집중기획
박 성 진 홍익대학교 기계시스템디자인공학과
하이브리드 및 전기차 열관리 시스템
최근 폭등하는 오일 가격과 전 세계적으로 강화되는 배기 규제는 완성차 업체들로 하여금 새로운 동력시스템 개발을 유도하고 있다. 이 에 따라 세계적인 업체들이 앞 다투어 새로운 동력시스템 개발 경쟁에 동참하고 있다. 이 같은 새로운 동력시스템은 기존의 엔진만을 사용하 는 동력시스템과 비교하여 다양한 에너지원을 사용할 수 있고, 이산화 탄소를 포함한 배기가스를 적게 배출시키는 특징이 있다. 그림 1은 다 양한 에너지원과 그들이 사용되는 차량 동력원들을 보여주고 있다. 그 림에 나타난 바와 같이 차량 동력시스템으로 개발되고 있는 시스템으
하이브리드 및 전기차 열관리 시스템 시뮬레이션
기존의 내연기관 자동차와 다른 형식의 하이브리드 및 전기차 열관리 시스템에 대한 수치적 모델링과 시뮬 레이션을 통한 연구 방법과 필요성에 대해 소개하고자 한다.
[그림 1] 차량의 에너지원과 대체 차량의 동력시스템
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[그림 2] 내연기관 차량과 하이브리드 차량의 열관리 시스템의 비교 (1)
로는 기존의 내연기관과 배터리/모터를 사용하는 내연기관 하이브리드 동력 시스템, 이 시스템의 모터/배터리를 키우고, 전기로 충전이 가능하게 한 플러그인 하이브리드 동력 시스템, 내연기관 없이 모터/배터리만으로 구동하는 전기자동차 동 력 시스템, 그리고 수소연료로 전기를 만들어 모 터를 구동하는 연료전지 동력시스템이 있다.
이와 같이 개발되고 있는 여러 가지 시스템은 대부분 기존의 시스템과 달리 대용량의 배터리
시스템, 모터, 발전기, 파워 컨트롤러 등이 포함되 게 된다. 따라서 하이브리드차량이나 전기 차량 의 동력 시스템의 경우 기존의 내연기관만 동력 원으로 사용하는 차량에 비해 시스템이 훨씬 복 잡한 구조를 가지고 있다. 이러한 복잡한 동력 시 스템의 냉각을 담당하는 열관리 시스템 역시 기 존의 시스템과 달리 복잡한 구조를 가지게 된다.
그림 2는 기존의 열관리 시스템과 하이브리드 차 량의 열관리 시스템을 비교한 그림이다. 그림과
같이 전기 장치의 열관리를 위해서 여러 개의 냉 각 서킷과 냉각 컴퍼넌트가 추가되어야 한다.
또한, 하이브리드 차량/ 전기 차량의 배터리 열관리 시스템은 차량의 냉각 시스템, 즉 파워트 레인 냉각 시스템과 밀접한 관계가 있다. 그림 2 에 나타난 바와 같이, 외기 온도가 높을 경우 에어 컨을 이용하여 배터리를 냉각하게 된다. 그리고 그 에어컨 시스템의 응축기는 차량 냉각 시스템 의 냉각 팬을 사용하여 열을 대기로 버리게 되어 차량 냉각 시스템, 에어컨 시스템과 배터리 열관 리 시스템은 서로 상호작용을 하게 된다. 이와 같 은 상호 작용을 그림 3에 도식화하였다.
이렇게 시스템이 복잡하고 운전조건이 변화 하는 열관리 시스템을 디자인하기 위해서는 수치 모델을 이용한 시물레이션을 선행하는 것이 필요 하다. 기존의 냉각 시스템과 달리 시스템의 운전 조건이 변화하고 복잡한 구조와 상호작용으로 인 하여 냉각 시스템 디자인을 위해 실험적으로 접 근하여 디자인하는 것은 막대한 비용과 시간을 요구하기 때문에 이러한 시스템 디자인을 위해서 는 수치적 모델을 이용한 접근이 중요하게 된다.
따라서 열관리 시스템을 디자인하고 열관리 시스템이 차량에 미치는 영향을 정량화하기 위해 서는 차량 열관리 시스템 모델이 필요하게 된다.
