정밀 냉각으로 EV 충전 병목 현상 해소

고속 직류 충전을 사용하면 20분 만에 EV 배터리를 약 20%에서 80%까지 충전할 수 있습니다. 나쁘지는 않지만 여전히 일반 휘발유 차량의 탱크를 채우는 데 걸리는 시간의 약 6배입니다.

더 빠른 충전을 위한 주요 병목 현상 중 하나는 냉각입니다. 특히 팩이 충전될 때 대형 EV 배터리 팩 내부의 냉각이 고르지 않습니다. 하이드로헤르츠전직 모터스포츠 및 전력 전자 엔지니어들이 설립한 영국의 스타트업은 충전 중에 필요한 곳에 정확히 화재 액체 냉각수를 공급하는 솔루션을 가지고 있다고 말합니다. 11월에 발표된 솔루션은 온도가 급등하는 지점에서 정확히 1000분의 1초 내에 냉각수를 분사하는 회전식 냉각수 라우터입니다. 이는 단일 루프 시스템이 반응할 수 있는 것보다 훨씬 빠릅니다. 실험실 테스트에서 이 냉각 기술을 통해 기존 냉각 아키텍처에서 가능했던 시간보다 절반도 안 되는 시간 내에 EV 배터리를 안전하게 충전할 수 있었습니다.

절삭유를 이동하는 더 스마트한 방법

Hydrohertz는 자사의 솔루션을 Dectravalve라고 부릅니다. 단순한 매니폴드처럼 보이지만 두 개의 동심 실린더와 배터리 팩 내 최대 4개 구역으로 냉각수를 전달하는 스테퍼 모터가 포함되어 있습니다. 팩의 냉각판 사이에 설치됩니다.물리적 접촉을 통해 배터리 셀의 열을 효율적으로 제거하도록 설계되었으며, 메인 냉각수 공급 루프를 통해 얽힌 밸브, 브래킷, 센서 및 호스를 대체합니다.

비용을 낮게 유지하기 위해 Hydrohertz는 기성 재료, 씰, 그리고 많은 주요 부품 공급업체가 사용하는 제조 도구로 충족할 수 있는 치수 공차로 생산되도록 Dectravalve를 설계했습니다. 일을 간단하고 비교적 저렴하게 유지하면 Dectravalve가 절약으로 악명 높은 자동차 제조업체 및 공급업체를 따라잡을 가능성이 높아질 수 있습니다. “열 관리는 단순성과 초저비용을 지향하는 추세입니다.”라고 말합니다. 왕 차오양기계화학공학과 교수 펜실베니아 주립대학교의 연구 분야는 배터리 및 연료 전지의 내부 유체와 관련된 문제를 다루는 것입니다. 그는 자동차 제조업체는 수동 냉각을 선호하지만 고속 충전 속도가 느려지면 그렇지 않다고 지적합니다. 따라서 적어도 현재로서는 지능형 제어가 필수적입니다.

“Dectravalve가 광고된 대로 작동한다면 배터리 수명이 약 20% 정도 향상될 것으로 예상합니다. 이는 상당한 수준입니다.”–Anna Stefanopoulou, 미시간 대학교

Hydrohertz는 부동액이라고도 알려진 일반 물-글리콜과 함께 작동하도록 Dectravalve를 제작하여 통합을 단순하게 유지했습니다. 일반 부동액을 사용하면 공급업체나 EV 제조업체가 일부 특수 제제가 나머지 냉각 시스템과 호환되는지 여부와 예상치 못한 합병증을 유발하지 않는지 확인해야 하는 검증 프로세스의 단계를 피할 수 있습니다. 그리고 하나의 Dectravalve가 기존 냉각 시스템의 여러 밸브와 배관 어셈블리를 대체할 수 있기 때문에 부품 수를 줄이고 누출 지점을 줄이며 보증 위험을 줄일 수 있다고 Hydrohertz 창립자이자 CTO인 Martyn Talbot은 주장합니다. 더욱 엄격한 열 제어를 통해 자동차 제조업체는 대형 펌프, 호스 및 열교환기를 축소하여 비용과 차량 포장을 모두 개선할 수 있습니다.

밸브는 초당 여러 번 배터리 팩 온도를 읽고 냉각수 흐름을 즉시 전환합니다. 고속 충전과 같은 고부하 이벤트가 발생하면 온도가 상승하기 전에 알려진 핫스팟에 더 많은 냉각수를 할당하도록 자동으로 사전 배치됩니다.

