[미래자동차응용] 미래자동차 열관리

 

미래자동차는 단순히 동력원이 바뀐 자동차가 아니라, 전동화·자율주행·연결성을 기반으로 한 고도화된 전기·전자 시스템의 집합체라고 볼 수 있다. 특히 내연기관 중심의 기계 부품에서 벗어나, 전장부품과 소프트웨어가 차량 성능과 경쟁력을 좌우하는 핵심 요소로 자리 잡고 있다.🚗

 

이 글에서는 먼저 미래자동차 전동화가 왜 필요한지와 글로벌 자동차 산업의 변화 흐름을 살펴보고, 전기차·수소차·자율주행차로 대표되는 미래자동차의 핵심 전장부품과 그 중요성을 정리한다. 이어서 배터리, 모터, 전력변환장치 등 주요 전장부품에서 발생하는 열 문제와 이를 해결하기 위한 열관리의 필요성을 중심으로 설명한다.⚡

 

또한 열전달의 기본 원리인 전도, 대류, 복사를 바탕으로 미래자동차에서 적용되는 열관리 기술과 방열 방식이 어떻게 구성되는지 살펴보고, 배터리 열폭주와 같은 안전 이슈가 왜 중요한 설계 요소가 되는지도 함께 정리하고자 한다. 이를 통해 미래자동차 전장부품과 열관리 기술이 차량의 성능, 안전성, 그리고 지속가능성에 어떤 영향을 미치는지 전체적인 흐름을 이해하는 것을 목표로 한다.🌡️

 

1. 미래자동차 전장부품

2. 미래자동차 열관리 필요성

3. 미래자동차 열관리 기술과 원리

 

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① 미래자동차 전장부품

미래자동차 전동화 필요성 및 동향

• 미래자동차: 친환경 전기차와 수소차, 정보통신 기술(ICT)과 인공지능(AI)에 기반한 자율주행차를 포괄하는 개념
• 미래자동차 전장부품
  • 전기-전자 장치 부품의 약어
  • 전기계통의 부품만 지칭
    • 자동차 부품은 기계와 전기장치 포함
• 글로벌 자동차 산업 및 환경 변화
  • Connectivity 연결
  • Autonomous 자율주행
  • Shared Service 공유서비스
  • Electric 전기동력
• 2030 글로벌 자동차 시장 전망
  • 전체 자동차 시장에서 전기차 판매 비중이 30% 이상 확대 전망
  • 자율주행서비스의 보편화로 관련 부품 및 서비스 산업 확장 전망
    • 수소차도 전체 시장에서 22년 대비 10배 이상 성장 예상
    • 미래차 확장 추세로 전장부품의 주변시장도 확장되어 열관리 부품 시장 규모도 확대될 전망
• 미래차 전동화 가속 필요성
  • CO2 농도 증가 → 심각한 지구 온난화 예상 → 친환경 미래자동차의 필요성 대두
  • 지구 온도 1도 상승 → 가뭄 약화, 10% 이상 생물 멸종, 기후 변화로 인한 인명 피해 증가, 물 부족 등의 재난 발생
• 미래차 전동화 가속 요인
  • 2015년 디젤 게이트
  • 내연기관차의 배출가스 규제
  • 배터리 가격 급락
  • 친환경자동차에 대한 보조금 지급
  • 2020년 COVID-19 사태
• 2030 미래자동차 친환경 전략
  • 전세계 주요 완성차 업체들이 2030년 이후 내연기관 자동차 생산/판매 중단 목표
  • 우리나라의 경우 2030년까지 수소/전기차 보급 30% 이상 목표

 

미래자동차 핵심부품과 경쟁력

• 미래자동차 경쟁력
  • 글로벌 시장의 경쟁구도가 끊임없이 변하고 있어, 주요국/글로벌 기업이 같은 출발선상에 위치
  • 수소/전기차의 제조역량과 성능, 충전 인프라가 핵심
    • 우리나라 차량플랫폼, 전기배터리, 수소연료전지 등 핵심영역 모두 국산화해 수출 중
    • 세계최고 수준의 차량성능
  • 자율주행차 발전을 위한 필요
    • 전동화 기반
    • 자율주행기능
    • 통신 등 인프라
    • 제도적 뒷받침
• 미래자동차 혁신기술
  • 화석연료 자동차 → 수소/전기차로의 변혁
  • 인간인지 자동차 → 자율주행차로의 변혁
  • 주행
  • 정보
  • 엔터테인먼트
• 미래자동차의 구분
  • 전기자동차
  • 하이브리드자동차(HEV)
  • 플러그인 하이브리드자동차(HEV)
  • 수소연료자동차(FCEV)