하이브리드 차량 열관리 시스템은 엔진, electric machine을 냉각시키는 파워트레인 냉각 시스템 과 차량 캐빈 내에 있는 열원 즉 운전자, 태양열, 배터리 발열을 냉각시키는 클라이밋 컨트롤 시스 템으로 구성되어 있다. 그리고, 클라이밋컨트롤 시스템에 배터리 열관리 시스템도 포함되게 된 다. 따라서 그림 2와 같이 하이브리드 차량 전체 의 냉각 시스템 모델을 개발하고 파워트레인 냉 각 시스템, 클라이밋컨트롤 시스템, 배터리 열관 리 시스템이 차량의 성능 및 연비에 미치는 영향 을 확인 하는 것이 차량 열관리 시스템 디자인을 위해 중요한 과정이 된다. 차량 열관리 시스템 모 델을 개발하기 위해서는 열교환기, 냉각 펌프, 냉 각팬, 열원, 서모스탯 등 수많은 컴퍼넌트 모델이 필요하게 된다. 이렇게 많은 모델들이 시스템 모 델에 포함되기 때문에 시스템 시물레이션에 큰 계산 부하가 걸리게 된다. 따라서 컴퍼넌트 모델 들은 시스템에서의 중요도에 따라 낮은 수준에서 부터 높은 수준의 모델까지 다양한 접근 방법의 모델이 필요하다. 그림 4는 엔진 쿨링 서킷과 그 에 필요한 모델의 접근 방법을 나타낸 그림이다.
이 같은 쿨링 서킷이 여러 개 모여 그림 2와 같이 차량의 열관리 시스템 모델이 된다.
[그림 3] 차량 파워트레인과 차량 냉각 시스템, 에어컨과 배터리 열관리 시스템을 포함하는 클라이밋 컨트롤 시스템의 관계 (1)
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배터리 열관리 시스템
미국의 에너지 부 (Department of Energy)는 하이브리드 및 전기 차량의 배터리에 관련된 이 슈들을 체계화해서 이에 관한 연구를 계속 진행 해 오고 있다. 이들 연구 중 배터리 열관리 시스템 에 관한 연구는 배터리의 성능과 내구성에 중요 한 영향을 끼치기 때문에 많은 연구비를 투자하 여 연구하고 있는 분야다. 이와 같이 배터리 열관
리 시스템에 대한 연구를 진행하는 이유는 배터 리 시스템이 운전 온도에 의해 큰 영향을 받기 때 문이다. 배터리의 운전 온도는 전기화학 반응, 충 방전 효율, 배터리의 효율과 신뢰성, 전하 수용성, 안전, 차량 수명 등에 직접적인 영향을 끼친다. 배 터리의 운전 온도는 높을수록 내부 저항이 낮아 지고, 전압이 높아져, 배터리의 용량과 출력이 좋 아진다. 하지만 한계 이상의 높은 온도에서 운전 할 경우 배터리 용량과 수명에 악영향을 끼치게
[그림 4] 엔진 쿨링 서킷과 컴퍼넌트 모델 (1)
[그림 5] 리튬이온전지의 사이클 수명, 성능, 용량과 온도와의 관계 (www.mpoweruk.com/lithium_failures.htm, DENSO)
된다. 그리고 너무 낮은 온도에서 운전을 할 경우 영구적으로 배터리의 용량이 감소하는 결과를 초 래하게 된다. 그림 5는 배터리의 운전 온도가 배 터리 수명에 미치는 영향을 보여준다. 그림에 나 타난 바와 같이 배터리가 60 ℃ 이상이나 5 ℃ 이 하에서 운전될 경우 수명이 급격히 떨어지는 것 을 볼 수 있다. 여러 가지 다른 조건을 고려할 경 우 리튬이온 배터리의 경우 적절한 운전 온도는 20 ℃에서 40 ℃ 사이로 알려져 있다. 따라서 배 터리 운전 온도를 적절히 제어해주는 것이 필요 하게 되는데, 이렇게 배터리의 작동 온도를 최적 으로 유지시키는 장치를 배터리 열관리 시스템이 라고 한다. 특히 차량에서 사용되는 배터리 시스 템의 경우, 그림 6과 같이 차량의 추진에 필요한 동력을 만들기 위해서 수십 또는 수백 개의 단위 배터리 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용하 기 때문에, 배터리 팩 내부에서도 온도차가 생기 게 되고 이 온도차가 배터리 성능의 저하를 가져
오게 된다. 따라서 차량의 배터리 열관리 시스템 은 수많은 배터리 셀과 셀 사이의 온도차를 최소 화 하는 것이 중요하다. 또한 차량에서는 차량 운 전자의 의도나, 도로 상황에 따라서 운전 조건이 빠르게 변화하기 때문에 여러 가지 과도 상황에 서도 배터리의 온도를 최적 온도로 유지해 줄 수 있는 고성능의 열관리 시스템이 필요하게 된다.