다중 구역 제어는 예열 속도를 높여 추운 온도에서 충전 시 발생하는 배터리 성능 저하를 방지할 수도 있습니다. 제어 시스템, 에너지 및 운송 기술을 전문으로 하는 미시간 대학교 기계 공학 교수 Anna Stefanopoulou는 “따뜻한 유체를 보내 팩의 절반을 빠르게 가열하면 안전하게 부하를 받을 수 있습니다”라고 말합니다. 그 절반은 부하를 수용하기 시작할 수 있고 시스템은 배낭의 나머지 부분을 점차적으로 따뜻하게 하기 시작한다고 그녀는 설명합니다. 그러나 Dectravalve의 주요 기능은 빠르게 가열되는 문제가 있는 셀을 냉각시켜 충전이 느려지지 않도록 하는 것입니다.

배터리 내부 온도 변화에 빠르게 반응한다고 해서 냉각 용량이 늘어나지는 않지만 기존 하드웨어를 훨씬 더 효율적으로 활용합니다. Talbot은 “냉각수를 더욱 정밀하게 제어하면 무료로 더 많은 성능을 얻을 수 있습니다.”라고 말합니다.

충전 시간을 60%까지 단축 가능

2025년 초, Dectravalve는 배터리 시스템 및 기타 기술의 제조 가능성을 개선하기 위해 운송 회사와 협력하는 영국 코번트리에 있는 워릭 대학교의 종합 연구 센터인 WMG(Warwick Manufacturing Group)에서 실시한 벤치 테스트를 거쳤습니다. WMG는 Dectravalve의 냉각 성능을 동일한 100kWh 배터리 팩을 사용하는 기존 단일 루프 냉각 시스템의 냉각 성능과 비교했습니다. 10%에서 80%까지의 고속 충전 시험 동안 Dectravalve는 배터리 관리 시스템의 개입 없이 최고 셀 온도를 44.5°C 미만으로 유지하고 셀 간 온도 변화를 3°C 바로 아래로 유지했습니다. 단일 루프 시스템의 유사한 열 성능은 배터리가 수용할 수 있는 전력량을 줄임으로써만 가능했습니다. 즉, 급속 충전이 휘발유 충전과 동등한 수준이 되지 않도록 하는 테이퍼링입니다.

셀 온도를 50°C 미만으로 유지하는 것이 중요했습니다. 그 온도 이상에서는 리튬 도금이 시작되기 때문입니다. 리튬이 스펀지에 흡수될 때 물이 흡수되는 것처럼 내부 기공 네트워크를 채우는 대신 리튬이 충전 중에 전하가 저장되는 배터리 부분인 양극 표면을 코팅하기 시작하면 돌이킬 수 없는 손상을 입습니다. 도금은 배터리의 충전 저장 용량을 크게 감소시킵니다. 배터리를 너무 뜨거워지면 전해질이 파손될 수도 있습니다. 그 결과 전극 사이의 이온 흐름이 억제됩니다. 그리고 배터리 내부의 흐름이 감소한다는 것은 차량 모터에 전력을 공급하는 외부 회로의 흐름이 감소한다는 것을 의미합니다.

Dectravalve는 온도를 낮고 균일하게 유지했고 배터리 관리 시스템이 과열을 피하기 위해 에너지 교통 경찰을 플레이하고 크롤링 충전을 느리게 할 필요가 없었기 때문에 충전 시간이 약 60% 단축되었습니다. Hydrohertz에 따르면 Dectravalve를 사용하면 배터리가 10~13분 만에 80% 충전 상태에 도달한 반면, 단일 냉각 루프 설정에서는 30분이 걸렸다고 합니다.

배터리를 시원하게 유지하면 수명이 길어집니다

Warwick의 온도 데이터를 사용하여 Hydrohertz는 표준 성능 저하 모델을 적용했으며 더 차갑고 균일한 팩이 더 오래 지속된다는 사실을 발견했습니다. Stefanopoulou는 Dectravalve가 주장대로 작동한다면 배터리 수명을 약 20% 늘릴 수 있다고 추정합니다. “그건 정말 많아요.”라고 그녀는 말합니다.

그럼에도 불구하고 시스템이 새로운 EV에 등장하려면 몇 년이 걸릴 수 있습니다. 자동차 제조업체는 새로운 냉각수 아키텍처를 승인하기 전에 수년간의 사이클 테스트, 충돌 시험 및 비용 연구가 필요합니다. Hydrohertz는 여러 EV 제조업체와 배터리 공급업체가 검증 프로그램을 시작했으며 CTO Talbot은 결과가 나오면 라이선스 계약이 늘어날 것으로 예상한다고 말합니다. 그러나 최상의 시나리오에서도 Dectravalve는 생산 모델 EV 배터리를 최소 3년 모델 동안 냉각 상태로 유지하지 않을 것입니다.