전기자동차의 배터리 열관리 시스템

(1)

집중기획

서 론

최근 전 세계 자동차 생산업체는 배기규제, 연비규제 등으로 인하여 다양한 전기자동차 개발을 가속화 하고 있다. 이러한 전기자동차의 경우 대용량의 배터리를 사용하게 되는데, 이 대용량 배터리의 성능, 수명 향 상이 전기 차량개발에 있어서 중요한 부분이기 때문에 다양한 연구가 진 행되고 있다. 대용량 배터리 관련 연구분야 가운데서도 배터리 열관리 부 분이 큰 이슈 중 하나이다. 배터리 온도는 배터리 열관리 시스템에 의해 제어되는데, 배터리가 적절한 온도 범위에서 운전되지 않으면 국부적인 온도상승이 발생하고 배터리 성능을 저하시키는 등의 악영향을 미칠 수 있다. 배터리의 온도는 출발이나 가속 시 방전출력량, 회생 제동에 의한 에너지 충전성능, 배터리의 수명에 영향을 미친다. 그러므로 효과적인 배 터리 열관리 시스템(Battery Thermal Management System)에 의한 배터리 성능, 수명 향상은 전기자동차의 성능, 수명, 연비 향상에 직접적인 영향 을 미치게 된다.¹⁾

전기자동차의 열관리 시스템은 크게는 배터리와 실내 냉난방이 연계 된 수준의 열관리 시스템, 작게는 배터리 모듈/팩 수준, 배터리 셀 수준의

전기자동차의 배터리 열관리 시스템

전기/하이브리드 자동차의 배터리 열관리 시스템의 중요성과 여러 종류의 열관리 시스템에 대하여 소개 하고, 이를 바탕으로 배터리 열관리 시스템의 효율성 과 배터리의 수명향상에 도움이 되고자 구성되었다.

김태우

홍익대학교 기계시스템디자인공학과 석사과정 taewoo143@hanmail.net

박성진

홍익대학교 기계시스템디자인공학과 교수 parksj@hongik.ac.kr

(2)

집중기획_기획 _집중

열관리 시스템으로 나눌 수 있다.

전기구동 자동차의 경우 차량 운행 시 운전자 를 쾌적한 환경에서 주행할 수 있도록 해주는 실내 냉난방 시스템은 내연기관 자동차와는 다르게 주 로 전기에너지를 사용한다. 따라서 그림 1과 같이 냉방 및 난방장치 가동 시 주행가능 거리를 감소시 키고, 현재 판매되고 있는 Mitsubish i-MiEV의 경우 최대 63%까지 주행거리가 감소된다.²⁾

그러므로 전기자동차의 성능, 주행조건, 배터 리 성능에 따라 배터리 셀 수준의 열관리 시스템부 터 실내 냉난방이 연계된 통합 열관리 시스템까지 차량에 적합한 열관리 시스템 선택이 필수적이다.

여기서는 전기자동차의 냉난방을 포함하는 배터리 열관리 시스템 레벨의 시스템 종류 및 연구 동향, 배터리 팩/모듈 레벨, 배터리 셀 레벨의 열관리 시 스템 종류 및 연구 동향에 대해 소개하겠다.

전기·하이브리드 자동차의 냉난방을 포함하는 배터리 열관리 시스템 Chevrolet Volt

그림 2는 플러그인 하이브리드 자동차인 Chev- rolet Volt의 배터리와 실내 냉난방 시스템 개략도 이다. Volt는 3-way 밸브를 이용하여 냉각수를 순 환시킨다. 증기압축 냉동사이클을 이용하여 냉방 을 하고 전기히터를 이용하여 난방을 한다. 배터리 가 저온일 경우 A루트를 실행하게 되며 냉각수 히

터를 통해 열전달유체를 가열하여 배터리를 난방 한다. 배터리가 고온일 경우는 B루트를 실행하게 되며 배터리에서 고온으로 된 열전달 유체는 칠러 를 통해 냉각된 뒤 다시 배터리로 순환한다. 배터 리가 안정된 작동온도 조건에서는 C루트를 실행하 게 되어 펌프제어를 통해 셀의 온도를 제어함으로 써 온도의 안정성을 지속적으로 유지한다.³⁾표 1 은 실내와 배터리의 냉난방 시스템, 작업유체의 종 류와 최종 열전달 형태이다.