이러한 배터리 열관리 시스템의 기초적인 시스템 구조가 그림 7과 8에 나타나 있다. Pesaran [2,3] 등 은 하이브리드차량과 전기차량에서의 배터리 열 관리 시스템을 연구해 왔다. 그림 7, 8과 같이 배 터리 열관리 시스템은 공기를 열전달물질로 이용 한 시스템과 액체를 열전달 물질로 이용한 시스 템으로 나뉠 수 있다. 그리고 배터리의 적정 운전 온도를 유지시키기 위해서는 냉각뿐만 아니라 가 열도 해줄 수 있는 시스템이 필요하다. 공기를 이 용한 시스템과 액체를 이용한 시스템의 장단점은 표 1과 같다.
[그림 6] 하이브리드/전기 차량용 배터리 시스템의 구성
<표 1> 공기 냉각 시스템과 액체 냉각 시스템의 비교
Air Cooling Liquid Cooling
Advantages
Simple design Lower cost Easier maintenance Shorter warm up period
More effective heat transfer Compact size
Location insensitive
Disadvantages
Less effective heat transfer Larger size
Location sensitive
More parts with piping Higher cost and maintenance High thermal mass
Heavier weight
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이와 같이 하이브리드와 전기자동차에서 배 터리 열관리 시스템의 중요성을 인식하고, 배터 리 열관리 시스템에 관하여 다각적인 연구가 진 행되어 왔다. Pesaran 등은 여러 가지 배터리 열 관리 시스템의 모델링과 시뮬레이션을 이용한 연 구를 통해 공기를 이용한 시스템은 패럴랠/파워 스플릿 하이브리드용 배터리에 적합하고, 액체
를 이용한 시스템은 시리즈/플러그인 하이브리 드 또는 전기차에 적합하다는 결론을 내렸다. 그 림 9는 실제 Chevrolet의 플러그인 하이브리드 차량인 VOLT 의 배터리 열관리 시스템의 개략도 를 나타낸다. 그림에 나타난 바와 같이 외기 온도 가 높을 경우에 에어컨 시스템을 이용하여 배터 리를 냉각하도록 되어 있다. 따라서 에어컨 시스
[그림 7] 공기를 열전달 물질로 이용하는 배터리 열관리 시스템 (2,3)
[그림 8] 액체를 열전달 물질로 이용하는 배터리 열관리 시스템 (2,3)
[그림 9] 에어컨 시스템을 이용하는 배터리 열관리 시스템 개략도 (BEHR)
템을 포함한 전체 차량의 열관리 시스템과 종합 적이 해석을 하지 않는다면 배터리 열관리 시스 템의 성능을 정확히 예측하기 어려워진다. 그리 고 이렇게 된다면 에어컨 시스템의 압축기가 사 용하는 동력으로 인하여 하이브리드나 전기 차량 의 연비가 급격히 나빠지게 된다. 그림 10은 에어 컨 시스템이 일반 차량과 하이브리드 차량의 연 비에 미치는 영향을 보여주는 그림인데, 하이브 리드 차량에 영향이 일반 차량에 비해 더 크다는 것을 알 수 있고, 연비에 미치는 영향도 20%에 달 할 정도로 무시할 수 없다는 것을 보여 준다. 전 기자동차의 경우 차량의 열관리 시스템이 전기차 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다. 화석연료 의 유한성과 지구온난화의 영향으로 순수 전기에 너지만으로 구동하는 전기자동차를 개발하기 위 한 노력들이 경주되고 있지만, 높은 가격과 충전 인프라의 구축, 짧은 주행거리 등 몇 가지 해결해 야 할 문제점들이 있다. 그 중에서도 특히 가장 큰 애로사항은 1회 충전 주행거리가 내연기관 차량 에 비해서 짧다는 것이다. 현재 상용화된 소형 전 기자동차는 대부분이 1회 충전 후, 주행거리가 약 130~160 km 내외로 도심 내에서만 운행이 가능 한 수준이다. 특히 에어컨이나, 난방을 위하여 히
터를 가동한 경우 차량으로서 의 기능을 수행하기에 어려울 정도로 주행거리는 현격히 감 소한다. 이러한 현상은 여름 철보다는 겨울철에 더욱 심각 하며 내연기관에서는 엔진에 서 버려지는 폐열을 난방열원 으로 사용하여 별도의 에너지 투입 없이도 난방이 가능하였 지만, 열원이 부족한 전기자 동차에서는 난방에 별도의 전 기에너지를 투입하여야 하며 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자를 이용한 전기히터를 사용할 경우 대략 30~50%
정도의 주행거리의 감소로 이어져 전기자동차의 보급에 큰 문제점으로 지적되고 있다. 그림 11은 실제 전기자동차에서 냉방장치와 난방장치 사용 시 1회 충전 주행거리의 감소를 보여주고 있다.
