전기차 배터리 팩은 충전과 방전 과정에서 열이 발생한다. 배터리 온도가 지나치게 높아지면 성능 저하와 열화가 빨라질 수 있으며, 셀마다 온도 차이가 커지는 현상도 배터리 관리에 부담을 준다. 이러한 문제를 줄이기 위해 사용되는 대표적인 기술이 액체 냉각 방식과 배터리 냉각판(Cold Plate)이다.
하지만 냉각판을 설치하고 냉각수를 순환시킨다고 해서 모든 배터리 셀이 동일하게 냉각되는 것은 아니다. 냉각판 내부의 유로 구조와 냉각수 분배 상태에 따라 일부 영역에는 냉각수가 충분히 흐르고, 다른 영역에는 상대적으로 적은 양이 공급될 수 있다. 이처럼 냉각수 유량이 고르게 분배되지 않는 현상을 **유량 분배 불균형(Flow Maldistribution)**이라고 한다.
1. 배터리 냉각판의 유로 설계가 중요한 이유
배터리 냉각판은 일반적으로 알루미늄과 같은 열전도성이 높은 소재로 제작되며, 내부에는 냉각수가 이동하는 통로가 형성된다. 배터리 셀에서 발생한 열은 냉각판으로 전달되고, 냉각수는 이 열을 흡수해 외부 열교환 장치로 이동한다.
이 과정에서 중요한 요소는 냉각수의 양뿐 아니라 냉각수가 어느 위치로 얼마나 균일하게 흐르는지다.
예를 들어 여러 개의 평행 유로가 있는 냉각판에서 입구와 가까운 통로로 냉각수가 집중되면, 다른 통로에는 상대적으로 적은 유량이 공급될 수 있다. 유량이 부족한 구간에서는 열을 충분히 제거하지 못해 해당 위치의 배터리 온도가 높아질 가능성이 있다.
따라서 냉각판 설계에서는 평균 온도만 확인해서는 부족하다. 셀 사이의 최고 온도 차이와 유로별 유량 편차, 압력 손실까지 함께 분석해야 한다.
2. 대표적인 냉각판 유로 구조 비교
냉각판 내부에는 여러 가지 형태의 유로가 적용된다. 대표적인 구조는 직렬형 사행 유로, 병렬 유로, 분배 매니폴드형 유로다.
| 유로 구조 | 특징 | 장점 | 설계상 주의점 |
|---|---|---|---|
| 사행형(Serpentine) | 하나의 통로가 굽이치며 연결 | 유량 경로가 명확하고 비교적 균일한 냉각 설계 가능 | 긴 유로에서 압력 손실 증가 가능 |
| 병렬형(Parallel) | 여러 통로로 냉각수를 분배 | 유로 길이를 줄이고 구조를 단순화하기 쉬움 | 통로별 유량 불균형 발생 가능 |
| 매니폴드형(Manifold) | 분배 통로를 통해 여러 유로에 공급 | 입구와 출구의 유량 분배를 조정할 수 있음 | 매니폴드 형상과 분기 저항 최적화 필요 |
사행형은 냉각수가 정해진 경로를 따라 이동한다는 특징이 있다. 다만 유로가 길어질수록 압력 손실이 커질 수 있으므로 냉각 성능과 펌프 소비전력을 함께 고려해야 한다.
병렬형은 여러 통로를 통해 냉각수를 분산시킬 수 있지만, 각 통로의 길이와 단면적, 입구와 출구의 압력 조건이 다르면 유량이 균일하게 나뉘지 않을 수 있다.
매니폴드형은 냉각수를 여러 통로로 나누는 분배부의 형상을 조절해 유량 편차를 줄이는 방식이다. 최근 연구에서도 분배 매니폴드와 유로 형상을 함께 최적화하는 접근이 주목받고 있다.
3. 냉각수 분배 불균형은 어떻게 온도 편차를 만드는가?
유량 분배 불균형은 냉각판 내부의 열전달 차이로 이어질 수 있다.
첫째, 냉각수 유량이 적은 통로에서는 단위 시간에 이동하는 냉각수의 양이 줄어든다. 이로 인해 배터리에서 발생한 열을 충분히 흡수하지 못하는 구간이 생길 수 있다.
둘째, 유로별 냉각수 온도 상승 정도가 달라진다. 냉각수가 이동하면서 열을 흡수하기 때문에 출구에 가까운 영역에서는 입구 쪽보다 냉각수 온도가 높아질 수 있다. 유로 배치와 배터리의 발열 분포가 적절하게 고려되지 않으면 특정 셀에 열이 집중될 가능성이 있다.
셋째, 배터리 셀 사이의 온도 차이가 커질 수 있다. 셀마다 온도 조건이 달라지면 충전과 방전 과정에서 전기화학적 반응과 열화 속도에도 차이가 발생할 수 있다.
따라서 냉각판의 목표는 단순히 냉각수 온도를 낮추는 것이 아니다. 배터리 팩 전체에서 열이 고르게 제거되도록 유량과 열전달을 함께 설계하는 것이 중요하다.
4. 유량 편차를 줄이는 주요 설계 방법
① 매니폴드 형상 최적화
냉각수가 각 유로로 진입하기 전 분배되는 공간의 폭과 높이, 입구 위치를 조정한다. 분배부에서 압력 차이가 지나치게 발생하지 않도록 설계하면 특정 통로로 유량이 집중되는 현상을 줄이는 데 도움이 된다.
