최근 전기자동차의 동력원으로 사용되는 리튬-이온 배터리의 경우 우수한 성능과 내구성의 확보를 위해서는 적정 온도 하에서의 안정적인 배터리 작동을 가능하게 하는 유용한 배터리 열관리가 핵심적인 사항으로 인식되고 있다. 이를 위해서는 다양한 배터리 작동 조건에서 배터리의 온도 분포를 정확히 이해하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 상용 전산유체역학(CFD) 코드인 Fire M을 적용하여 ...
최근 전기자동차의 동력원으로 사용되는 리튬-이온 배터리의 경우 우수한 성능과 내구성의 확보를 위해서는 적정 온도 하에서의 안정적인 배터리 작동을 가능하게 하는 유용한 배터리 열관리가 핵심적인 사항으로 인식되고 있다. 이를 위해서는 다양한 배터리 작동 조건에서 배터리의 온도 분포를 정확히 이해하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 상용 전산유체역학(CFD) 코드인 Fire M을 적용하여 공랭식 원통형 리튬-이온 배터리로 구성된 배터리 팩 시스템에 대한 복합 열해석을 진행하였다. CFD를 적용한 배터리 냉각 열해석에서 주요한 사항은 배터리의 정확한 발열량 산정과 더불어 배터리 팩의 배터리 표면을 통해 방출되는 열유속이 배터리 팩에서 냉각 공기에 의해 어떤 공간적 분포를 나타내는가를 파악하는 것이다. 본 논문에서는 배터리 냉각 성능 평가를 위한 해석의 신뢰도를 높이기 위하여 배터리 내 열전달(전도)과 배터리 팩의 냉각 공기의 유동(대류)을 모두 고려한 복합 열해석을 통해 배터리 열유속의 공간적 분포를 파악하였다. 첫째로 전기-열적(Electro-thermal) 모델을 이용하여 배터리의 발열량을 산출하고 이를 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 둘째로 배터리 발열량을 배터리 표면에 열유속 경계조건을 지정하여 배터리 온도 분포를 분석한 기존 방식과 배터리 반응층에 열유속 경계조건을 지정하여 진행한 복합 열해석 방식을 비교하였다. 동일한 열유속 조건에서 복합 열해석의 경우 배터리 배열에 따른 배터리 반경 방향의 열유속 분포를 효과적으로 파악할 수 있었다. 이러한 복합 열해석 방식의 적용을 통해 기존 열해석 방식과 비교할 때 배터리 팩 내 온도 분포 실험 결과와 더 부합되는 결과를 얻었다. 이를 통해 복합 열해석 방식이 방전 과정 중 배터리의 온도 분포를 보다 정확하게 예측할 수 있는 유용한 방안을 제공함을 알 수 있었다. 또한 본 연구에서 적용된 복합 열해석을 통한 배터리 팩의 온도 분포 파악 방법은 개선된 배터리 열관리 시스템 구축에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
최근 전기자동차의 동력원으로 사용되는 리튬-이온 배터리의 경우 우수한 성능과 내구성의 확보를 위해서는 적정 온도 하에서의 안정적인 배터리 작동을 가능하게 하는 유용한 배터리 열관리가 핵심적인 사항으로 인식되고 있다. 이를 위해서는 다양한 배터리 작동 조건에서 배터리의 온도 분포를 정확히 이해하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 상용 전산유체역학(CFD) 코드인 Fire M을 적용하여 공랭식 원통형 리튬-이온 배터리로 구성된 배터리 팩 시스템에 대한 복합 열해석을 진행하였다. CFD를 적용한 배터리 냉각 열해석에서 주요한 사항은 배터리의 정확한 발열량 산정과 더불어 배터리 팩의 배터리 표면을 통해 방출되는 열유속이 배터리 팩에서 냉각 공기에 의해 어떤 공간적 분포를 나타내는가를 파악하는 것이다. 본 논문에서는 배터리 냉각 성능 평가를 위한 해석의 신뢰도를 높이기 위하여 배터리 내 열전달(전도)과 배터리 팩의 냉각 공기의 유동(대류)을 모두 고려한 복합 열해석을 통해 배터리 열유속의 공간적 분포를 파악하였다. 첫째로 전기-열적(Electro-thermal) 모델을 이용하여 배터리의 발열량을 산출하고 이를 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 둘째로 배터리 발열량을 배터리 표면에 열유속 경계조건을 지정하여 배터리 온도 분포를 분석한 기존 방식과 배터리 반응층에 열유속 경계조건을 지정하여 진행한 복합 열해석 방식을 비교하였다. 동일한 열유속 조건에서 복합 열해석의 경우 배터리 배열에 따른 배터리 반경 방향의 열유속 분포를 효과적으로 파악할 수 있었다. 이러한 복합 열해석 방식의 적용을 통해 기존 열해석 방식과 비교할 때 배터리 팩 내 온도 분포 실험 결과와 더 부합되는 결과를 얻었다. 이를 통해 복합 열해석 방식이 방전 과정 중 배터리의 온도 분포를 보다 정확하게 예측할 수 있는 유용한 방안을 제공함을 알 수 있었다. 또한 본 연구에서 적용된 복합 열해석을 통한 배터리 팩의 온도 분포 파악 방법은 개선된 배터리 열관리 시스템 구축에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
For lithium-ion batteries used as power sources for electric vehicles recently, a robust battery thermal management that can enable a stable operation of battery at an appropriate temperature is recognized as a key issue for ensuring excellent performance and durability. For this purpose, it is ...