Mitsubishi i-MiEV

그림 3, 그림 4는 Mitsubishi의 전기자동차인

}AC & Heater OFF AC & Heater OFF

AC ON (@35degC) Heater ON (^@0degC)

AC & Heater ON

Cruising range(km) 160 주행가능거리 감소 최대 63%

MAX_SW OFF MAX_SW ON

MAX MAX MAX MAX

[그림 1] 냉난방장치 가동 시 전기자동차의 주행거리에 미치는 영향(Mitsubish i-MiEV)²⁾

[그림 2] Chevrolet Volt 배터리와 실내 냉난방 시스템 개략도³⁾

<표 1> Chevrolet-Volt의 실내/배터리 냉난방 시스템

실내(Cabin) 배터리

냉방 난방 냉방 난방

냉난방 시스템

증기압축 냉동 사이클

전기 히터 이용

증기압축 냉동 사이틀

작업 유체 냉매 냉각수 냉매 냉각수

최종 열전달

형태 공냉식 수냉식

(3)

i-MiEV의 실내/배터리 냉난방 시스템 개략도이다.

i-MiEV의 냉난방 시스템은 증기압축냉동 사이클 에 의한 냉방과 전기히터에 의한 난방으로 구성되 어 있다. 하이브리드 자동차인 Volt와 달리 i-MiEV 는 엔진이 없기 때문에 기계식 압축기를 사용하 지 못하고 전기구동압축기를 사용한다.²⁾ 표 2는 i-MiEV의 실내와 배터리의 냉난방 시스템, 작업유 체의 종류와 최종 열전달 형태이다.

Nissan Leaf

그림 5는 Nissan Leaf의 실내 냉난방 시스템 개

략도이다. Leaf는 히트펌프를 이용하여 실내 냉난 방 시스템을 가동한다. 개략도를 보면 외부의 공 기를 고온으로 압축하여(1, 2) 실내의 차가운 공 기와 열교환을 하여(3) 가열된 공기를 다시 실내 로 유입해주는(4) 시스템이다. 여름철과 같이 외부 의 공기가 내부보다 고온일 때는 외부의 커패시터 (capacitor)를 통해 내부의 열을 방출하며 냉방을 한다(5). 히트펌프를 사용함으로써 일반적으로 전 기자동차에 사용되는 전기히터를 사용하지 않기 때문에 전력소모를 줄일 수 있다.

Leaf의 배터리는 별도의 냉난방 시스템이 없고 실내 공기를 이용하여 냉난방한다.⁵⁾ 표 3은 Leaf의 실내와 배터리의 냉난방 시스템, 작업유체의 종류 와 최종 열전달 형태이다.

Tesla Model-S

그림 6은 Tesla Model-S의 병렬형 실내·배터 리 냉난방 시스템이고, 그림 7은 직렬형 실내·배 터리 냉난방 시스템이다. 컨트롤 밸브에 의해 직 렬-병렬이 바뀌게 된다. 병렬형의 경우 배터리가

[그림 3] i-MiEV의 실내 냉난방 시스템 개략도²⁾

Outside Vehicle Inside Vehicle

Air-conditioning grille

Heat is absorbed from atmosphere Heat iscompressed and turned into heating Heat heats cold air in cabin and raises temperature

Dacompressed heat turns into low temperature heat Heated air is blown into cabin Hot Air

Cold Air Atmospheric

Heat

[그림 5] Nissan Leaf의 실내 냉난방 시스템 개략도⁴⁾

Outside Air

Exhaust Return Fan

Auxiliary or Vehicle heater and evaporator cores

Battery Pack

[그림 4] i-MiEV의 배터리 냉난방 시스템 개략도¹⁾

<표 2> i-MiEV의 실내·배터리 냉난방 시스템

냉난방 시스템

최종 열전달

<표 3> Leaf의 실내·배터리 냉난방 시스템

냉난방시스템 히트펌프 시스템

공냉

작업 유체 냉매

최종 열전달 형태 공냉식

(4)

적정온도에 도달했을 때의 제어 루프이고, 직렬형 은 저온 시의 제어 루프이다. 난방 시 전기히터와 폐열을 함께 이용하고 직-병렬은 자동으로 조정된 다. 표 4는 Model-S의 실내와 배터리의 냉난방 시 스템, 작업유체의 종류와 최종 열전달 형태이다.