② 유로 단면적과 길이 조정
유로의 폭과 높이, 굴곡 횟수는 유동 저항에 영향을 준다. 통로별 저항이 지나치게 다르면 유량 분배가 불균일해질 수 있으므로 유로 단면과 길이를 함께 검토해야 한다.
③ 유입구와 배출구 위치 변경
냉각수 입구와 출구의 위치에 따라 냉각수가 이동하는 방향과 온도 분포가 달라진다. 배터리의 발열이 집중되는 위치를 고려해 유입 방향과 유로 배치를 결정하는 것이 중요하다.
④ CFD 시뮬레이션 활용
전산유체역학(CFD)은 냉각판 내부의 유속, 압력, 온도 분포를 예측하는 데 활용된다. 설계 단계에서 유로별 유량과 압력 손실을 비교하면 실제 시제품 제작 전에 문제 구간을 파악하는 데 도움이 된다.
5. 냉각판 성능을 평가할 때 확인해야 할 지표
| 평가 항목 | 의미 | 확인 목적 |
|---|---|---|
| 최대 배터리 온도 | 가장 높은 셀 또는 측정 지점의 온도 | 국부적인 과열 가능성 확인 |
| 온도 편차(ΔT) | 최고 온도와 최저 온도의 차이 | 셀 사이의 온도 균일성 평가 |
| 유량 편차 | 유로별 냉각수 공급량의 차이 | 냉각수 분배 상태 확인 |
| 압력 강하 | 냉각판 입구와 출구 사이의 압력 차이 | 펌프 부하와 유동 저항 평가 |
| 펌프 소비전력 | 냉각수 순환에 필요한 전력 | 시스템 에너지 효율 평가 |
특히 온도 편차와 압력 강하는 함께 확인해야 한다. 냉각수 유량을 무조건 높이면 열 제거 성능이 좋아질 수 있지만, 펌프가 사용하는 전력도 증가할 수 있기 때문이다.
6. 연구 사례로 살펴보는 유로 설계의 효과
2019년 학술지 Applied Sciences에 발표된 연구는 전기차 배터리 냉각판의 공동형, 병렬형, 사행형 유로를 비교했다. 연구에서는 유로 형상에 따라 냉각수 질량 분배와 압력 강하가 달라질 수 있음을 분석했으며, 사행형 유로의 구조적 장점과 압력 손실을 함께 고려한 최적화 필요성을 제시했다.
또한 2025년 Scientific Reports에 발표된 연구에서는 사행형 냉각판의 유로 깊이와 폭, 냉각수 유량을 변수로 설정하고 열성능을 분석했다. 이는 냉각판의 성능이 단순히 유량만으로 결정되는 것이 아니라 유로의 기하학적 구조와 운전 조건이 함께 작용한다는 점을 보여준다.
이러한 연구 결과를 실제 차량에 그대로 적용할 수 있는 것은 아니다. 배터리 셀의 형태와 배열, 발열량, 냉각수 종류, 펌프 성능에 따라 최적 설계는 달라진다. 따라서 시뮬레이션 결과뿐 아니라 실제 냉각판 시험과 배터리 팩 단위의 검증이 필요하다.
7. 전기차 배터리 냉각판 설계의 향후 과제
앞으로의 냉각판 설계는 최고 냉각 성능만 추구하기보다 온도 균일성, 압력 손실, 무게, 제조 비용을 동시에 고려하는 방향으로 발전할 가능성이 높다.
특히 배터리 팩의 에너지 밀도가 높아지고 충전 속도가 빨라질수록 특정 영역에 열이 집중되는 문제를 정밀하게 관리해야 한다. 이를 위해 유로 내부에 분배 구조를 적용하거나 냉각수 흐름을 최적화하는 연구가 이어지고 있다.
결국 우수한 배터리 냉각판은 냉각수를 많이 흘려보내는 구조가 아니라, 필요한 위치에 적절한 유량을 공급하면서 불필요한 압력 손실을 줄이는 구조라고 할 수 있다.
결론적으로 냉각수 분배 불균형은 배터리 팩의 온도 편차를 키울 수 있는 중요한 설계 변수다. 유로 형상과 매니폴드 구조, 냉각수 유량, 압력 강하를 함께 분석해야 배터리 전체의 열관리 성능을 높일 수 있다. 전기차 배터리의 안전성과 수명을 고려한다면 냉각판 내부 유로 설계는 앞으로도 중요한 기술 과제가 될 것이다.
참고문헌 및 출처
- Zhang et al., Mass Maldistribution Research of Different Internal Flowing Channels in the Cooling Plate Applied to Electric Vehicle Batteries, Applied Sciences, 2019.
https://www.mdpi.com/2076-3417/9/4/636 - Niu et al., Orthogonal experimental-based thermal management design and simulation optimization of a liquid-cooled battery module, Scientific Reports, 2025.
https://www.nature.com/articles/s41598-025-19098-0 - Su et al., Multi-objective design optimization of battery thermal management system for electric vehicles, Applied Thermal Engineering, 2021.
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117235 - Siricharoenpanich et al., Influence of coolant inlet position and flow direction on the thermal performance of an electric vehicle battery pack, Thermal Science and Engineering Progress, 2026.
https://doi.org/10.1016/j.tsep.2026.104772
※ 본 글은 공개된 학술 연구를 바탕으로 기술 원리를 정리한 정보성 콘텐츠이며, 특정 차량이나 배터리 제품의 성능을 보증하는 자료는 아닙니다.