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문제 정의
- 본 연구에서는 팬과 공기 흡입구의 위치를 변경하는 방법을 통해 3차원의 모듈화 된 팩을 효과적으로 냉각시키는 방법을 구현하였다.
가설 설정
- 이와 같은 좁은 간격에서 적은 격자수로 신뢰도 있는 공기의 유동을 나타내기 위해 배터리 사이의 요소 해석을 실행하였다. 해석에는 사용된 유체는 26.85℃(300 K)의 공기로 가정하였다. 배터리는 0.
제안 방법
- 내부유동의 지배 방정식은 비압축성 Navier-Stokes equation과 Energy equation을 사용하였으며, 난류해석을 고려하여 realize k-epsilon모델을 사용하였고 알고리즘은 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)를 사용하였다.14) Fig. 2에 나타난 바와 같이 모두 정렬격자를 사용하였으며 요소의 개수는 510,204개이고 해석에 필요한 요소의 최소화를 위해 간격이 좁은 영역과 넓은 영역의 격차는 그레이딩 기법을 사용하여 해석의 신뢰도 향상을 모색하였다. 배터리 팩 냉각의 해석에는 ANSYS ver.
- 본 연구에서는 신뢰도 있는 해석을 위해 배터리 사이의 공간에 필요한 최소 격자의 간격을 확인하였고, 공기가 모듈의 후면과 측면에서 유입되는 형태(case 1), 모듈의 상부에서 유입되는 형태(case 2) 그리고 모듈의 하부에 유입되는 형태(case 3) 로 나누어 배터리 모듈의 냉각 해석을 진행하였다.
- 하이브리드 자동차 및 기타 구조에서 불가피하게 모듈의 특정 면에 한정하여 공기흡입구를 설치해야 할 경우를 가정하여 세 가지 경우의 해석을 진행했다. 공기가 모듈의 후면 및 측면에서 유입되는 경우(case 1), 모듈의 상부에서 유입되는 경우(case 2) 그리고 모듈의 하부에서 유입되는 경우(case 3)로 나누어 진행하였다.
- 공기가 모듈의 후면 및 측면에서 유입되는 경우에는 다시 4가지 경우로 나누어 해석을 진행하였다. 모듈의 후면에서만 들어가는 경우를 case 1-1로 표기하였고, 모듈의 후면뿐만 아니라 좌, 우측에 각각 1, 3, 5개씩 흡입구가 추가 된 경우를 case 1-2, 3, 4로 표기하였다.
- 00℃)를 보였다. 그러나 배터리간의 온도차가 6.47℃로 case 1-2~4와 비교시 다소 높았으며, 이와 같은 배터리 간 온도차를 개선하고자 case 2-2는 case 2-1에서 높은 온도를 보인 2번과 9번 배터리의 상부에 공기 흡입구를 설치하여 해석을 진행하였다. 최고온도는 44.
- 따라서, 유입되는 공기가 배터리 벽면을 타고 올라오면서 빠른 속도로 열의 교환이 이루어지고 뜨거워진 유체가 팬에 의해 모듈로 구성된 팩 밖으로 배출되는 것을 확인하였다. 그러나 팬이 한개가 적용된 경우에 수평 단면의 경우 유체의 거동이 모두 팬의 방향으로 배출되는 반면, 수직 단면의 유속 분포는 대칭적인 형태로 나타나는 현상을 규명하기 위하여, 유속의 벡터(vector)와 유적선(pathline)을 분석하였으며 Fig. 11에 나타내었다. 벡터의 방향으로 미루어 볼 때, 배터리 아래의 공기 흡입구에서 빠른 속도(~6.
- 그 결과, 배터리 사이의 공간에는 최소 3개 이상 나누어진 격자가 요구 되었다. 냉각 효과는 모듈의 최고 온도 및 모듈을 구성하는 배터리간 온도 편차와 유동해석을 바탕으로 결과를 분석하였다. 공기가 모듈의 하부에 유입되는 경우, 모듈의 후면에서 유입되는 경우에 비해 최고 온도는 48.
