배터리 열관리 기술-1 (논문 Review)

2024.07.12 - [배터리/지식] - 열 폭주 방지에 대한 연구 (논문 Review)

열 폭주 방지에 대한 연구 (논문 Review)

 

이전 글에서 모세 Al Channel에 냉각제 주입을 통한 셀 사이사이의 열폭주 전이를 막는 연구에 대한 논문을 리뷰했다.

 

배터리에 있어서 열관리는 매우 중요한 과제중 하나이다.

 

배터리의 고온 / 저온에서의 안전성과 성능의 저하는 자명하며 이를 해결하기 위한 열관리 시스템은 필수적이다.

 

이번 글에서는 열관리 시스템에 대한 Review를 하는 논문에 대해 살펴보고자 한다.

 

 

"A comprehensive review on heat pipe based battery thermal management systems (2023)"

Delika M. Weragoda, Guohong Tian, Arman Burkitbayev, Kin-Hing Lo, Teng Zhang

 

해당 논문은  Heat pipe를 통한 배터리 열관리 시스템의 방법 및 기술적 지표를 제시하는 논문이다.

 

 

최근 Heat Pipe를 이용한 열관리 시스템 연구가 수냉식과 함께 지속적으로 증가하는 추세를 보이고 있다.

 

냉각 방식에서 이론상 수냉식이 가장 좋다.

 

이유는 convection에 있어 물은 Specific heat와 convection coef.가 높으며 어디서든 구할 수 있기 때문이다.

 

하지만 배터리 침지시에 발생하는 안전성 이슈로 인해 Heat Pipe에 대한 연구도 병행하게 증가하는 것 같다.

 

그렇다면 Heat pipe는 대체 무엇일까?

 

* Heat Pipe

Heat pipe Cross-section & Principle

 

 

Heat Pipe는 쉽게말해 작은 열교환기이다.

 

배터리(열원)에서 열이 발생하면 Heat pipe 내부에 있는 모세관의 Liquid flow가 Vapor flow로 바뀌게 된다.

 

Vapor flow는 절연 통로를 통해 Condenser section에 가서 액체로 바뀌는데 이때 응축잠열이 방출된다.

 

Liquid 상태의 작동유체는 다시 모세관 현상에 의해 Evaporator section으로 올라가게 된다.

 

이 과정을 반복하며 배터리에서 발생하는 열을 빼주면서 순환하는 구조를 나타낸다.

 

 

일반적으로 배터리 냉각 방식은 공냉식이 대부분이다.

 

Heat Pipe를 사용했을 때, Max Temp.가 50℃ 이하로 유지할 수 있는 결과를 보여주었다.

 

Heat Pipe를 사용한 냉각 방식의 성능을 해당 그래프를 통해 유의미한 것으로 확인됐다.

 

그렇다면 다른 냉각 방식에 대한 실험 데이터를 살펴볼 필요가 있다.

 

Experimental & Simulation Datasheet

다른 냉각방식에 대한 실험 결과를 데이터시트화한 테이블이다.

 

배터리의 온도는 일정하며 적정 온도를 유지해주는 것이 중요하다.

 

또한 배터리 셀간에 Temp. Deviation이 발생하면 성능 저하로 이어지기 때문에 온도 데이터는 매우 중요한 factor이다.

 

실혐 결과는 다음과 같다.

 

PCM(Phase Change Material)을 사용하여 강제 공냉식을 사용했을 때 가장 우수한 성능을 나타냈다.

1) T_max / T_diff (at, 1C) -> 28℃ / 0.6℃ 

2) T_max / T_diff (at, 2C) -> 34℃ / 0.7℃ 

3) T_max / T_diff (at, 3C) -> 38.2℃ / 0.9℃ 

 

C-rate는 충방전 속도(율)로 C가 높을 수록 고속 충방전이라는 의미이다.

 

PCM을 사용했을 때 가장 효과가 좋았던 이유에 대해 생각해보자.

 

 

PCM에 대해서 알기전에 상변화에 대한 개념을 알아야 한다.

 

상변화는 고체 -> 액체 / 액체 -> 기체 등 물질의 물리적 상태 변화를 의미한다.

 

예를 들어 물을 액체 상태, 얼음을 고체 상태라고 표현하는 것을 상(Phase)라는 의미로 얘기하는 것이다.

 

상태 변화에 있어 상변화 에너지를 월등히 초과하는 에너지가 아닌 이상 Melting Point에 도달하면 일정 온도가 유지된다.

 

이 온도 내에서 열에너지가 축척되어 hummidity가 상승하고 100%에 도달 했을 때 비로소 상의 변화가 이루어 진다.

 

 PCM은 이러한 잠열의 성질을 이용하여 열에너지를 저장 및 방출을 하는 물질이다.

 

쉽게 말해 온도가 높으면 열에너지를 흡수하여 온도를 낮추고, 온도가 낮으면 방출을 통해 승온을 하는 것이다.

 

이론상 PCM은 만능 소재지만 독립적으로 사용할 순 없어 캡슐화하여 냉각 시스템 옆에 배치를 하는 방식으로 진행한다.

 

 

*Status

Thermal Management Status

 

현재는 Heat Pipe와 같이 사용할 수 있는 냉각 방식에 대한 연구가 한창 진행중이다.

 

특히 수냉식 쿨링은 Convection coef.가 높기 때문에 방열이 매우 우수하지만 안전성 문제로 도전적 영역이라고 생각한다.

 

우리는 수식적, 실험적, 시뮬레이션 적 검증을 통해 열관리 최적화에 대해 고민해볼 필요가 있다.

 

학부생인 필자로서 해볼 수 있는 것은 열저항 모델링 및 수식적 검증을 통한 Insight 확보정도가 있을 것 같다.

 

 

 

* 고찰

 

Heat Pipe를 사용하면서 동시에 PCM Plate 혹은 캡슐화하여 사용하는 것은 냉각 성능에 있어 유의미한 지표를 나타낸다.

 

PCM을 실제 배터리 열관리 시스템에 적용하기엔 기술적인 한계가 아직은 존재하는 것 같지만 긍정적으로 보고있다.

 

최근 국비 교육을 하면서 현직자 Q&A 시간에 열폭주에 대한 질문을 진행한 적이 있다.

 

열폭주에 대한 지연으로 지금 팩 모듈 내에 bead를 넣어 지연을 한다는 기술 개발이 이루어지고 있다는 답변을 얻었었다.

 

관련 논문에 대해서는 찾지 못하였지만 PCM과 같은 흡열,방열에 우수한 소재들을 이용한 열관리 방식이라고 생각이 든다.