배터리 모듈·팩 수준의 열관리 시스템 배터리의 이상적인 작동온도를 제어하기 위한

모듈·팩 수준에서는 냉각 시스템이 중요한 부분 을 차지한다. 모듈·팩의 평균 작동 온도뿐만 아니 라 각각의 셀의 온도 편차나 셀과 셀 사이의 온도 편차가 높아지면 배터리 성능에 악영향을 미칠 수 있기 때문에 배터리의 크기, 발열량에 따라 적합한 시스템의 선택이 필요하다.

배터리 냉각 시스템은 직접냉각(Direct Cooling), 방열판을 이용한 간접냉각(Indirect Cooling), 증기 압축 냉동사이클을 이용하는 냉각(Active Cooling) 으로 나눌 수 있다. 이 세 가지 냉각 시스템은 열전 달유체로 기체 또는 액체를 사용한다.¹⁾ 구체적인 냉 방식별 시스템 구성은 다음과 같다.

직접냉각

직접냉각은 원기둥, 각기둥 모양의 셀로 이루어 진 배터리 팩에서 주로 사용된다. 대부분의 직접냉 각 시스템은 열전달 유체로 그림 8과 같이 공기를 사용하고, 유체를 사용하는 경우에는 절연유체인 오일을 사용한다. 유체를 사용하는 경우에는 유체 의 냉각을 위해 그림 9와 같이 액체-기체 열교환기 나 라디에이터가 필요하게 된다.⁷⁾

직접냉각은 간단한 시스템에 의해 배터리 팩 에 널리 사용되지만, 셀의 발열량이 높거나, 공기 의 온도가 셀보다 높을 때 냉각성능에 제한을 받는

[그림 6] Tesla Model-S 병렬형 실내·배터리 냉난방 시스템⁶⁾

[그림 7] Tesla Model-S 직렬형 실내·배터리 냉난방 시스템⁶⁾

<표 4> Model-S의 실내·배터리 냉난방 시스템

냉난방 시스템

전기 히터 이용(221)

전기 히터 (247) 폐열

이용

최종 열전달

Radiator fan Radiator

Coolant pump

Air flow Coolant loop

Battery paek

[그림 9] 냉각수를 이용한 직접 냉각⁷⁾

Air in Air out

Air blower Battery pack [그림 8] 공기를 이용한 직접냉각⁷⁾

(5)

다는 단점이 있고 팩에서 각각의 셀의 온도 편차가 높아지는 현상이 발생한다.⁷⁾

방열판(heat sink plate)을 이용한 간접냉각 간접냉각은 직접냉각을 하기 어려울 경우에 사 용된다. 각 기둥이나 파우치(pouch) 모양의 셀은 셀 사이의 간격을 최소로 배열할 수 있는데 이러한 경우 배터리의 패키징 효율이 높아서 각 기둥 셀은 전기자동차에, 파우치 셀은 하이브리드 자동차에 주로 이용된다. 하지만 셀 사이의 작은 간격 때문에 직접냉각의 어려움으로 방열판을 이용한 간접냉 각을 사용한다. 알루미늄 방열판을 셀 사이에 위치 시키고 기체 또는 액체를 이용하여 냉각한다. 그림 10은 공기를 이용하여 방열판을 냉각시키는 방법, 그림 11은 냉각루프를 이용하여 방열판을 냉각하 는 방법이다.⁷⁾

그림 10과 같이 공기를 이용한 간접냉각은 방 열판의 높은 열전도도 때문에 셀에서의 온도 편차 를 줄일 수 있다. 이는 셀에서 국부적으로 높은 열 유속이 방열판을 통해 재분배되기 때문이다. 또한, 방열판은 모듈의 열용량을 높이기 때문에 공기를 이용한 직접냉각의 경우(그림 8)보다 평균적인 셀 온도가 낮게 된다. 하지만 에어채널의 용적열용량 (volumetric heat capacity)이 작으면 셀 간의 온도 편