- 두 배터리 사이의 유동은 냉각에 영향을 미치는 요소 중 하나이므로 배터리의 최고온도 분포를 바탕으로 신뢰도 있는 격자의 구조를 판단하였다. Fig.
- 13) 이 열전도 이론을 사용하면 배터리의 형상이 모든 방향으로 동일한 길이를 가진 형태가 아니므로 방향에 따라 다른 열전도도를 갖는다. 따라서 실제 해석에서는 x, y, 및 z 방향으로 모두 다른 물성을 갖는 직교이방성 모델을 적용하였고 각 방향에 따른 열전도도를 Table 1에 나타내었다. Fig.
- 7 mm2이고, 팬은 냉각의 효율을 높이기 위해 모듈의 전면과 후면에 총 두 개가 적용되었다. 모듈의 하부에서 유입되는 경우, 팬을 두 개 적용했을 경우(case 3-1)와 팬을 한 개 적용한 경우(case 3-2)로 나누어 해석을 진행하였다. 두 경우 모두 공기흡입구는 배터리 사이에 2.
- 191 m3의 시스템에서 일정 유속의 공기로 냉각을 유도하여 배터리 사이의 유동을 확인하였고, 유동에 따른 유속의 벡터 분포와 최고온도 분포를 바탕으로 본 연구에 사용할 배터리 사이의 최소 격자수를 설정하였다. 배터리 사이는 한 칸부터 다섯 칸까지 나누어 해석을 진행하였다.
- 배터리는 0.3 × 0.156 × 0.191 m3의 시스템에서 일정 유속의 공기로 냉각을 유도하여 배터리 사이의 유동을 확인하였고, 유동에 따른 유속의 벡터 분포와 최고온도 분포를 바탕으로 본 연구에 사용할 배터리 사이의 최소 격자수를 설정하였다.
- 본 연구에서는 하이브리드 승용차에 에너지 보조원으로 쓰이는 10개의 니켈메탈하이드라이드로 이루어진 배터리 모듈을 하나의 팩으로 하여 전산모사를 진행하였다.
- 유속의 벡터 분포와 온도 편차를 분석한 결과, 배터리 사이에 최소한 3개 이상의 격자 구조가 삽입 되었을 경우, 신뢰도 있는 해석이 가능한 것으로 판단된다. 이러한 결과를 바탕으로 좁은 공간의 격자를 구성하였고, 모듈의 냉각에 대한 해석을 진행하였다.
- 6 mm로 동일하게 구성하였다. 이와 같은 좁은 간격에서 적은 격자수로 신뢰도 있는 공기의 유동을 나타내기 위해 배터리 사이의 요소 해석을 실행하였다. 해석에는 사용된 유체는 26.
- 38℃를 보였다. 이와 같은 현상을 개선하기 위하여, 모듈의 측면에 공기흡입구를 설치하여 해석을 진행하였다. 먼저 모듈의 좌우측면에 공기흡입구를 각각 한 개씩 설치한 경우(case 1-2), 공기흡입구에 근접한 5번과 6번 배터리가 약 6℃정도 감소하여 냉각의 효과가 가장 컸다.
- 46℃의 온도편차 감소가 있었다. 최고온도를 보인 8번과 45.51℃의 3번 배터리의 냉각을 위해 배터리의 바로 뒤쪽에서 공기가 유입되도록 공기흡입구를 설치하였다. 해석결과, 0.
- 최소의 격자로 신뢰도 있는 해석을 얻기 위해 두 배터리 사이의 격자를 나누었고, 유속분포와 최고온도를 관찰하였다. Fig.
