서론
배터리 기술의 급속한 발전과 함께 배터리의 출력 수준은 지속적으로 증가하고 있다. 기존의 공랭식 냉각 방식은 장비 부피가 크고 방열 효율이 낮으며, 소음이 크고 냉각 균일성이 떨어지는 한계를 지니고 있어 소비자용 배터리뿐만 아니라 고출력 배터리의 열 관리 요구를 충족시키기에는 점점 한계에 도달하고 있다. 배터리 작동 중 발생하는 열이 효과적으로 방출되지 않을 경우, 열이 축적되어 열 폭주와 같은 심각한 안전 문제로 이어질 수 있다. 이에 반해 액체 냉각 기술은 제한된 공간에서도 높은 방열 효율을 구현할 수 있으며, 배터리 인접 영역에서의 소음이 거의 없고 배터리 시스템 전체에 대해 균일한 냉각 환경을 제공한다.
배터리 적용 분야: 휴대전화 배터리, 동력 배터리, 에너지 저장 배터리의 액체 냉각
휴대전화 배터리
휴대전화에서 가장 많은 열을 발생시키는 부품은 배터리 자체가 아니라 중앙 처리 칩이다. 그러나 내부 공간이 극히 제한된 구조적 특성으로 인해, 주요 제조사는 칩의 열을 효과적으로 방출하기 위해 대면적 평판형 균열판 구조를 채택하고 있다(그림 1 참조). 이러한 균열판은 발열이 집중되는 칩 영역뿐만 아니라 일부 발열이 큰 배터리 영역까지 함께 덮고 있으며, 이것이 일반적으로 VC 액체 냉각 기술로 홍보되는 방식이다.
그림 1 애플 균열판의 액체 냉각 효과를 나타낸 적외선 열화상 이미지
균열판은 기존 히트파이프 기술의 확장 형태로, 일차원 열 전달에서 이차원 균일 열 전달로 발전한 구조이다. 휴대전화에 적용되는 액체 냉각 방식은 개인용 컴퓨터의 액체 냉각과는 차이가 있다. 개인용 컴퓨터의 액체 냉각은 냉각 헤드, 펌프, 라디에이터, 팬으로 구성된 순환식 수냉 시스템을 사용한다(그림 2 참조). 반면 휴대전화의 VC 액체 냉각은 밀폐된 공간 내부에서 냉각 매체가 증발과 응축을 반복하며 열을 전달하는 방식으로, 구조적으로는 개인용 컴퓨터의 공랭 방식과 유사하다.
그림 2 쿨러마스터 240 수냉 시스템
수냉 순환 구조
2025년 누비아에서 출시한 레드매직 11 Pro+는 배터리 영역에 별도의 수냉 순환 보드를 추가하였다(그림 3 참조). 이 시스템은 아쿠아코어 냉각 시스템이라 불리며, 특수 유동형 불소계 액체를 냉각 매체로 사용한다. 미니어처 압전 세라믹 펌프를 통해 냉각액을 정밀 설계된 미세 유로로 순환시켜, 휴대전화 내부에 능동형 액체 냉각 회로를 형성한다.
그림 3 레드매직 11 Pro+ 수냉 모듈 분해도
해당 수냉 순환 보드는 기존 공랭 시스템과 직접적으로 연결되어 있지는 않으므로, 실질적인 효과는 대형 균열판과 유사하다. 그럼에도 불구하고 이는 양산 휴대전화에서 처음으로 적용된 펌프 구동식 액체 냉각 시스템이라는 점에서 의미가 있다. 다만 휴대전화 내부 공간의 제약으로 인해, 슬림한 디자인을 유지하면서 개인용 컴퓨터 수준의 액체 냉각 성능을 구현하는 데에는 여전히 기술적 한계가 존재한다.
동력 배터리
동력 배터리 분야의 액체 냉각 방식은 크게 냉각판 방식과 침지 방식으로 구분된다. 두 방식의 근본적인 차이는 열 전달 경로에 있다.
냉각판 방식은 전지 셀에서 발생한 열을 먼저 냉각판 외함으로 전달한 후, 외함을 통해 냉각판 내부를 순환하는 냉각액으로 열을 이동시키는 구조이다. 냉각액은 유로를 따라 흐르며 열을 균일하게 분산시키고, 최종적으로 시스템 외부로 열을 배출한다.
침지 방식은 냉각판을 통한 중간 열교환 단계를 제거하고, 전지 셀을 직접 냉각액에 담가 열교환을 수행한다. 냉각액이 전지 외함과 직접 접촉하기 때문에 매우 높은 냉각 효율을 확보할 수 있다.
냉각판 방식은 개인용 컴퓨터의 일반적인 액체 냉각과 유사하며, 침지 방식은 모든 전자 부품을 절연 냉각액에 직접 담그는 방식에 해당한다. 이 방식은 냉각 효율이 매우 높고, 온도 분포가 균일하다는 장점을 가진다.
그러나 실제 적용 측면에서 현재 대부분의 전기차는 여전히 냉각판 방식의 액체 냉각 시스템을 사용하고 있다. 예를 들어 테슬라는 직렬 유로 구조를 채택하여 전지 셀 사이의 공간에 냉각판을 배치하고 있다(그림 4 참조).