차가 커지게 된다.⁷⁾ 공기를 이용한 간접냉각은 셀의 방열량이 10 W/cell보다 작을 경우에 사용해야 셀 간 의 온도 편차를 적합한 수준으로 유지할 수 있다.⁸⁾

그림 11과 같이 액체를 이용한 간접냉각은 공기 를 이용한 간접냉각(그림 10)에 비해 셀 간의 온도 편차가 낮고, 높은 냉각성능으로 발열량이 20 W/cell 보다 큰 셀에도 적용할 수 있다. 마지막으로 액체를 이용한 직접냉각과 거의 유사한 성능을 보이지만, 열전달 유체로 절연유체인 오일을 사용하는 직접냉 각에 비해 간접냉각의 경우 절연유체일 필요가 없 으므로 주로 사용되는 부동액(water/glycol)을 사용 하여 유체 유동에 필요한 동력을 줄일 수 있다.⁷⁾

증기압축 냉동사이클을 이용한 냉각

그림 12, 그림 13과 같이 높은 외기 온도에 의 해 배터리와 외기의 전반적인 온도차이가 줄어들 면 셀의 열방출율이 낮아지므로 증기압축 냉동사 이클을 이용한 냉각을 사용한다. 이는 배터리 냉각 루프와 냉각유체를 냉각하는 루프로 구성된다.⁷⁾

이러한 각각의 냉각 방식에 대해 배터리 모듈·

팩 레벨의 냉각 성능 관련 연구가 활발히 진행되고

Extended cooling surface(fins)

Heat sink(HS) Thermal pad Cells

Frame of module

Air in

Air blower Air flow

Air out Battery pack

Air channel

[그림 10] 방열판을 이용한 간접냉각(공기)⁷⁾

Air flow

Coolant pump Coolant loop

Battery pack

Radiator fan Coldant out Coldant in

Frame of module Cells Thermal pad Heat sink(HS)

Radiator

Cold plate Cold plate

[그림 11] 방열판을 이용한 간접냉각(냉각수)⁷⁾

(6)

있다.

작동 유체의 유동 방향, 모듈·셀의 배치 에 따른 배터리 냉각 성능 및 전력 소모 공기를 이용한 직접냉각에서 유동방향이 냉각 성능에 미치는 영향에 관한 연구

배터리 팩에서 공기를 이용한 직접냉각 시스 템은 공기의 유동방향, 덕트의 형상에 따라 냉각 성능이 달라진다. 그림 14는 U-Flow 형식의 유동 을 하고 덕트의 높이가 일정한 타입이다. 그림 15 는 U-Flow 형식의 유동을 하고 위쪽 덕트가 경사 진 타입이다. 위쪽 덕트의 경사를 주는 것만으로도

출구에서의 압력강하를 낮출 수 있고, 유량과 표면 대류열전달 계수가 일정해지므로 각각 셀의 최고 온도의 차이를 70%까지 줄일 수 있다. 하지만 공 기의 입구와 출구가 같은 방향에 있기 때문에 배터 리 팩이 위치하는 공간의 여유만 있다면 Z-Flow가 선호된다.⁹⁾

그림 16은 Z-Flow 형식의 유동을 하고 덕트 의 높이가 일정한 타입이다. Z-Flow 형식의 유동 은 U-Flow 형식의 유동에 비해 입구 쪽인 왼쪽 부 분에서 입/출구 사이 압력강하가 작기 때문에 왼쪽 의 온도가 높아지게 된다. 이는 셀의 최고 온도 차 이를 크게 만든다. 하지만 그림 17과 같이 덕트에 경사를 주게 되면 배터리 팩의 압력강하를 줄일 수 있고, 각각 셀의 최고 온도 차이도 60%까지 줄일 수 있다. 이는 U-Flow 형식과 비슷한 수준의 온도 차이이다.⁹⁾ 그러므로 배터리 팩이 위치하는 공간 에 따라 다양한 형태의 유동과 덕트의 형상을 선택 하는 것이 필요하다.