 

미래자동차 전장부품과 중요성

• 내연기관 자동차
  • 많은 기계 부품으로 구성
• 전기자동차
  • 기계 부품이 적고 전기 및 전자 부품으로 구성

 

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② 미래자동차 열관리 필요성

미래자동차 열관리 필요성 및 필요부품

• 열관리 필요성
  • 배터리, 모터, 기타 전장부품
  • 발열로 인한 온도 상승 방지
  • 부품들의 안전한 작동 보장 및 에너지 효율성 증가
  • 내부 환경 제어로 승객 편의성 향상
• 미래자동차 열관리 효과
  • 전장부품 성능최적화
  • 배터리 안전 관리
  • 부품 내구성 유지
  • 내부 환경 품질 향상
  • 에너지 효율성 증가
  • 안전성 확보
• 배터리
  • 배터리는 온도에 민감 (전기자동차는 대용량 배터리 팩 사용)
  • 과열 시 배터리 수명을 단축, 안전 문제를 초래할 수 있음
  • 안정적인 배터리 온도 유지 및 과열 방지 필수
• 전자 제어 장치
  • 차량 내부 전자 제어 장치와 컴퓨터 시스템은 열에 민감
  • 과열 시 오작동 및 손상될 수 있음
  • 열관리를 통해 전자 제어 장치를 안정적으로 작동함
• 모터 및 인버터(Inverter)
  • 과열 시 효율성 저하, 내구성 감소
  • 열관리를 통해 모터와 인버터의 온도를 최적으로 조절하여 차량의 성능을 최대한 유지
• 내부 환경
  • 냉난방 시스템은 승객의 편의성에 중요
  • 열관리를 통해 차량 내부 환경을 안락하게 유지
• 전장부품 최적 작동 온도영역
  • 배터리 작동
    • 20도 이하에서는 리튬 이온 배터리의 충전/방전 효율 저하, 배터리 수명 단축
    • 작동 온도 25도에서 최대 45도 사이로 유지해야 함
  • 고속 충전
    • 고속충전을 위해 배터리 온도를 40도까지 높여야 하며, 이 때 충전 전류를 줄여 배터리의 성능 저하 방지

 

미래자동차 전장부품의 열관리 필요성

• 미래차 전장부품 역할과 기능
  • 전장부품: 차량의 전기 에너지를 저장하고 변환하여 활용하는데 사용되는 다양한 전기-전자부품들을 일컫는 말
    • 전기차에서 가장 핵심적인 구성요소
  • 향상된 에너지 저장 기술과 높은 전력 변환 효율을 통해 차량의 주행 거리와 성능을 향상시킬 것으로 예상
  • 미래에는 전장부품이 고급 자율 주행 시스템의 핵심 요소가 될 것으로 예상
  • 각 부품이 미래자동차 기술의 핵심요소
  • 적절한 열관리를 통해 더욱 안전하고 효율적인 미래자동차 실현

