늘어납니다.

전기차 배터리의 최적 온도는 일반적으로 약 21℃(70℉)입니다. 그러나 배터리가 너무 뜨거워지거나 너무 차가워지면 효율성이 크게 떨어질 수 있습니다. Geotab에서 실시한 연구[1]에 따르면 4,200대의 전기차가 520만 회 주행한 결과를 분석한 결과, 0℃(32℉)와 40℃(104℉)의 온도에서 전기차는 정격 주행 거리의 약 80%까지 떨어질 수 있는 것으로 나타났습니다. 영하 20도(-4도)와 같이 더 극한의 온도에서는 전기차의 정격 주행 가능 거리가 49%에 불과합니다. 즉, 캐나다와 같이 특히 추운 날에는 250마일(402km)을 주행할 수 있는 전기 자동차가 평균 122.5마일(197km)만 주행할 수 있다는 뜻입니다. 따라서 전기차 냉각 회로에는 배터리가 너무 추울 때는 예열하고 너무 뜨거울 때는 냉각하기 위해 가열 및 냉각 요소가 모두 필요합니다.

전기 자동차(EV) 열 관리 시스템의 복잡성

배터리 온도와 성능 사이의 섬세한 균형은 열 관리 시스템 설계에 혁신적인 접근 방식을 필요로 합니다. 일반적으로 전기차 열 관리 시스템은 캐빈용 표준 증기 압축 사이클, 인버터 및 전기 모터용 라디에이터 냉각수 루프, 냉각기를 통해 AC 냉장 회로에 연결된 배터리 루프[2]의 세 가지 회로로 구성됩니다.

그러나 현재 생산 중인 가장 혁신적인 열 관리 시스템은 4개의 회로를 갖추고 있으며 Tesla가 Model Y를 위해 개발했습니다. 이 설계는 실내와 냉각수 회로를 모두 연결하는 다기능 히트 펌프를 사용하여 둘 사이에 열이 전달될 수 있도록 합니다. 열의 흐름을 제어하는 것은 8개의 포트가 있는 회전 밸브인 옥토밸브로, 15가지 작동 모드[2]에서 냉각수가 4개의 냉각수 루프 주위로 흐르도록 합니다.

전기차를 위한 공기 대 수냉식 냉각

대부분의 전기차에 장착된 공기 대 물 열교환기는 튜브와 핀 배열로 구성되며 전통적인 방식으로 제조됩니다. 하지만 최신 적층 제조 기술을 통해 이전에는 제조가 불가능했던 복잡한 3D 형상의 열교환기를 구현할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 엔지니어는 사용 가능한 공간 내에서 냉각 용량을 극대화하여 좁은 면적에서 효율적인 열 교환을 달성할 수 있습니다.

"유체의 열적-물리적 특성에 따라 최적의 표면적 비율을 달성하기 위해 형상을 변경할 수 있습니다."라고 Conflux Technology의 엔지니어링 책임자인 Glenn Rees는 설명합니다. '공기는 물보다 비열 용량이 낮기 때문에 동일한 냉각 용량을 달성하려면 더 넓은 표면적이 필요합니다. 기존 열교환기에서는 무게와 잠재적인 압력 강하를 증가시키지 않고 표면적 비율을 변경하기 어렵습니다. 반면 당사의 기술은 무게나 압력 강하를 늘리지 않고도 동일한 부피 내에서 동일한 열 교환을 달성합니다. 열교환기를 더 작은 부피로 패키징한다는 사실이 아니라 더 적은 부피, 무게, 비용으로 기존 쿨러보다 더 큰 성능을 달성할 수 있다는 점이 바로 우리의 장점입니다.

컨플럭스 테크놀로지의 물 충전식 공기 냉각기(WCAC) 는 60,000개 이상의 핀이 있으며 물 쪽 압력 강하를 82% 감소시키고 공기 쪽 압력 강하를 24% 감소시키며 다른 주요 마이크로튜브 WCAC보다 약 40% 더 가볍고 열 교환이 일정하게 이루어집니다.

전기 자동차 배터리 냉각

전기차 배터리를 냉각하는 가장 일반적인 방법은 공기 냉각 또는 다음을 사용한 간접 냉각입니다. 콜드 플레이트 물-글리콜 냉각수를 사용합니다. 하지만 최근 배터리 기술의 발전으로 고속 충전이 가능한 전기차가 개발되었습니다. 이는 온보드에서 변환해야 하는 교류 전류 대신 직류 전류가 배터리에 직접 공급되는 방식입니다. 따라서 더 짧은 시간에 더 많은 전력을 배터리에 공급할 수 있으며, 경우에 따라 15분 이내에 전기차를 완전히 충전할 수 있습니다[3].

