지방산 기반 상변화물질의 전기자동차 충전케이블 열관리 특성 분석

Thermal Management of EV Charging Cables Using Fatty Acid-Base PCMs

Abstract

This study investigates the use of phase change materials(PCMs) as a thermal energy storage method to regulate the temperature of EV charging cables. PCMs absorb heat during phase transitions, thus providing thermal buffering and enhancing system stability. Three organic fatty acids of lauric acid (LA), palmitic acid (PA), and stearic acid (SA) were selected as candidate materials based on their appropriate melting points, high latent heat, and chemical stability. Using Differential Scanning Calorimetry(DSC), the thermal properties of each pure PCM and their mixtures were analyzed. LA exhibited a melting point of 43.78℃ and a latent heat of 188.41kJ/kg, PA had 62.46℃ and 213.46kJ/kg, and SA recorded 69.49℃ and 232.28kJ/kg. Among the mixtures, the PA-SA mixture with 50 mass% PA showed the most promising performance, with a stable melting point below 60℃ and latent heat exceeding 200kJ/kg. The specific heat capacity of this mixture was measured as 1.85kJ/kg·K in the solid phase and 2.17kJ/kg·K in the liquid phase.

1. 서론

지구온난화 및 기후변화에 대한 우려가 전 세계적으로 심화됨에 따라, 탄소 배출 저감을 위한 친환경 교통수단 도입이 국제적으로 강조되고 있다. 이러한 흐름 속에서 전기자동차(Electric Vehicle, EV)는 강화된 환경규제, 각국 정부의 친환경 정책, 자동차 제조사의 전기차 모델 확대, 그리고 소비자의 친환경 인식 변화 등에 따라 보급이 급속히 확산되고 있다. 전기자동차는 내연기관차와 달리 배터리를 기반으로 한 전기 구동 방식을 사용하기 때문에, 안전하고 효율적인 충전 인프라 구축이 필수적이다.

EV 보급의 확산에 따라 고전류 충전을 지원하는 충전케이블 사용이 증가하고 있으며, 이 과정에서 케이블 내부 전기저항으로 인해 상당한 열이 발생하게 된다. 이 열이 적절히 제어되지 않을 경우, 케이블 절연층의 열화 및 수명저하, 접속단자 및 커넥터의 열적손상 및 기계적 파손, 접촉 저항 증가로 인한 추가적인 열 발생 으로 악순환의 발생, 나아가 케이블 용융, 화재 배터리 손상 등의 안전사고로 이어질 수 있다.

이러한 위험 요소를 최소화하기 위해, 최근 고출력 충전케이블에는 냉각 시스템이 필수적으로 탑재되고 있으며, 공랭식 및 수냉식 방식이 주로 적용되고 있다. 그 중 공랭식이 구조가 단순하여 널리 채택되고 있으나, 고부하 운전 조건에서는 냉각 효율이 제한적이라는 한계가 존재한다. 이에 따라 차세대 고전력 EV 충전 시스템에 적합한 향상된 열 관리 설계가 시급히 요구되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 충전케이블과 관련하여 다양한 연구들이 진행되고 있다. 직류기반 고전력 충전(DC-HPC) 기술은 전기자동차의 충전 시간을 크게 단축하지만 높은 충전 전류는 줄 열로 인해 충전 커넥터의 온도가 크게 상승하기 때문에 방열기술이 필요하게 되고 갈린스탄을 도체와 냉각유체로 활용하여 자체 구동 액체 금속 냉각 커넥터의 새로운 개념을 보고하고 있다[1]. 또한 반도체 냉각기술을 활용하여 전기차 충전기용 냉각기 개발에 대한 연구도 진행되고 있고[2], 과냉각 유동 비등 방식이 유체가 하나의 상으로만 흐르는 단상유동에 비해 열전달 효율이 증가하여 전기차 충전 케이블의 냉각성능과 충전효율을 높이는 것에 대해 실험적인 연구결과를 보고 하고 있다[3, 4]. 그리고, 수냉식 고전류 충전 케이블의 방열특성을 수치해석을 실시하였고, 해석결과로 케이블의 최대 온도, 외피의 최대 온도, 케이블 단면의 온도 분포 및 냉각수 및 대기로의 방열 비율을 도출하였다[5].

최근의 전기자동차 열관리시스템에 대해서는 많은 연구들이 진행되고 있으나 리튬이온배터리의 열관리에 대한 연구가 많이 이루어지고 있고, 충전케이블의 열관리에 대해서는 특허 위주의 보고가 많고, 학술논문의 테마를 살펴보면 기존 시스템에서 다양한 열매체의 활용 방법, 충전케이블 구조의 개선을 통해 열을 제거하는 논문들이 발표되고 있는 상황으로 분석된다.

