전기차의 초고속 충전 시 배터리 시스템은 상당한 열을 받게 됩니다. 이에 대응하기 위해 현대모비스가 배터리 셀을 직접 냉각할 수 있는 진동형 히트파이프를 개발했습니다. 최근 현대모비스가 배터리 셀 냉각 소재인 ‘진동형 히트파이프(Pulsating Heat Pipe)’를 선보였습니다. 진동형 히트파이프는 급속 충전 시 배터리 셀에서 발생하는 열을 빠르고 균일하게 분산시키는 고효율 열전도 기술입니다. 열전도 효과가 뛰어난 진동형 히트파이프를 배터리 셀과 셀 사이에 배치해 배터리 셀 온도를 낮추는 역할을 하죠. 덕분에 배터리의 성능 및 수명을 극대화하는 데 많은 도움이 될 수 있습니다. 진동형 히트파이프 기술을 활용해 배터리 성능을 극대화하면 배터리 온도를 더욱 안정적으로 유지할 수 있으며, 이를 통해 전기차의 주행 가능 거리도 늘릴 수 있습니다. 나아가 충전 시간도 줄어들어 전기차 사용자에게 더 나은 편의성과 쾌적한 전기차 사용 경험도 제공할 수 있죠. 최고 수준의 배터리 냉각 기술로 미래 모빌리티 경쟁력을 끌어올릴 현대모비스의 진동형 히트파이프를 소개합니다. 최상의 배터리 셀 열관리 소재 ‘진동형 히트파이프’ 진동형 히트파이프는 초고속 충전 시 배터리 셀에 발생하는 열을 효과적으로 관리하기 위해 개발한 기술입니다. 기존 방열 기술로는 배터리 셀 사이의 좁은 공간에 효과적으로 적용하기가 어려웠습니다. 가령 알루미늄 냉각 플레이트의 경우 얇은 판 형태로 성형이 가능한 장점 덕분에 다양한 분야에 널리 쓰이지만, 방열 성능이 기존의 히트파이프 대비 10%에 불과할 만큼 성능이 부족해 배터리 셀에 쓰기에는 한계가 분명했습니다. 그리고 기존의 히트파이프는 알루미늄 냉각 플레이트 대비 성능이 뛰어나지만, 배터리 셀에 쓰기엔 너무 두꺼웠습니다. 현대모비스의 진동형 히트파이프는 기존 방열 기술의 단점을 극복했습니다. 진동형 히트파이프는 알루미늄 냉각 플레이트처럼 얇고 넓은 판 형태로 성형할 수 있어서 배터리 셀 사이에 적용이 가능합니다. 또한 냉매가 진동을 통해 원활하게 순환하는 덕분에 기존 히트파이프 대비 냉매 순환성이 높아 열전달 성능이 우수합니다. 배터리 셀 적용에 최적화된 새로운 히트파이프를 완성한 것이죠. 진동형 히트파이프에 대해 설명하는 현대모비스 금속전장재료팀 구도현 책임연구원 그렇다면 진동형 히트파이프의 냉매는 어떤 원리로 진동하며 순환할까요? 진동형 히트파이프는 에어컨 냉매를 작동 유체(working fluid)로 사용합니다. 진공 상태의 히트파이프 안에 에어컨 냉매를 넣고 밀봉한 것이죠. 물이 끓어오를 때 공기 방울이 발생하는 것처럼, 냉매는 기화할 때 생기는 압력(증기압)으로 밀폐된 내부에서 진동하며 내부 경로를 따라 순환합니다. 진동형 히트파이프의 내부에서 냉매가 진동하고 팽창하는 모습 물론 진동형 히트파이프는 물이 끓을 만큼 온도가 높지 않아도 됩니다. 기압이 낮은 산 정상에서는 100°C 이하에서 물이 끓는 것처럼, 압력이 낮으면 끓는 점도 낮아지죠. 진동형 히트파이프는 이 원리를 응용해 내부를 진공 상태로 조성하고, 기체로 바뀐 냉매가 진동하고 더 원활하게 순환할 수 있도록 했습니다. 이는 기존의 히트파이프와 진동형 히트파이프를 차별화하는 중요한 요소입니다. 진동형 히트파이프의 원리를 기존 히트파이프와 비교한다면, 그 차이를 더욱 직관적으로 이해할 수 있습니다. 