Condenser

Condenser fan

Air flow

Air loop

Air in

Air blower

Evaporator/Air cooler

Compressor Refrigerant loop

Expansion valve

Battery pack Air channel

[그림 12] 증기압축 냉동사이클을 이용한 냉각(공기)⁷⁾

Condenser Air flow

Coolant loop

Coolant pump

Evaporator/chiller Refrigerant loop

Battery pack Cold plate

[그림 13] 증기압축 냉동사이클을 이용한 냉각(냉각수)⁷⁾

Upper cooling duct

Outlet Inlet

Lower cooling duct Batterv cell unit

Batterv holder

[그림 14] U-Flow 형식, 일정한 높이의 덕트로 이루어진 배터리 팩⁹⁾

Outlet

Inlet

Tapered upper cooling duct

Flat lower cooling duct

[그림 15] U-Flow 형식, 위쪽 덕트가 경사진 배터리 팩⁹⁾

(7)

방열판을 이용한 간접냉각에서 배터리 모듈의 배치 방법에 관한 연구

냉각수를 이용한 간접 냉각 시스템에서 모듈의 배치는 냉각판의 종류에 따라 여러가지로 구성될 수 있다. 그림 18은 tubular cold plate를 사용하여 모듈을 1열로 배치한 예시이다. 그림 19는 모듈을 2열로 배치한 것이다. 그림 19 (a)는 tubular cold plate를 이용한 방법으로 1열에 1개씩의 냉각수 입·출구가 존재해야 한다. 그림 19 (b)는 multi- channel-core cold plate를 사용하여 2열임에도

냉각수 입/출구가 1개씩만 존재한다. 일반적으로 multi-channel-core cold plate는 tubular cold plate 에 비해 압력강하가 작고 냉각판 표면의 온도 변화 도가 작아서 열 성능이 우수하다.¹⁰⁾ 배터리의 공간, 열전달 유체의 압력강하, 펌프의 성능에 따라 모듈 을 적절하게 배치하는 것이 냉각성능을 향상시킬 수 있는 방법 중 하나이다.

배터리 냉각 전력 소모에 관한 연구

전기·하이브리드 자동차의 배터리 냉각 시스 템은 배터리의 전력을 이용하기 때문에 냉각을 위 해 필요한 전력을 최소로 줄이는 것이 자동차의 주 행가능 거리를 증가시킬 수 있는 방법이다.

배터리 모듈 수준에서 배터리를 냉각하기 위한 전력은 셀의 배치에 영향을 받는다. 셀의 배치에 따라 열전달과 압력강하가 달라지기 때문에 냉각 시스템의 팬·펌프의 소비 전력을 줄일 수 있다.¹¹⁾

그림 20은 배터리 모듈을 냉각할 때 필요한

Battery modules

Supply manifold Collection manifold Coolant flow

[그림 18] 8개 모듈의 1열 배치¹⁰⁾

[그림 19] 8개 모듈의 2열 배치¹⁰⁾

(b) multi-channel-core cold plate

Battery modules Battery modules

Supply manifold

Supply manifold Collection manifold

Collection manifold Coolant flow

Coolant flow

(a) tubular cold plate Flat upper cooling duct

Flat lower cooling duct

Outlet Inlet

[그림 16] Z-Flow 형식, 일정한 높이의 덕트로 이루어진 배터리 팩⁹

Tapered lower cooling duct

Upper cooling duct with appropriate taper angle

Outlet Inlet

[그림 17] Z-Flow 형식, 경사진 덕트로 이루어진 배터리 팩⁹⁾

(8)

팬/펌프의 소비전력이 셀의 배열에 따라 어떤 영 향을 받는지 알아보기 위해 설계 변수를 정한 것이 다. 그림 21은 종 방향의 셀의 개수 대 횡 방향 셀 의 개수의 비(aspect ratio = Lmod/Wmod)에 따른 냉각 팬의 소비전력을 나타낸 그래프이다. 유동저 항에 따른 소비전력은 폭이 넓은 배열(높은 종횡 비)일 때 유동 구간이 짧아지기 때문에 더 작게 나 타난다. 하지만 넓은 배열은 유동 면적이 넓기 때 문에 유량을 많이 필요로 하고 입/출구 덕트에서 유동 면적의 차이가 커지기 때문에 압력 손실이 높 다. 결과적으로 압력손실과 최소 소비전력은 트레 이드오프관계에 있다.¹¹⁾

