수직 이착륙 및 급속 충전 시 eVTOL 항공기는 극심한 배터리 스트레스에 직면합니다. 이러한 작업은 극심한 열을 발생시켜 리튬 이온 배터리를 고장이나 열 폭주 위험에 빠뜨립니다. 효과적인 열 제어가 없으면 배터리 성능 저하가 가속화되고 비행 거리가 줄어들며 안전성에 의문이 제기되는 등 항공 분야에서는 모두 중요한 문제입니다. 액체 냉각은 획기적인 솔루션으로 부상하여 탁월한 열 관리 기능을 제공하고 고성능의 안전하고 인증 가능한 eVTOL 항공기를 위한 길을 열어줍니다.
그렇다면 액체 냉각은 정확히 어떻게 eVTOL의 열 문제를 해결할 수 있을까요? 이 시스템을 지원하기 위해 어떤 기술이 개발되고 있을까요? 아래 섹션에서는 이 필수적인 열 솔루션의 메커니즘, 혁신 및 통합 전략과 이 솔루션이 도심 항공 모빌리티의 성공에 중요한 이유에 대해 살펴봅니다.
eVTOL의 액체 냉각에는 배터리 셀과 직접 접촉하는 엔지니어링 채널을 통해 냉각수를 순환시키는 방식이 사용됩니다. 이 시스템은 이착륙과 같이 스트레스가 높은 단계에서 열을 효율적으로 방출합니다.
냉각수는 셀에 결합된 물결 모양 또는 마이크로 채널 설계를 통해 흐르며 소형 열교환기로 열을 추출합니다. 이러한 시스템은 셀 온도를 최적의 ±3°C 이내로 유지하여 열 손상을 방지합니다.
가장 일반적인 설계는 물-글리콜 혼합물을 사용하며, 표면 접촉과 난류를 증가시켜 열 교환을 개선하는 냉판 또는 뱀 모양 경로를 통해 전달됩니다. Joby Aviation과 같은 일부 eVTOL은 레이저로 용접된 플레이트가 있는 모듈식 팩을 사용하여 열을 고르게 분산시킵니다. 이러한 시스템은 공기 냉각과 비교하여 열 구배를 크게 줄이고 공기 흐름 덕트를 위한 공간을 덜 필요로 하여 공기 역학적 저항을 최소화합니다.(출처)
전기 자동차에는 공기 냉각이 효과적일 수 있지만, 수직이착륙 비행 및 고속 충전 시에는 더욱 강력하고 신속한 열 제거가 필요합니다.
액체 냉각으로 100회 충전 시 용량 감소가 0.8%에 불과하며 2,000회 이상의 충전-방전 주기를 지원하는 배터리 수명을 지원합니다. 또한 리튬 도금의 위험 없이 10분 미만의 빠른 충전이 가능합니다.
공냉식 시스템은 고도가 높거나 장시간 공중 정지할 때 열 관성으로 인해 어려움을 겪습니다. 반면 액체 시스템은 온도 급상승에 빠르게 대응합니다. 또한 외부 온도 변화에 대해 더 나은 단열 기능을 제공하여 다양한 기후에서 더 안정적입니다. Joby의 냉각판 일체형 모듈과 베타 기술' 듀얼 모드 시스템은 이러한 이점을 명확하게 보여줍니다.
배터리 전력과 밀도가 증가함에 따라 엔지니어들은 과도한 무게나 복잡성을 추가하지 않고 액체 냉각을 최적화하기 위해 더욱 발전된 아키텍처를 개발하고 있습니다.
탭 냉각, 2상 냉각, PCM 통합과 같은 기술은 열 성능을 최대 40%까지 향상시키면서 시스템 중량을 30% 이상 줄입니다. 이러한 설계는 열을 원천적으로 차단하고 냉각 용량을 동적으로 조정합니다.
핵융합 연구에서 채택한 Qdot의 탭 냉각 시스템은 집전기를 직접 냉각하여 초고속 충전 시 온도 상승을 5°C 이하로 낮춥니다. 다음과 같은 2상 냉각 인터갤럭틱의 이글5는 마이크로튜브와 상변화 물질을 사용하여 최대 부하에서 열을 흡수하여 펌프 전력을 줄입니다. PCM은 잠열을 흡수하여 갑작스러운 급증을 완충합니다. 이러한 혁신은 예측할 수 없는 열 부하가 있는 임무에 매우 중요합니다.