진동형 히트파이프의 내부 구조는 단순하지만, 우수한 냉각 효과를 제공하도록 설계됐습니다 먼저, 기존 히트파이프의 작동 원리는 다음과 같습니다. 우리가 일상에서 쓰는 에어컨의 원리와 같이 기존 히트파이프 내부의 냉매가 액체에서 기체로 변할 때 외부의 열을 흡수해 주변 온도를 낮춥니다. 기체로 바뀐 냉매는 응축부에서 다시 액체로 바뀌면서 외부로 열을 배출합니다. 에어컨 실외기에서 뜨거운 바람이 나오는 것처럼 말이죠. 간단히 말해 냉매가 액체와 기체 상태를 오가면서 열을 흡수하고 방출하는 원리입니다. 하지만 기존의 히트파이프는 구조적인 한계가 있습니다. 냉매가 기화하는 증발부는 상단에, 기화된 냉매가 다시 액체로 바뀌는 응축부는 하단에 설계해야 하는 문제죠. 이는 냉매의 이동 방식에 모세관 현상을 이용하기 때문입니다. 모세관 현상이란 음료에 얇은 빨대를 꽂으면 컵의 다른 음료보다 빨대 속 음료의 표면이 높아지거나, 디퓨저에 스틱을 꽂으면 스틱을 따라 향수가 위로 퍼져 향기를 발산하는 원리입니다. 다만, 모세관 현상은 액체 상태의 냉매가 중력에 많은 영향을 받기 때문에 증발부와 응축부의 위치에 따라 효과가 달라진다는 단점이 있습니다. 반면 진동형 히트파이프는 모세관 현상을 적용하는 대신, 냉매가 쉽게 기화되고 진동할 수 있도록 내부 환경을 조성해 냉매가 더 원활하게 순환할 수 있도록 했습니다. 냉매가 팽창하는 힘이 중력보다 훨씬 커서 중력에 의한 성능 저하가 거의 없고, 냉매가 진동과 순환을 반복하면서 열을 고루 전달해 열전도율도 우수합니다. 그만큼 냉매 유동성이 우수해 배터리 셀 사이에 배치할 경우 안정적인 냉각 효과를 거둘 수 있습니다. 고속으로 주행 중인 차량에 적용해도 중력에 의한 성능 저하가 거의 없다고 할 수 있죠. 진동형 히트파이프(오른쪽)는 알루미늄 냉각 플레이트(왼쪽) 대비 우수한 열전도 성능을 발휘합니다 “고속 충전 시 배터리 과열을 해결하고 전기차 충전 시간을 단축하기 위해 진동형 히트파이프를 개발했습니다. 비교 대상인 알루미늄 냉각 플레이트에서의 열 전달은 전자의 이동과 분자의 진동에 의해 이루어지지만, 히트파이프에서는 냉매의 이동에 의해 이뤄지기에 훨씬 많은 열량을 전달할 수 있습니다. 즉 배터리 셀 내부의 열을 빠르게 방출하는 데 효과적이라는 뜻이죠. 참고로 배터리 셀 1~2개당 1개의 진동형 히트파이프를 적용할 수 있습니다.” 현대모비스 금속전장재료팀 구도현 책임연구원의 설명입니다. 치열한 노력 끝에 빚은 높은 완성도 전기차 배터리 시스템에는 배터리 모듈, 배터리 관리 시스템, 냉각팬 등 수많은 부품이 집약됩니다 전기차 배터리 냉각에 히트파이프를 적용하고 양산 기술까지 개발 중인 곳은 현대모비스가 처음입니다. 배터리 시스템은 다수의 배터리 모듈에 배터리 관리 시스템과 냉각 장치 등을 추가해 만듭니다. 이중 전기에너지를 직접 저장하는 배터리 모듈은 배터리 셀 여러 장을 겹겹이 쌓은 모듈 단위 부품으로, 배터리 셀의 과열을 막기 위해 냉각 구조를 최적화하는 것이 중요합니다. 같은 조건에서 진동형 히트파이프(가운데)는 알루미늄 냉각 플레이트(왼쪽)보다 훨씬 뛰어난 냉각 성능을 자랑합니다. 열 방출 성능 비교 실험에서 19°C나 낮은 온도를 기록했습니다 위 영상과 같이 진동형 히트파이프는 알루미늄 냉각 플레이트보다 더욱 빠르고 균일하게 열을 확산합니다. 진동형 히트파이프 내부의 냉매가 열을 빠르게 전달하는 덕분이죠. 그만큼 배터리 셀 내부에서 발생하는 열을 외부로 빠르게 방출할 수 있습니다. 