안타깝게도 이렇게 빠른 충전 속도로 인해 배터리 온도가 크게 상승하므로 열 폭주 및 배터리 성능 저하를 방지하기 위해 관리가 필요합니다. 이 문제를 해결하기 위해 배터리 인클로저에 유전체 유체를 주입하는 직접 냉각을 사용할 수 있습니다. 이러한 유체는 공기보다 열전도율과 비열 용량이 높은 전기 비전도성 액체입니다[4]. 이는 유체가 더 넓은 표면적과 직접 접촉한다는 사실과 함께 직접 냉각이 공기 또는 간접 냉각보다 배터리에서 열을 추출하는 데 더 효율적이라는 것을 의미합니다.

"유전체 유체는 전기 절연 특성으로 인해 전기차의 많은 하위 시스템에서 필수적입니다. 유체의 열 전도성에는 몇 가지 단점이 있지만, Conflux는 유전체 유체의 특정 열 물리적 특성에 맞춘 새로운 3D 프린팅 열 교환기 형상으로 이러한 단점을 보완할 수 있습니다."라고 Rees는 말합니다. "즉, 모터, 인버터 및 전력 전자 장치와 같은 파워트레인의 다른 요소를 냉각하는 데 유전체 유체를 사용할 수 있습니다.

전기 자동차 모터 냉각

적층 제조의 기능을 활용할 수 있는 또 다른 냉각 응용 분야는 모터입니다. 모터 내에는 두 가지 주요 열원이 있습니다: 1) 구리 권선의 내부 저항 2) 자기장의 방향 변화로 인한 히스테리시스 손실. 이 두 가지 열원을 효과적으로 관리하지 않으면 로터 자석이 자성을 잃고 권선의 절연성이 저하될 수 있습니다.

"배터리 냉각과 비슷한 방식으로 냉각판을 사용하는 대신 적층 가공을 사용하여 모터를 둘러싸는 외부 냉각 재킷을 3D 프린팅하여 냉각을 고르게 분배할 수 있습니다."라고 리스는 강조합니다. "심지어 권선과 통합 냉각 솔루션을 하나의 어셈블리 내에 프린팅하여 모터 권선을 직접 냉각할 수도 있습니다. 이를 위해서는 주조나 기계 가공이 불가능한 수준의 복잡성이 필요합니다.

전기 자동차 변속기 냉각

전송 시스템은 일반적으로 카트리지형 열교환기를 통해 냉각됩니다. 이는 컴팩트한 패키지 안에 수백 개의 직선형 얇은 벽 마이크로튜브로 구성됩니다. 이러한 레이아웃은 열교환기 내부에 막히는 '데드 스페이스' 영역이 발생할 수 있습니다. 그러나 적층 제조는 전체 부피를 열 전달 형상으로 채울 수 있으므로 기존 케이스에 쉽게 통합할 수 있는 복잡한 3D 프린팅 코어를 만들 수 있습니다.

"카트리지 열교환기는 작은 패키징 크기에 매우 복잡한 형상을 구현할 수 있기 때문에 적층 제조에 특히 적합합니다."라고 Rees는 말합니다. "이러한 쿨러는 매우 높은 표면적 밀도를 유지하면서 40mm3와 같이 매우 작을 수 있습니다. 또한 작은 부품을 빠르게 프린트하고 대형 빌드 플레이트를 채울 수 있어 한 번의 빌드에 수백 개의 부품을 만들 수 있어 비용을 절감할 수 있습니다.

콘플럭스 테크놀로지는 최근 변속기 오일 냉각을 위한 카트리지 열교환기를 개발했습니다. 포괄적인 설계 및 개발 과정을 거쳐 완성된 컨셉은 테스트 장비에서 5.7kW의 열전달률을 달성했으며 무게는 건조 시 43g에 불과했습니다.

"전기 자동차의 열 요구 사항을 효과적으로 관리하는 것은 정말 어려운 일입니다."라고 Rees는 결론을 내립니다. '제조업체가 효율성을 계속 추구함에 따라 이러한 차량 냉각의 복잡성은 더욱 커질 것입니다. 하지만 적층 제조는 무게, 부피, 압력 강하를 줄이면서 냉각 성능을 확보할 수 있는 열쇠입니다. 그렇기 때문에 콘플럭스 테크놀로지는 고객에게 성능 이점을 제공할 수 있는 열 솔루션을 혁신하기 위해 전문성에 계속 도전하고 있습니다.

참조

[1] 주장, C. 2020. 온도가 전기차 주행거리에 어느 정도 영향을 미치나요? [온라인]. 에서 제공됩니다: https://www.geotab.com/blog/ev-range/

[2] Wray, A., Ebrahimi, K., 2022. 전기 자동차를위한 팔면체 열 관리 제어. Energies, 15, 6118

[3] EVBOX. 전기 모빌리티를 발전시키는 DC 충전. [온라인]. 에서 제공됩니다: https://evbox.com/uk-en/ev-chargers/fast-charger

[4] CRODA. 배터리 냉각 및 열 관리. [온라인]. 에서 제공됩니다: https://www.crodaenergytechnol...