“전기차 열폭주·모터 수명, 열관리 기술에 달렸다”

미래 배터리 열관리 시스템, 직냉식·상변화 기술 주목
모터 → 복합냉각 열관리·인버터 → 유냉식 액침냉각

[편집자주]다양한 전기차 모델의 출시와 정부 보조금 혜택으로 전기차의 인기는 나날이 높아지고 있으나 배터리 열폭주로 인한 화재 사고와 겨울철 주행거리 감소는 소비자의 불안감과 불만을 야기하고 있다. 소방청에 따르면 지난해 44건의 전기차 화재가 발생했으며, 전기차 보급 확대에 따라 증가하는 추세라고 전했다. 이번달 초 경기 광주에서 발생한 전기차 충돌 후 열폭주 현상으로 인한 사망 사고도 보도된 바 있어 열폭주의 전파를 억제할 수 있는 열관리 기술이 주목받고 있다. 한편, 전기차의 모터 온도는 부품의 수명에 직접적인 영향을 끼친다. 온도가 10℃ 상승할 때 권선의 수명은 절반으로 줄어들며 효율 감소에 그치지 않고 단락으로 인해 고장이 날 수도 있어 냉각시스템의 최적화가 요구된다. 산업교육연구소가 개최한 ‘미래 전기차 통합 열관리 요소별 기술개발 전략과 효율 극대화 방안 세미나’에서도 전기차의 열폭주 현상 예방, 배터리의 용량과 인버터의 전력밀도 증가 추세에 따라 열관리 기술도 진화하고 있다는 전문가의 인사이트가 제시됐다. 이에 본지는 두 편의 기획기사로 전기차의 미래 열관리 기술에 대해 알아본다.
 

▲이무연 동아대학교 교수가 발표하고 있다.

이무연 동아대학교 교수는 11일 산업교육연구소에서 개최한 ‘미래 전기차 통합 열관리 요소별 기술개발 전략과 효율 극대화 방안 세미나’에서 배터리 열폭주 현상으로 인한 사고를 예방하고 전기차 배터리의 용량과 인버터의 전력밀도가 증가함에 따라 열관리 기술도 같이 진화하고 있다며 안전과 주행거리를 책임질 미래 열관리 기술에 대한 정보를 공유했다.

■ 배터리 미래 열관리 기술

초기 전기차의 열관리 방식은 공냉식으로 낮은 유지 비용이라는 장점을 가졌으나 냉각의 한계로 인해 배터리의 용량이 커진 현재에는 수냉식을 택하고 있다.

현재 50kWh 이상 배터리를 탑재한 전기차는 배터리 열관리 시스템으로 현재 간냉식(Indirect Liquid Cooling)의 수냉식 방식을 택하고 있다. 이는 냉각판을 이용한 간접 냉각 방식으로 공냉식 대비 냉각 효과가 좋다는 장점이 있다. 반면, 유수시에 단락이 발생할 수 있고 구성이 복잡하다는 단점도 존재한다. 

또다른 방법은 냉매식이다. 기존 냉매 사이클에 통합해 별도의 시스템이 필요하지 않고, 증발온도에 의해 균일한 온도분포를 가진다는 것이 특징이다. 냉매를 이용하면 간접으로 하는 것보다 3~4배 효과적이며 R1341a, R1234yf, R744의 유체를 사용한다.

미래의 배터리 열관리 시스템으로 꼽히는 기술은 직냉식(Direct Liquid Cooling)과 상변화(Phase Change Materials, PCM)다.

직냉식은 절연 유체를 사용해 배터리를 직접 냉각하는 기술로 배터리 열폭주 시 절연 유체가 배터리의 발열을 흡수해 열폭주의 전파를 억제할 수 있다는 특장점이 있다. 

상변화 기술은 상변화 잠열을 이용해 냉각하는 시스템이다. 이는 상변화 후 물질의 낮은 열전도율 때문에 고출력 배터리 단독 냉각시스템으로 사용이 제한된다. 이러한 이유로 상변화 물질과 다른 냉각 기술을 활용한 하이브리드 기술 연구 등이 이루어지고 있다.
 

■ 모터 및 인버터 미래 열관리 기술

전기차의 구동모터는 크기의 제한과 큰 발열로 인해 공냉식의 열관리는 적합하지 않아 현재 수냉식 간접냉각을 택하고 있다. 

이는 수로에 냉각수를 흘려 모터에서 발생한 열을 간접적으로 냉각하는 방식으로 성능이 준수하고 모터 전반부를 냉각해 내부 온도의 균일도가 높다는 특징이 있다. 반면, 모터 내부의 발열원을 직접 냉각할 수 없고, 수로 설계로 인한 무게가 증가한다는 단점도 존재한다. 테슬라의 반경류 수냉식, 포르쉐의 중공축 수냉식이 대표적이다. 

현대차의 아이오닉은 중공축 분사와 비산 유냉식을 섞은 하이브리드 방식의 유냉식 직냉을 택했다. 유냉식은 가장 높은 발열이 생기는 권선에 오일을 분사 또는 비산해 직접적으로 냉각하는 기술이다. 이는 권선에 유체를 강제 대류 시켜 냉각하는 방식으로 가장 높은 냉각 성능을 띈다. 반면, 오일의 열교환을 위한 별도 시스템이 필요하다는 문제점도 있다.

모터와 인버터의 미래 열관리 시스템은 각각 복합냉각과 유냉식 액침냉각 시스템이다.

모터의 복합냉각 기술은 수냉식 간접냉각과 유냉식 직접냉각을 조합한 하이브리드 형태로 동시 냉각을 수행하기에 균일한 온도 분포와 뛰어난 성능을 보인다는 것이 특징이다. 

인버터의 미래 열관리 기술로 꼽히는 방법은 유냉식 액침냉각 기술이다. 

액침냉각 기술은 작동 유체가 PE 모듈 기판에 직접 닿아 냉각하는 방식으로 성능은 우수하다는 특징이 있다. 부품에 직접적으로 냉각유체 특성으로 닿기에 높은 절연성능, 비수식성, 20~80℃의 적절한 끓는점이 요구된다.

이 교수는 “2016년 이후 EV 인버터의 전력밀도가 증가함에 따라 여러 모델이 양면 수냉식을 적용하고 있다”며 “미국 에너지부가 2025년까지 100kW/L의 전력밀도를 목표로 삼았는데, 이는 양면 냉각의 필요성을 더욱 증가시켰다”고 전했다.