배터리 셀 수준의 열관리 시스템

셀 수준의 열관리는 셀의 종류, 크기, 냉각방식 에 따라 영향을 많이 받는다. 원통형 배터리보다는

판형 배터리의 온도상승이 더 적고, 같은 형태일 때는 작은 용량의 셀을 여러 개 사용하는 것이 온 도 관점에서는 유리하다. 하지만 이것은 큰 용량의 셀을 사용했을 때의 장점인 조립비용, 부피효율, 신뢰성과 트레이드오프 관계에 있다.¹²⁾ 따라서 셀 형상, 냉각 유체 및 유로 형상, 냉각 핀 또는 플레이 트 디자인에 관한 연구가 이루어지고 있고, 몇 가 지 관련 연구결과에 대해 소개하겠다.

셀 수준의 열관리는 모듈·팩 열관리 시스템의 지표가 되며 셀의 열관리 시스템에 따라 핀의 형 상, 냉각유로, 유량 등이 달라질 수 있다.

그림 22는 냉각유로가 있는 방열판에 의한 냉 각 시스템이다. 셀 수준의 열관리를 통해 그림 23 과 같이 모듈/팩 열관리 시스템의 유량이나 팩의 배치가 결정된다.¹³⁾

그림 24는 냉각수 유동 방향이 냉각 성능에 미 치는 영향을 보여주며 5가지 Case의 유동에 따른 온도분포, 그림 25는 Case 별로 최고온도와 온도 편차를 나타낸다. 냉각수 유동방향을 교차시키면

[그림 20] 소비전력 해석을 위한 설계 변수¹¹⁾

8,000 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000

00 1 2 3 4 5 6

Aspect Ration of Battery Module (Trans verse/Lon gitudinal)

Tend＜60C dT＜3C

BTMS Power Consumption(W)

[그림 21] Lmod/Wmod 에 따른 냉각 팬의 소비 전력¹¹⁾

[그림 22] 대표적인 형상의 냉각유로 CFD 시뮬레이션¹³⁾

[그림 23] 배터리 팩 배치¹³⁾

(9)

서 셀의 냉각 성능을 비교하였는데 입구에서는 교 차가 많을수록 주변 냉각유로 출구의 높은 온도로 부터 열전달을 받아 급격히 온도가 상승하고 출구 에서는 오히려 주변의 냉각유로 입구의 낮은 온도 로부터 열을 빼앗겨 온도가 떨어지는 경향을 보인 다. 결국, 냉각수의 평균 온도가 올라가고 냉각성능

이 떨어지게 된다.¹⁴⁾

셀 수준의 냉각 시스템에서 냉각판의 재료나 디자인, 개수는 냉각효율에 중요한 인자로 작용한 다.¹⁵⁾그림 26은 알루미늄 냉각판의 두께에 따른 온 도분포를 확인해보기 위해 방열판을 이용한 간접냉 각(Indirect) 방식의 배터리 셀 구조를 2D로 단순화

[그림 24] 냉각유로 방향에 따른 셀의 온도 분포¹⁴⁾

43 42 41 40

39

case1 case2 case3 case4 case5 Maximum Temperature (celsius)

6 5.8 5.6 5.4 5.2 5 4.8

case1 case2 case3 case4 case5

Differential Temperature(K)

Tmax dT

[그림 25] Case별로 최고온도와 온도 편차¹⁴⁾

(10)

하여 나타낸 것이다. 그림 27은 알루미늄 냉각판의 두께를 변화시키면서 온도분포를 해석한 결과이다.

그림 28에 의하면 냉각판의 두께가 두꺼울수록 셀 에서의 온도 편차가 적게 나타나는 경향을 확인할 수 있다.¹⁵⁾ 배터리 내에서 온도 편차가 작을수록 배 터리 수명이나 성능에 좋지만, 냉각판의 두께가 두 꺼울수록 조립, 무게, 부피효율에 악영향을 미치기 때문에 상호 간에 최적점을 찾는 것이 필수적이다.

이처럼 셀 수준의 열관리는 유량, 유로, 핀의 형 상이 셀의 온도분포에 중요한 인자로 작용하며 셀 의 종류, 크기에 따라 적합한 냉각 시스템의 선정

이 중요하다.

