2020. 12. 26. 13:12ㆍ자동차/기술정보
현 사회는 기후변화 및 에너지 문제 해결을 위해 자동차 부문 온실 가스 규제를 강화하는 추세입니다. 전체 온실가스 배출량 중 자동차 분야가 차지하는 비중은 약 20%에 달합니다. 각국 정부에서는 산업적 파급효과가 크고 생활과 밀접한 자동차 분야를 이산화탄소 배출 저감 우선 분야로 정하고 연비 규제 및 친환경 차량 개발 등을 통해 배출량의 저감을 목표로 정책을 강화하고 있습니다.
전기 자동차는 친환경 차량을 대표하며, 가솔린 자동차와는 달리 전기로 구동하기 때문에 전지의 에너지 밀도가 일 충전으로 갈 수 있는 거리를 좌우하게 됩니다. 전지의 에너지 밀도 이외에도 순간 가속력을 나타내는 출력과 충·방전 시 안전성 문제 또한 고려되어야 합니다. 전기자동차용 배터리로 납축 배터리, 리튬이온 배터리, 니켈수소 배터리 등이 사용되었고, 그중 가장 많이 사용하는 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬이온 배터리입니다. 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 고출력, 우수한 저온 특성 및 높은 이론 전압 등의 장점을 가지고 있기 때문에 전기자동차의 가장 유력한 동력원 중 하나입니다.
리튬이온 배터리의 높은 에너지 밀도는 높은 이론 전압에서 기인된 것입니다. 니켈수소전지의 경우 전지의 전압이 1.1V인 것 에 반해 리튬이온 배터리의 경우 3.6V로 3배 이상의 큰 값을 가집니다. 이것은 리튬이온 배터리의 음극 전위가 매우 낮아 기전력이 커지기 때문입니다. 리튬이온 배터리가 자동차 동력원으로서 더 잘 쓰이기 위해서는 수백 개의 전지 셀을 직렬 및 병렬로 연결해야 합니다. 따라서 주행하기 위해 리튬이온 배터리가 충·방전 과정을 반복하는 동안 각 전지 내 화학반응과 저항으로 인하여 다량의 열이 발생됩니다. 리튬이온 배터리의 성능, 수명과 안정성은 전지의 온도와 밀접한 관련이 있습니다. 전지의 용량 감소는 저온에서는 내부 저항의 증가로 인하여 발생하고, 고온에서는 자기 방전을 하기 때문에 발생합니다. 또한 전지의 온도가 상승할수록 재료의 퇴화가 빨라지기 때문에 수명 특성의 저하가 빠르게 일어납니다. 따라서 전지 셀 간의 온도 편차는 전기적 불균형을 초래하여 종래에는 성능을 감소시키는 원인이 됩니다. 고 방전율 사용이나 장시간의 사용 등의 이유로 인하여 리튬이온 배터리의 온도가 상승하면 전지가 자기 발열을 통하여 온도가 더욱 상승하는 악순환을 계속하게 됩니다. 이는 전지의 발열량과 방열량의 균형을 상실하기 때문입니다. 방열 속도가 발열 속도보다 작을 경우 전지 내부에 에너지가 축적되고 시간이 지남에 따라 전지의 온도가 상승하기 때문에 전지는 불안전한 상태가 되고, 일정 온도 이상에서는 열폭주에 의한 발화 및 폭발할 위험이 있습니다.
효과적인 열 분산을 통하여 전지 팩 내 존재하는 전지 셀들의 온도 편차가 최소화되었을 경우 최대 효율을 기대할 수 있습니다. 따라서 리튬이온 배터리의 열적 거동 모델링에 근거하여 다양한 작동 조건에 따른 온도 분포를 예측할 수 있는 기술의 확보가 필요하고 많은 노력이 제공되어야 합니다.