- 70℃로 감소하여 case 2-1에 비해 온도분포가 크게 개선된 결과를 보였다. 측면 공기흡입구 삽입의 경우와 비슷한 맥락으로 case 2-3은 모든 배터리의 상부에 공기흡입구를 설치(case 2-3)하여 냉각 해석을 수행하였다. 해석 결과, 공기가 상부에서 유입된 경우 중 가장 적은 온도 편차(0.
- 하이브리드 자동차 및 기타 구조에서 불가피하게 모듈의 특정 면에 한정하여 공기흡입구를 설치해야 할 경우를 가정하여 세 가지 경우의 해석을 진행했다. 공기가 모듈의 후면 및 측면에서 유입되는 경우(case 1), 모듈의 상부에서 유입되는 경우(case 2) 그리고 모듈의 하부에서 유입되는 경우(case 3)로 나누어 진행하였다.
- 전해질로 수산화칼륨(KOH)이 사용되었고, 방전시 부반응으로 생성되는 수소 또한 해석에 고려하였다. 효과적인 시뮬레이션을 위해 각 배터리를 구성하고 있는 물질을 단순화 하였고 단순화 된 구조를 Fig. 1에 나타내었다. 그러나 이러한 단순화는 실제 배터리의 열 흐름 거동과 다른 모습을 보일 수 있다.
대상 데이터
- 배터리 사이의 격자 신뢰도 평가에는 Fig. 1에 표시한 단위 전지 두 개를 사용하였고, 두 배터리의 간격은 실제 모듈에서의 간격인 2.6 mm로 동일하게 구성하였다. 이와 같은 좁은 간격에서 적은 격자수로 신뢰도 있는 공기의 유동을 나타내기 위해 배터리 사이의 요소 해석을 실행하였다.
- 2에 나타낸 바와 같다. 배터리는 총 10개가 적용되었고, 순서대로 넘버링(1~10)을 하였다. 배터리 모듈의 냉각에 필요한 팬은 상용 축류 팬을 적용했으며 모듈을 감싸고 있는 배터리 하우징 팩에는 경우에 따라 1개 또는 2개가 적용되었다.
- 본 연구에 적용된 Ni-MH 배터리는 100 Ah 급이고, 폴리페닐렌옥사이드(PPO)로 제작된 케이스에 니켈 전극과 메탈하이드라이드 전극이 폴리프로필렌(PP)으로 제작된 분리막을 경계로 여러 차례 적층되어있는 구조이이다. 전해질로 수산화칼륨(KOH)이 사용되었고, 방전시 부반응으로 생성되는 수소 또한 해석에 고려하였다.
- 본 연구에 적용된 Ni-MH 배터리는 100 Ah 급이고, 폴리페닐렌옥사이드(PPO)로 제작된 케이스에 니켈 전극과 메탈하이드라이드 전극이 폴리프로필렌(PP)으로 제작된 분리막을 경계로 여러 차례 적층되어있는 구조이이다. 전해질로 수산화칼륨(KOH)이 사용되었고, 방전시 부반응으로 생성되는 수소 또한 해석에 고려하였다. 효과적인 시뮬레이션을 위해 각 배터리를 구성하고 있는 물질을 단순화 하였고 단순화 된 구조를 Fig.
- 하우징 팩의 크기는 450 × 166 × 156 mm3이다.
데이터처리
- 2에 나타난 바와 같이 모두 정렬격자를 사용하였으며 요소의 개수는 510,204개이고 해석에 필요한 요소의 최소화를 위해 간격이 좁은 영역과 넓은 영역의 격차는 그레이딩 기법을 사용하여 해석의 신뢰도 향상을 모색하였다. 배터리 팩 냉각의 해석에는 ANSYS ver. 13.0의 Fluent을 사용하였다.
이론/모형
- 그러나 이러한 단순화는 실제 배터리의 열 흐름 거동과 다른 모습을 보일 수 있다. 그러므로 실제와 유사한 현상규명을 위해 구조는 단순화 하면서, 열성분과 관련된 물성은 유지하기 위하여 전기저항 등가식을 이용한 열전도 이론을 사용하였다.13) 이 열전도 이론을 사용하면 배터리의 형상이 모든 방향으로 동일한 길이를 가진 형태가 아니므로 방향에 따라 다른 열전도도를 갖는다.