실제로 현대모비스는 배터리 셀과 배터리 셀 사이에 진동형 히트파이프를 겹겹이 배치하고, 이를 통해 각각의 셀에서 발생하는 열을 냉각 블록으로 신속히 전달해 모듈 단계에서 내부 온도를 안정적으로 조절하는 데 성공했습니다. 목표 열전도율을 크게 상회하는 시험 결과를 달성했죠. 하지만 개발 과정은 결코 쉽지 않았습니다. 이에 대해 구도현 책임연구원은 “배터리 시스템 내 공간 및 비용 문제 때문”이라며, “히트파이프를 이용한 배터리 냉각기술에 관한 많은 연구와 시도가 있었지만, 실제 양산된 사례는 없습니다”라고 설명했습니다. 구도현 책임연구원은 “전기차 사용자의 불편을 해소하기 위한 혁신적 기술 개발을 이어가겠다”며 기술 개발에 대한 의지를 보여줬습니다 따라서 현대모비스는 배터리 셀 사이의 좁은 공간에 적용할 수 있도록 진동형 히트파이프를 아주 얇게 만들었습니다. 일반 히트파이프의 두께는 약 6mm지만, 현대모비스가 개발한 진동형 히트파이프의 두께는 0.8mm에 불과합니다. 빠른 적용을 위해 상품성을 끌어올린 것이죠.이에 대해 구도현 책임연구원은 “일반적인 히트파이프는 구리 파이프를 이용합니다. 직경이 6mm인 파이프를 이용하기에 두께를 조절하기가 어려웠죠. 이에 비해 진동형 히트파이프는 아주 얇습니다. 두꺼운 히트파이프 대비 성능과 신뢰성에서 불리할 수 있는 조건입니다. 그래서 이를 극복하기 위해 성능과 신뢰성 검증에 상당한 공을 들였습니다. 정확한 성능을 파악하는 일이 무엇보다 중요했기에 다양한 조건에서 시뮬레이션과 모사 장치를 이용해 많은 시험을 진행했습니다”라고 설명했습니다. 구도현 책임연구원이 비파괴 검사를 통해 진동형 히트파이프의 내부를 살펴보고 있습니다 더불어 현대모비스는 대량 연속 생산이 가능한 프레스 공법을 적용해 진동형 히트파이프의 제조 공정을 단순화하고 제조 단가를 낮춰 비용 문제 해결에도 나섰습니다. 진동형 히트파이프는 프레스로 찍어낸 3장의 알루미늄 합금을 겹치고, 접합 부위에 덧댄 금속을 녹여 용접하는 브레이징(Brazing) 공법으로 이를 결합합니다. 덕분에 일반 히트파이프 대비 압도적으로 얇고 넓은 면적을 낮은 비용으로 구현할 수 있었습니다.현대모비스는 초고속 충전 지원 여부가 중요한 하이엔드 전기차에 진동형 히트파이프가 우선 적용될 것으로 전망하고 있습니다. 지금은 배터리 시스템에 진동형 히트파이프를 통합하기 위한 후속 연구가 필요한 상황이죠. 구도현 책임연구원은 “지속적인 소통을 통해서 전기차의 상품 개선에 노력하겠습니다”라고 말하며 다음과 같이 덧붙였습니다.“진동형 히트파이프 같은 소재 기술이 양산에 적용되기까지는 다양한 단계에서 많은 사람들의 노력이 필요합니다. 후속 연구 단계에서 검증하고 최적화하는 데 필요한 기술적 지원에 최선을 다하겠습니다. 그리고 전기차 사용자의 불편을 해소하기 위한 혁신적 기술 개발을 이어갈 것입니다.” 충전 시간이 줄어들수록, 전기차의 이점은 더욱 커질 것입니다 현대모비스는 다양한 고객사에 최적화된 제품과 서비스를 제공하는 ‘모빌리티 솔루션 프로바이더’로서 자동차의 모든 부분을 살피며 개선점을 모색하고 있습니다. 우수한 기술력을 앞세워 이미 완성되었다고 생각했던 부분도, 불가능하다고 생각했던 부분에서도 새로운 해결책을 찾고 있습니다. 미래 모빌리티의 시대에 대비하는 현대모비스의 노력을 응원해 봅니다.
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