• 전기차 열관리 필요 핵심부품
  • 배터리
  • 모터
  • Power Electronics
  • 자율주행 센서
  • 반도체
• 배터리 안전
  • 배터리 팩은 전기 자동차의 에너지 저장 장치
  • 고온 과열 작동 시 배터리 셀 손상
  • 화재나 폭발 유발 가능. 배터리 팩 안전 유지를 위해 올바른 온도 범위 내 작동
• 배터리 수명 연장
  • 배터리 팩 수명은 온도의 영향을 받음
  • 고온 작동 시 배터리 셀의 화학적 손상 가속화
  • 배터리 수명 단축 적절한 열 관리를 통해 배터리 수명 연장
• 성능 최적화
  • 배터리 팩 성능은 온도에 따라 변화될 수 있음
  • 정확한 온도 조절을 통해 배터리 충전 및 방전 효율 최적화, 주행 범위와 성능 향상
• 충전 효율
  • 배터리는 온도가 낮을 때 충전 효율이 저하될 수 있음
  • 올바른 온도 유지를 통해 빠른 충전과 최대 용량 유지가 중요
• 환경 영향 최소화
  • 배터리 수명을 연장하면 폐기물 처리에 따른 환경 영향을 줄일 수 있음
• 배터리 열 폭주
  • 배터리 셀 내에서 발생하는 연쇄 반응
  • 일단 시작되면 멈추기 매우 어려움
  • 배터리 내부에서 화학 반응을 일으키는 온도 도달 시 발생
  • 더 많은 열 생성, 더 높은 온도를 만드는 추가 화학 반응 발생
  • 열 폭주 시 배터리 셀 온도가 급상승
  • 배터리에 저장된 에너지가 갑자기 방출됨
  • 이 연쇄 반응으로 극도로 높은 온도(400도) 생성
  • 배터리에 가스 발생
  • 진화가 거의 불가능한 고온의 화재 발생
• 배터리 열 폭주 5단계
  • 1단계 (~80도)
    • 음극에서 리튬이 나가는 과정
    • 온도의 영향에서 벗어날 수 없음
  • 2단계 (90~130도)
    • SEI(Solid Elcetrolyte Interface) 분해와 전해질, 음극에 직접 열이 전달되는 단계
    • 1단계 이후 온도 지속 상승
    • 온도 변화율에 따른 민감도가 커지면서 용량이 계속 감소
  • 3단계 (~150도)
    • 고온에 의해 분리막이 용해되는 시작점
    • 전해액 기체화로 배터리 셀 내부 압력 상승
    • 물리적 압력에 의해서도 분리막이 영향을 받기 시작
    • 본격적인 열 폭주 전조 단계가 빠르게 발생
  • 4단계 (~220도)
    • 전극 활물질이 지속적으로 소모
    • 분리막 완전히 붕괴
    • 분리막이 녹아내림에 따라 전극 간 반응 발생
  • 5단계 (~770도)
    • 바인더와 전해질, 전극 분해 구간
    • 온도가 기하급수적으로 상승
    • 눈 깜짝할 사이 800도 이상에 도달
• 전기차 배터리의 온도 영향
  • 주변 환경 기온에 따라 주행거리에 영향
  • 21.5도가 가장 최적 환경 온도
  • 온도의 변화는 배터리 수명 및 성능에 큰 영향
  • 배터리 설계 시 저온특성과 고온특성 고려 필요

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③ 미래자동차 열관리 기술과 원리

열전달 원리 (전도, 대류, 복사)

• 전장부품 작동 시 열 발생 → 방열장치를 통해 열 방출
  • 전장부품 과열 방지 및 최적의 작동온도 유지
  • 효율적인 방열 시스템과 설계가 미래차의 성능과 내구성 유지에 필수적
• 미래차 열관리의 기본 원리
  • 전체 열이동경로에서 저항들의 합의 크기를 줄임으로서 열이동을 원활하게 만드는 것
• 열전달 방법
  • 전도(Conduction)
    • 고체 재료를 통한 열이동
  • 대류(Convection)
    • 유체를 통한 열이동
  • 복사(Radiation)
    • 빛을 통한 열이동
• 발열에 따른 열전달량
  • 열전달량 = (열전도계수/열전달계수/Stefan-Boltzman) X 면적 X 온도차
• 푸리에(Fourier) 열전도 법칙
  • 고체를 통한 일차원 열전달, 정상상태(시간에 따른 변화 없음)에서의 열전도를 설명
  • 온도 차이에 따른 열전도량을 수식으로 표현
  • 온도 기울기가 크면 클 수록 열전달 방해
  • 저항을 줄여 열 이동을 촉진 시켜야 함
    • 열전도성 높은 재료 사용
    • 적절한 열전달 경로 확보
    • 열전달 표면적 증가
    • 열저항 감소
• 대류 열전달
  • 유체의 움직임이 열전달에 영향을 미치는 현상
  • 어떤 표면에서 움직이는 유체로의 열전달
  • 강제대류: 외부 에너지로 유동 강제 (펜, 교반기 등)
  • 자연대류: 온도나 밀도치에 의한 부력 효과로 발생
  • 강제 대류/자연 대류 → 내부 유동/외부 유동 → 층류/난류 → 무차원 레이놀즈수
• 뉴튼의 냉각법칙
  • 대류열전달의 기본원리를 설명
  • 특정 표면에서의 대류열전달량은 해당 표면의 온도와 주변 유체와의 온도 차이에 비례
• 전도-대류 복합 열전달
  • 전도는 물질의 열전도도와 구조에 의해 저항 형성
  • 대류는 유체의 흐름에 따른 저항차이로 열전달 성능 변화
  • 물질 내의 열전도도 변화나 유체 내의 저항 변화는 열전달 성능 크기를 좌우할 수 있음
• 복사 열전달
  • Heat Radiation
  • 빛의 속도로 이송되는 전자파의 형태로 전달
  • 복사는 중간전달 매체가 없기 때문에 열전달 속도가 가장 빠름
  • 방사(Emission)
    • 물체의 온도 때문에 에너지(복사에너지)를 발산하는 현상
  • 전자파의 형태로 공가내를 투과
  • 흑체(Black Body)
    • 모든 파장과 방향에서 완벽하게 복사
    • 물체의 절대온도의 4제곱에 비례하는 에너지 방사
  • 두 표면의 복사열교환양은 절대온도 4제곱 차에 비례
  • 복사열전달은 표면색, 방사율, 표면구조, 재료 등에 영향