그림 4 테슬라 액체 냉각 유로 배치도
침지 방식은 초기 단계에서 파라데이 퓨처와 같은 일부 기업에 의해 제안된 바 있다(그림 5 참조). 그러나 비용, 밀봉 구조, 유지보수 측면에서의 부담으로 인해 현재까지 양산 승용차에서는 적용 사례가 확인되지 않고 있다. 현재는 주로 상용차 분야에서만 기술 제안 단계에 머물러 있다.
그림 5 파라데이 퓨처의 초기 침지형 액체 냉각 설계안
에너지 저장 배터리
신에너지 발전 설비는 일반적으로 전력을 저장하기 위한 에너지 저장 설비를 필요로 한다. 이러한 에너지 저장 배터리는 캐비닛 내부에 고정 설치되며, 이동 빈도가 매우 낮다. 하나의 대형 저장 캐비닛에는 수백 킬로와트시에서 수 메가와트시에 이르는 대용량 배터리가 탑재될 수 있다. 외기 온도가 상승할 경우, 대규모 저장 배터리 시스템의 열 방출은 중요한 과제가 된다. 기존 공랭 방식은 저소음, 고효율, 균일한 냉각을 동시에 만족시키기 어렵지만, 맞춤형 액체 냉각 솔루션은 이를 효과적으로 해결할 수 있다. 일반적으로 배터리 온도를 1도 낮출 경우, 에너지 저장 배터리의 사이클 수명은 평균 약 8퍼센트 증가한다.
배터리 충전 분야: 액체 냉각 초급속 충전기
충전기가 전기차에 전력을 공급할 때 대량의 전력이 단시간 내 전달되며, 이 과정에서 저항에 의해 상당한 열이 발생한다. 충전기의 출력은 전압과 전류의 곱으로 표현되며, 전압은 차량의 전압 플랫폼에 따라 일반적으로 200볼트에서 800볼트 범위에 있다. 더 높은 충전 출력을 확보하기 위해서는 전류 증가가 불가피하며, 발열량은 전류의 제곱에 비례한다. 따라서 초급속 충전기는 고출력 운전을 유지하기 위해 고성능 방열이 필수적이다. 기존 공랭 방식은 이러한 요구를 충족시키기 어렵기 때문에, 액체 냉각 초급속 충전기(그림 6 참조)가 산업 표준으로 자리 잡고 있다. 이는 전기차의 액체 냉각 시스템과 결합되어 수백 킬로와트 또는 메가와트급 충전을 가능하게 한다.
그림 6 화웨이 액체 냉각 초급속 충전기 충전 모델
배터리 시험 장비 분야: 액체 냉각 배터리 시험 캐비닛
액체 냉각 기술은 배터리 시험 장비에 적용될 경우 다음과 같은 장점을 제공한다
·시험 정밀도 및 정확도 확보: 기준 전원, 아날로그·디지털 변환 소자와 같은 고정밀 측정 부품은 온도 변화에 민감하다. 액체 냉각은 이러한 부품의 열을 효과적으로 제거하여 일정한 온도를 유지함으로써 열 드리프트에 따른 측정 오차를 크게 줄인다.
·출력 밀도 및 신뢰성 향상: 대출력 충·방전 시험 시 장비 내부의 전력 소자는 많은 열을 발생시킨다. 공랭 방식은 방열 한계로 인해 출력 제한이나 과열 보호를 유발할 수 있으나, 액체 냉각은 훨씬 높은 방열 효율을 제공하여 소형화된 구조에서도 고출력을 안정적으로 구현할 수 있다.
·이상적인 시험 환경 조성: 일부 고급 시험 장비는 액체 냉각 온도 제어 시스템을 장비 내부에 통합하여, 시험 대상 배터리를 위한 균일하고 제어 가능한 온도 환경을 제공한다. 이는 엄격한 온도 조건이 요구되는 성능 및 수명 시험에서 매우 중요하다.
현재 대부분의 시험 장비는 내부 냉각 배관과 외부 냉수기를 연동함으로써 공랭에서 액체 냉각으로 전환할 수 있다(그림 7 참조). 특히 NEWARE CE-6000 시리즈와 같은 고출력 장비는 외부 냉수기 및 온도 챔버와의 통합 운용이 가능하다.
그림 7 외부 냉수기
결론
액체 냉각 기술은 배터리 분야 전반에 걸쳐 폭넓게 활용되고 있다. 배터리 사용, 충전, 시험 과정에서 발생하는 대량의 열을 효과적으로 제거함으로써 시스템 과열을 방지하고, 배터리를 정상 작동 온도 범위 내에 유지할 수 있다. 현재 액체 냉각 기술은 전기차 분야에서 이미 광범위하게 적용되고 있으나, 대출력 대형 배터리 팩을 대상으로 하는 시험 장비 분야에서는 아직 전면적으로 보급되지 않은 상황이다.
보충 설명
상기 일부 자료는 인터넷 자료를 참고하였으며, 침해 사항이 있을 경우 삭제 요청 시 즉시 조치하겠다.
Seoul: NEWARE
19th Taerung Techno Town, Gasan-dong, Geumcheon-gu, Seoul 1314, 70 Gasan digital 2-ro, Geumcheon District, Seoul, Korea
(서울특별시 금천구 가산디지털2로 70, 대륭테크노타운19차 1314호)