For lithium-ion batteries used as power sources for electric vehicles recently, a robust battery thermal management that can enable a stable operation of battery at an appropriate temperature is recognized as a key issue for ensuring excellent performance and durability. For this purpose, it is important to accurately understand the temperature distribution of the batteries under various operating conditions. In this study, a conjugate thermal analysis of the air-cooled battery pack system consisting of cylindrical lithium-ion batteries was carried out by using Fire M, a commercial computational fluid dynamics (CFD) code. In the battery cooling thermal analysis, two important things are to accurately calculate the calorific value of the battery and to estimating the spatial distribution of the heat flux through the battery surface by the cooling air in the battery pack. In this paper, to increase the reliability of the result for battery cooling performance evaluation, the spatial distribution of the battery heat flux was investigated through a conjugate thermal analysis that can consider both heat transfer (conduction) in the battery and the cooling (convection) by air in the battery pack. First, the calorific value of the battery was obtained using an electro-thermal model and it was compared with experimental results. Second, the conventional method of analyzing the temperature distribution of battery pack by imposing heat flux boundary condition on the battery surface was compared with the conjugate method performed by imposing the heat flux boundary condition on the battery reaction layer. In the case of conjugate thermal analysis under the same heat flux condition, it was possible to effectively evaluate the heat flux distribution in the radial direction of battery according to cell arrangement. Results obtained from the conjugate thermal analysis were well matched with those from the battery cooling experiment when compared with the conventional thermal analysis. Through this, it is found that the conjugate thermal analysis provides a useful way to predict the temperature distribution of the Li-ion batteries reasonably during discharge process. It is also considered that the method of investigating the temperature distribution of the battery pack through the conjugate thermal analysis can contribute to the construction of improved battery thermal management system.
For lithium-ion batteries used as power sources for electric vehicles recently, a robust battery thermal management that can enable a stable operation of battery at an appropriate temperature is recognized as a key issue for ensuring excellent performance and durability. For this purpose, it is important to accurately understand the temperature distribution of the batteries under various operating conditions. In this study, a conjugate thermal analysis of the air-cooled battery pack system consisting of cylindrical lithium-ion batteries was carried out by using Fire M, a commercial computational fluid dynamics (CFD) code. In the battery cooling thermal analysis, two important things are to accurately calculate the calorific value of the battery and to estimating the spatial distribution of the heat flux through the battery surface by the cooling air in the battery pack. In this paper, to increase the reliability of the result for battery cooling performance evaluation, the spatial distribution of the battery heat flux was investigated through a conjugate thermal analysis that can consider both heat transfer (conduction) in the battery and the cooling (convection) by air in the battery pack. First, the calorific value of the battery was obtained using an electro-thermal model and it was compared with experimental results. Second, the conventional method of analyzing the temperature distribution of battery pack by imposing heat flux boundary condition on the battery surface was compared with the conjugate method performed by imposing the heat flux boundary condition on the battery reaction layer. In the case of conjugate thermal analysis under the same heat flux condition, it was possible to effectively evaluate the heat flux distribution in the radial direction of battery according to cell arrangement. Results obtained from the conjugate thermal analysis were well matched with those from the battery cooling experiment when compared with the conventional thermal analysis. Through this, it is found that the conjugate thermal analysis provides a useful way to predict the temperature distribution of the Li-ion batteries reasonably during discharge process. It is also considered that the method of investigating the temperature distribution of the battery pack through the conjugate thermal analysis can contribute to the construction of improved battery thermal management system.
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