본 연구는 고-액 상변화 시 발생하는 잠열을 이용하여 기존의 충전케이블 냉각시스템의 온도를 제어하면 고속 작동 조건에서 충전케이블의 냉각 시스템의 온도 상승을 효과적으로 줄이고 온도 균일성을 향상시키기 위해 상변화물질(Phase Change Matrial, PCM)을 적용하여 열관리시스템의 성능을 높이는 것에 주목하고 있고, 특히 본 논문에서는 열관리시스템에 적용 가능한 PCM을 선정하고 융점, 잠열량, 등의 열물성치 분석하고 추가적으로 선정된 혼합물질의 비열을 측정하여 열적인 기초데이터를 제공하고자 한다.

2. 잠열축열재의 선정

전기자동차의 충전을 위해 필요한 충전케이블에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하기 위해사용 가능한 PCM 중에 유기물 재료 중 지방산 물질을 선정하기 위해 Fig. 1에 10℃∼70℃의 온도에서 융점을 가지는 지방산 계열의 잠열축열재의 융점과 잠열량의 관계를 나타냈다[6].

Fig. 1. Latent heat of melting point in PCMs

지방산 계열의 잠열축열재에 주목한 이유로는 적절한 융점영역, 높은 잠열량, 비독성, 비부식성, 화학적 물리적 안정성, 낮은 가격, 불연성 및 체적변화가 작은 점, 그리고 지방산은 공융 혼합물의 신뢰도가 높기 때문이다[6].

이러한 이유로 인해 본 연구에서는 유기물계의 지방산물질 중 대부분의 충전케이블 냉각유 온도를 65℃ 이하로 유지해야 하기 때문에 냉각시스템에 적용 가능한 온도 영역에서 사용 가능한 물질 중 라우린산(Lauric Acid, LA), 팔미트산(Palmitic Acid), 스테아르산(Stearic Acid, SA)를 선정하였다. 또한, 선정된 물질을 혼합하여 새로운 온도영역에서의 혼합물질을 개발하고자 한다.

본 연구에서 사용한 라우린산(LA, CH₃(CH₂)₁₀COOH), 파미트산(PA, CH₃(CH₂)₁₄COOH)는 Dae jung chemiclas & metals 회사의 각 각 순도 >99%(LA), >95%(PA)의 순물질, 스테아르산(SA, CH₃(CH₂)₁₆ COOH)는 Samchun chemicals 회사의 순도 >95%의 순물질이다. 그리고 Table 1, 2에 LA, PA, SA의 주된 열물성치를 나타냈다.

Table 1. Melting point & latent heat of PCMs

Table 2. Density, specific heat and thermal conductivity of PCMs[10]

3. DSC 측정 및 분석결과

라우린산, 파미트산, 스테아르산 그리고 라우린산-파미트산, 파미트산-스테아르산의 혼합물질의 융점 및 잠열량의 측정에는 시차주사열량측정법(Differential Scanning Calorimeter, DSC)으로 장비는 TA Instrument사의 DSC 250(정밀도; 온도: ±0.008℃, 엔탈피: ±0.08%)를 사용하였다. 측정물질은 5mg을 전자저울로 측정하여 5K/min의 조건으로 20℃∼90℃의 온도구간에서 측정을 실시하였다. 또한, 5회 측정을 통해 평균값을 산출하여 나타내였다. DSC측정결과에서 피크의 양쪽의 최대경사점에서 그은 선의 접선의 교점온도를 융점으로 나타내고 있고, 잠열량은 피크가 한개의 경우에는 기준선과 피크에 둘러싸인 면적으로부터 산출하고 있고, 피크온도가 복수인 경우에는 각 극대점과 기준선을 수직으로 연결한 선을 잠열영역의 경계로 나눈 면적으로 산출하고 있다.

Fig. 2, 3, 4에 나타낸 바와 같이 라우린산은 융점이 43.78℃, 잠열량 188.41kJ/kg, 팔미트산은 융점 62.46℃, 잠열량 213.46kJ/kg, 그리고 스테아르산은 69.49℃에서 232.28kJ/kg의 잠열량을 가지는 데이터를 얻었다. 각 순물질의 분석결과와 표 1에서 나타낸 참고문헌 값과 비교해 최대 3% 미만의 오차율을 보이고 있어 본 연구에서 실시한 DSC 측정결과는 신뢰 가능한 데이터로 판단해 라우린산-팔미트산 혼합물, 팔미트산-스테아린산의 혼합물질에 대한 DSC 분석을 실시하였고 그 결과를 Fig. 5, 6에 각 각 나타내였다. Fig. 5, 6에서는 각 혼합물질이 융점은 동그라미(●)으로 나타내고 잠열량의 경우에는 네모(■)로 나타내고 있다. 두 혼합물질의 융점은 모두 준물질인 라우린산, 팔미트산, 스테아린산보다 융점이 저하되는 것을 DSC 분석 결과로부터 알 수 있다. 이러한 현상은 물질을 혼합한 경우, 물질의 분자배열 사이에 다른 물질이 들어가는 것으로 인해 응고 시에 방해를 받게 되고, 또한 분자사이의 상호작용의 힘이 작아지기 때문에 혼합물질의 융점저하가 일어난다고 보고 되고 있다[11]. 본 실험의 혼합물의 융점저하 또한 같은 이유로 일어났다고 분석된다. 특히 지방산의 융점, 잠열은 탄소사슬의 길이가 증가하면 증가되며 PCM의 사용에 있어 이점이 존재한다. 그리고 지방산의 공융 혼합물은 신뢰도가 높고 특히 2, 3성분 지방산 공융 혼합물은 상변화 온도 범위가 확장될 수 있어 공업적인 용도로 사용되고 있다고 보고되어지고 있다[6].