 

미래차 열전달과 열저항

• 접촉저항(Thermal Contact Resistance)
  • 자동차의 다양한 부품 연결 및 경계 부위에서 접촉 발생 시 저항으로 인해 온도 상승
• 이상유동
  • 상변화에 따른 열전달에서 열전달계수가 크게 증가
  • 비등이나 응축과 같은 상변화 과정에서 많은 양의 열을 효과적으로 방출 가능
  • 비등곡선은 발영 표면에서 기포 생성, 표면을 떠나 상승, 성장 과정을 열전달계수에 따른 표면 온도 변화로 제시
• 복합 열전달
  • 미래차는 다양한 전장부품 융합으로 시스템 구동
  • 효과적인 방열을 위해서는 복합적으로 연계된 열관리 필요
• 미래차 전장부품의 복합 열전달
  • 하나의 방법에 의존하지 않고 여러 열전달 방법이 복합적으로 활용되어 방열 및 열관리가 이루어지는 복합적인 열전달
  • 전도-대류-복사 열전달이 결합된 열전달 방식
  • 금속프레임 → 전도
  • 폼 소재 → 대류
  • 재료 표면 → 복사
  • 효과적인 열 분산을 통해 전장부품의 안정적 작동, 편안한 탑승 환경 및 안전 제공

 

미래차 방열원리 및 기술

• 전기차 배터리 냉각 방법
  • 액체, 공기, 상변화물질 등 활용하여 방열 시스템 구성
  • 배터리 열방출을 위해 면방향(Through Plane), Tab 등의 측방향(In-Plane)을 통해 열이 이동하도록 설계
• 전기차 모터 냉각 방법
  • 모터의 효율성과 안정성 유지, 보호를 위해 적절한 온도 유지 및 열방출
  • 전기차 모터의 크기, 사용 목적, 성능 등에 따라 적절한 냉각 방법 선택
• 미래차 통합 열관리 시스템
  • 차량 내부의 열을 효과적으로 관리하는 첨단 시스템
  • 차량 내부 온도 최적화, 차량 성능과 안전성 향상, 차량 배터리 수명과 충전 효율성 개선
• 미래차 통합 열관리 시스템
  • 열 발생원
    • 차량 내부 엔진, 배터리, 전자 기기 등 열 발생부품은 열 교환기를 통해 열 추출
  • 열 전달경로
    • 열 교환기를 통해 이동한 열은 열 전달 경로를 따라 차량 내부에 분배
    • 열을 최적화하고 필요한 곳으로 열을 전달하는 역할
  • 열 교환기
    • 열 발생원에서 추출한 열을 효율적으로 전달/분배
    • 냉각 매체(냉각수, 냉각 공기 등)를 통해 열 이동
  • 열 제어 모듈
    • 차량 내부의 온도를 조절
    • 열 발생원의 작동 상태, 외부 온도, 운전 조건 등 다양한 요인을 고려하여 열 제어