맺음말

본고에서는 전기자동차의 냉난방을 포함하는 배터리 열관리 시스템 레벨의 시스템 종류 및 연구 동향, 배터리 팩·모듈 레벨, 배터리 셀 레벨의 열 관리 시스템 종류 및 연구 동향에 대해 소개하였다.

소개된 바와 같이 전기자동차의 배터리 열관리 시 스템은 차량 냉난방 시스템과 연계되어 구성되어 야 하기 때문에 종합적인 시스템 해석과 제어가 필 수적이고, 냉난방은 전기자동차의 운전 범위에 큰 영향을 주기 때문에 이러한 종합적인 해석의 중요 성이 강조된다. 또한, 배터리의 수명이 작동온도에 따라 현저히 변화하기 때문에 전기자동차 개발에 있어서 매우 중요한 부분을 차지하고 있다. 그러므 로 전기자동차의 성능, 주행조건, 배터리 성능에 따 라 배터리 셀 수준의 열관리 시스템부터 실내 공조 시스템이 연계된 통합 열관리 시스템까지 차량에 적합한 통합 열관리 시스템 개발이 필수적이다.

참고문헌

1. Ahmad, A. Pesaran, 2001, Battery Thermal Manage- ment in EVs and HEVs : Issues and Solutions, Advanced Automotive Battery Conference in Las Vegas.

2. Kohei Umezu, 2010, Air-Conditioning system For Electric Vehicles(i-MiEV), SAE Automotive Refrigerant & System Efficiency Symposium.

3. http://gm-volt.com/2010/12/09/the-chevrolet- volt-coolingheating-systems-explained.

4. http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/

OVERVIEW/heat_pump_cabin_heater.html.

5. http://gm-volt.com/2010/01/28/nissan-taking

Aluminum Cooling plate Battery cell

Battery cell

Cold plate

Aluminum Cooling plate Terminal tab

Thermal pad

[그림 26] 배터리 셀의 2D 구조¹⁵⁾

0.5 mm 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm

50.0 Temperature(C)

40.0

30.0

20.0

[그림 27] 알루미늄 판의 두께에 따른 온도 분포¹⁵⁾

30 25 20 15 10 5

00 1 2 3 4 5 6

23.7 18.6

12.6 9.2 7.2

5.9

알루미늄 판 두께(mm)

ΔT(℃)

[그림 28] 알루미늄 판의 두께에 따른 배터리의 온도편자¹⁵⁾

(11)

-shortcut-on-leaf-battery-no-thermal-management-system.

6. 특허, US 8402776 B2.

7. Ho Teng et al., 2011, An Analysis of a Lithium- ion Battery System with Indirect Air Cooling and Warm-Up, SAE 2011-01-2249.

8. Kuper et al., 2009, Thermal Management of Hy- brid Vehicle Battery Systems, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Conference and Exhibition.

9. Hongguang Sun et al., 2011, Thermal Behavior Study on HEV Air-Cooled Battery Pack, SAE 2011-01-1368.

10. Ho Teng et al., 2012, Design of Direct and In- direct Liquid Cooling Systems for High-Capacity, High-Power Lithium-Ion Battery Packs, SAE 2012-01-2017.

11. Sungjin Park et al., 2012, Battery cell arrangement and heat transfer fluid effects on the parasitic

power consumption and the cell temperature distribution in a hybrid electric vehicle, Journal of Power Sources, 227, 191-198.

12. Pesaran, A.A. et al., 2009, Integration issues of cells into battery packs for PHEV and HEV, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium.

13. Sowmyalatha Jayaraman et al., 2011, Modeling of Battery Pack Thermal System for a Plug-In Hybrid Electric Vehicle, SAE-2011-01-0666.

14. Hyunjong Oh and Sungjin Park, 2014, Effect of Cool ant Flow Characteristics in Cooling plates on the Performance of HEV/EV Battery Cooling Systems, KSAE, Vol. 22, No. 3.

15. Seungki Baek and Sungjin Park, 2014, Thermal An alysis of a Battery Cooling System with Aluminum Cooling Plates for Hybrid Electric Vehicles and Electric Vehicles, KSAE, Vol. 22, No. 3.