Fig. 2. DSC analysis result of pure lauric acid

Fig. 3. DSC analysis result of pure palmitic acid

Fig. 4. DSC analysis result of pure stearic acid

Fig. 5. DSC analysis result on latent heats, and melting point of laruric acid mixed with stearic acid

Fig. 6. DSC analysis result on latent heats, and melting point of palmitic acid mixed with stearic acid

Fig. 5의 DSC 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 라우린산의 혼합비율이 90mass%∼70mass%에서는 융점이 1개가 나타나 있고, 50mass%∼30mass%에서는 3개의 융점, 60mass%, 20mass%, 10mass%에서는 2개의 융점을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6의 DSC 결과에서는 팔미트산의 혼합비율이 30mass%, 20mass%에서는 2개의 융점이 나타나 있고 그 나머지 혼합비율에서는 1개의 공융점을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.

이러한 결과로부터 융점이 다양하게 발현되는 라우린산(LA)-스테아린산(SA)의 혼합물질보다는 상대적으로 융점이 안정된 팔미트산(PA)-스테아린산(SA)의 혼합물질에 주목하고 혼합비율 중 융점이 60℃ 이하에서 잠열량 200kJ/kg이상으로 가장 큰 잠열량을 가지는 팔미트산 혼합비율이 50mass%인 혼합물질을 전기자동차 충전케이블의 냉각시스템에 적용 가능한 축열물질로 선정한다. 또한 선정된 팔미트산 50mass%의 DSC 결과를 Fig. 7에 나타내였다. 또한, 선정된 혼합물질의 비열을 측정하여 Fig. 8에 나타내였다. 결과로부터 고체영역(28℃)에서는 1.85 kJ/kg⋅K, 액체영역(65℃)에선는 2.17 kJ/kg⋅K의 비열값을 나탄내는 것을 분석결과를 통해 알 수 있었다. 이 비열값은 순물질인 팔미트산과 스테아린산의 비열값보다는 약간 낮아지는 경향을 보이고 있다(표 2참조). 이러한 이유는 앞서 설명한 융점저하현상과 같은 메터니즘에 의해 도출된 결과로 분석된다.

Fig. 7. DSC analysis result of content palmitic acid 50mass% in PA-SA

Fig. 8. Measured result of specific heat on content palmitic acid 50mass% in PA-SA

4. 결론

전기자동차 충전케이블의 온도 상승을 억제하고 온도 균일성을 향상시키기 위한 전기자동차 충전 케이블용 열관리시스템에 적용 가능한 혼합 상변화물질(PCM)을 선정하고자 실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1. 다양한 유기계 PCM 중에서 지방산계의 라우린산(LA), 팔미트산(PA), 스테아르산(SA)은 적정한 융점, 높은 잠열, 화학적 안정성 및 안전성 등을 바탕으로 후보물질로 선정하였다.

2. 시차주사열량측정법(DSC)을 통해 순물질과 이들의 2성분 혼합물의 융점 및 잠열을 분석한 결과, 팔미트산과 스테아르산을 50 mass% 비율로 혼합한 혼합물이 융점이 60℃ 이하로 안정적이고, 잠열이 200 kJ/kg 이상으로 가장 우수한 특성을 가지고 있는 것을 확인하였다.

3. 선정된 혼합물의 비열은 고체 상태에서 1.85 kJ/kg⋅K, 액체 상태에서 2.17 kJ/kg⋅K로 측정되었으며, 이는 융점저하에 따른 분자 간 상호작용으로 인해 순물질보다 소폭 낮은 수치를 나타내는 것을 알 수 있었다.

이와 같은 결과를 종합할 때, PA–SA (팔미트산 50 mass%) 혼합물은 충전케이블의 열제어 성능을 향상시킬 수 있는 유효한 PCM 후보물질로 판단된다.