따라서, 효율적인 배터리 열관리 시스템의 개 발이 절실한 실정인데, 개발 초기 단계에서 여러 가지 시스템 디자인의 가능성을 타진해 보기 위 해서 수치적 모델링을 통한 디자인 검증이 중요 하다. 따라서 그림 12, 13과 같이 CFD, 시스템 모 델링을 통한 배터리 열관리 시스템 디자인에 대 한 연구가 활발히 진행되고 있다.
하이브리드 및 전기차 열관리 시스템 시뮬 레이션
앞서 소개했듯이 배터리 열관리 시스템을 포 함한 차량 열관리 시스템의 운전 조건은 차량의 운전조건에 따라서 결정된다. 따라서 열관리 시 스템의 디자인은 차량 운전조건에 따라 결정되기 때문에 열관리 시스템 디자인을 위해서는 차량의 운전조건이 필요하게 된다. 또한 차량의 운전조
[그림 10] 에어컨 시스템이 하이브리드 차량의 연비에 미치는 영향 (Idaho National Lab)
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리 시스템 모델을 이용한 열관리 시스템 디자인 을 연구하기 위해서는 하이브리드/전기 차량 파 워트레인 모델을 이용하는 것이 필요하게 된다.
차량 파워트레인 모델과 열관리 시스템 모델을 결합하게 되면 차량이 정해진 드라이빙 사이클을 따라 운전될 때 시간에 따른 파워트레인의 운전 조건을 차량 냉각 시스템에 전달한다. 차량 열관 리 시스템은 차량 파워트레인 모델에 영향을 줄 수 있는 co-simulation을 통해 차량 파워트레인 시스템과 차량 열관리 시스템의 상호 작용을 시 뮬레이션에 반영할 수 있다. 이러한 시뮬레이션 을 통하여 그림 14와 같이 모든 시스템의 온도와 운전 조건을 예측할 수 있고, 배터리의 온도도 실 제 운전 조건에서 예측이 가능하기 때문에 차량 열관리 시스템과 배터리 열관리 시스템 디자인에 매우 유용한 툴로 활용될 수 있다.
[그림 11] 냉방 및 난방장치 가동 시 전기자동차의 주행거리에 미치는 영향 (Mitsubish I-MiEV)
[그림 12] 평판형 배터리 모듈의 냉각 유로 CFD 해석 결과 (4)
[그림 13] 배터리 모듈 최적화 (5)
건도 열관리 시스템에 의해 영향을 받게 된다. 왜 냐하면 열관리 시스템에 사용되는 파워가 차량으 로부터 공급되어야 하고 배터리 온도가 차량 성 능과 효율에 영향을 주기 때문이다. 따라서 열관
[그림 14] 차량 파워트레인 시스템과 차량 열관리 시스템의 co-simulation 결과의 예
결 론
전술한 바와 같이 하이브리드 차량이나 전기 차의 경우 기존의 내연기관 차량보다 많은 추가
적인 파워트레인 컴포넌트들이 필요하고 이 컴포 넌트의 경우 기존 냉각 시스템에 비해 훨씬 복잡 한 구조와 제어를 필요로 하기 때문에 냉각 시스 템을 디자인 하는데 있어서 수치적 모델링과 시
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뮬레이션이 필수적이다. 그리고 냉각 시스템 모 델은 파워트레인의 운전 제어 전략에 따라 냉각 시스템의 운전조건이 달라지기 때문에 냉각 시스 템 모델과 시뮬레이션 결과를 냉각 시스템 디자 인에 활용하기 위해서는 파워트레인 모델과의 통 합 해석이 필수적이다. 따라서 하이브리드차량이 나 전기차의 냉각 시스템 개발에 있어서 이러한 통합 해석적 접근 방법 (co-simulation)이 필요 할 것으로 보인다.
참고문헌
1. Sungjin Park and Dohoy Jung, “Design of Vehicle Cooling System Architecture for a Heavy Duty Series-Hybrid Electric Vehicle using Numerical System Simulations,” Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,
Transactions of the ASME, Vol. 132, No. 9, 2010 2. Pesaran, A. A., "Battery Thermal Management in EVs and HEVs: Issues and Solutions," Proc.
Advanced Automotive Battery Conference.
3. Pesaran, A. A., 2002, "Battery Thermal Models for Hybrid Vehicle Simulations," Journal of Power Sources, 110(2), pp. 377-382.
4. Hongguang Sun, Brian Tossan, and Daniel Brouns, 2011, “Thermal Behavior Study on HEV Air-Cooled Battery Pack” SAE 2011-01- 1368
5. Sungjin Park, and Dohoy Jung, "Battery Cell Arrangement and Heat Transfer Fluid Effects on the Parasitic Power Consumption and the Cell Temperature Distribution in a HEV,"
Journal of Power Sources Vol. 227, pp 191- 198, 2013