항공 분야에서는 1그램이 중요합니다. 냉각 시스템은 열 효율과 엄격한 무게 및 공간 제약의 균형을 맞춰야 합니다.
알루미늄 합금, 탄소 섬유 복합재, 3D 프린팅 마이크로 채널 플레이트는 강도나 전도성 저하 없이 무게를 최대 22%까지 줄이면서 eVTOL 냉각 시스템에 혁신을 불러일으키고 있습니다.
200µm 채널의 레이저 소결 냉각판에 대한 NASA 지원 연구는 뛰어난 열 균일성과 내구성을 입증했습니다. 적층 가공은 기존 기계 가공으로는 달성할 수 없는 최적의 흐름을 위한 복잡한 형상을 가능하게 합니다. 또한 이러한 구조는 항공 인증에 필수적인 10,000회 이상의 압력 사이클을 견뎌냅니다. 애드컴포지트와 같은 기업들은 이미 이러한 부품을 상용화하고 있습니다.(출처)
냉각 시스템은 항공 전자 공학, 배터리 관리 및 비행 제어와 원활하게 작동해야 하며, 종종 매우 좁은 공간에서 작동해야 합니다.
BTMS 구성 요소를 항공기 기체에 구조적으로 통합하면 공간과 무게 사용량을 줄이면서 전반적인 시스템 신뢰성과 안전성을 향상시킬 수 있습니다.
최신 BMS 장치에는 실시간 열 모니터링 및 냉각수 흐름 제어 기능이 통합되어 있습니다. 일부 설계는 냉각수 채널을 날개 스파 또는 배터리 하우징에 내장하여 복잡함을 줄이고 열 효율을 개선합니다. 셀이 동체의 일부로 작동하는 구조형 배터리는 향후 유망한 트렌드로 떠오르고 있습니다. 통합은 또한 비상 시나리오에서 중복성과 안전성을 향상시킵니다.
액체 냉각 시스템의 장점에도 불구하고 비용, 복잡성, 규제 등 단점이 없는 것은 아닙니다.
추가 중량(목표 제한: 배터리 무게 20% 미만), 높은 부품 비용, 진동 내구성, 감항성 인증 기준의 부재 등이 문제입니다.
펌프, 라디에이터, 센서는 모두 시스템의 자재 명세서에 추가됩니다. 또한 다른 온보드 시스템과의 복잡한 통합으로 인해 강력한 엔지니어링 및 검증이 필요한 장애 지점이 발생합니다. EASA 및 FAA와 같은 규제 기관은 아직 이러한 시스템에 대한 인증 경로 초안을 작성하고 있어 대량 채택이 늦어지고 있습니다. 또한 혹한기 성능에는 베타 테크놀로지의 북극 시험에서 검증된 예열 기능이 필요합니다.
향후 10년은 더 높은 에너지 밀도와 더 안전한 작동을 목표로 배터리 기술과 열 관리 전략에 큰 변화가 있을 것입니다.
고체 배터리, AI에 최적화된 냉각 레이아웃, 극저온 수소 시스템, 지속 가능한 소재 등 새로운 트렌드는 모두 500Wh/kg 기준을 충족하는 것을 목표로 합니다.
전고체 배터리는 인화성 액체 전해질을 제거하여 냉각 필요성을 줄이면서 에너지 저장량을 늘립니다. 시뮬레이션에서 냉각수 채널 라우팅과 유량을 최적화하는 데 NSGA-II와 같은 AI 알고리즘이 이미 사용되고 있습니다. GKN 항공우주의 극저온 시스템과 보잉의 탄소 섬유 재활용 이니셔티브는 냉각 시스템이 지속 가능성을 향해 어떻게 진화하고 있는지 보여줍니다. 업계 간 협업은 표준과 확장성을 형성하는 데 매우 중요합니다.
액체 냉각은 더 이상 선택이 아닌 필수이며, eVTOL 항공기의 안전하고 안정적인 작동을 위한 필수 요소입니다. 배터리 수명을 연장하고 고속 충전을 가능하게 하는 것부터 수직 비행 중 열 급증을 관리하는 것까지, 이 시스템은 도심 항공 모빌리티에서 가장 시급한 기술 장벽을 해결합니다. 재료 과학, 제조 및 설계 도구가 발전함에 따라 액체 냉각은 차세대 전기 비행의 더 가볍고 스마트하며 통합된 중추로 진화할 것입니다. 혁신가, 투자자, 규제 당국 모두에게 이 중요한 시스템에 대한 이해와 투자는 항공 전기화를 향한 필수적인 단계입니다.
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