- 하우징 팩의 크기는 450 × 166 × 156 mm3이다. 내부유동의 지배 방정식은 비압축성 Navier-Stokes equation과 Energy equation을 사용하였으며, 난류해석을 고려하여 realize k-epsilon모델을 사용하였고 알고리즘은 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)를 사용하였다.14) Fig.
성능/효과
- 는 배터리 내부의 줄효과(Joule effect)를 나타낸다. 계산 결과 각 극주에 적용되는 발열량은 각각 53455 W/m3이며, 이 때 방전률은 10 C rate 이고 5분 동안 방전하는 가혹조건이다.
- 90℃)를 보였다. 공기 흡입구 쪽에 위치한 배터리부터 유입된 공기가 점차 가열되어 팬에 가까워질수록 냉각 효과가 떨어지는 결과가 나타났다. 이 경우, 모듈에서 최고온도는 48.
- 63℃로 나타났다. 두 경우 모두 좁은 공기유입구에서 빠른 속도로 올라온 유체에 의해 빠른 열교환이 일어났으며, 팬이 1개만 적용된 경우에도 배터리 상부에 형성된 와류에 의해 팬이 2개 적용된 경우와 비교적 적은 적은 차이의 최고온도와 온도편차를 형성하는 것을 확인하였다.
- 10에 나타난 바와 같이 근소하게 다른 양상을 보였지만 두 경우 모두 배터리 사이의 공간으로 공기가 빠르게 유입되는 형태를 보였다. 따라서, 유입되는 공기가 배터리 벽면을 타고 올라오면서 빠른 속도로 열의 교환이 이루어지고 뜨거워진 유체가 팬에 의해 모듈로 구성된 팩 밖으로 배출되는 것을 확인하였다. 그러나 팬이 한개가 적용된 경우에 수평 단면의 경우 유체의 거동이 모두 팬의 방향으로 배출되는 반면, 수직 단면의 유속 분포는 대칭적인 형태로 나타나는 현상을 규명하기 위하여, 유속의 벡터(vector)와 유적선(pathline)을 분석하였으며 Fig.
- 이와 같은 현상을 개선하기 위하여, 모듈의 측면에 공기흡입구를 설치하여 해석을 진행하였다. 먼저 모듈의 좌우측면에 공기흡입구를 각각 한 개씩 설치한 경우(case 1-2), 공기흡입구에 근접한 5번과 6번 배터리가 약 6℃정도 감소하여 냉각의 효과가 가장 컸다. 45.
- n = 2인 경우에는 다른 경우와 온도 편차가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 유속의 벡터 분포와 온도 편차를 분석한 결과, 배터리 사이에 최소한 3개 이상의 격자 구조가 삽입 되었을 경우, 신뢰도 있는 해석이 가능한 것으로 판단된다. 이러한 결과를 바탕으로 좁은 공간의 격자를 구성하였고, 모듈의 냉각에 대한 해석을 진행하였다.
- 47℃로 case 1-2~4와 비교시 다소 높았으며, 이와 같은 배터리 간 온도차를 개선하고자 case 2-2는 case 2-1에서 높은 온도를 보인 2번과 9번 배터리의 상부에 공기 흡입구를 설치하여 해석을 진행하였다. 최고온도는 44.47℃에서 40.70℃로 3.77℃ 감소되었고, 온도 편차가 6.47℃에서 1.70℃로 감소하여 case 2-1에 비해 온도분포가 크게 개선된 결과를 보였다. 측면 공기흡입구 삽입의 경우와 비슷한 맥락으로 case 2-3은 모든 배터리의 상부에 공기흡입구를 설치(case 2-3)하여 냉각 해석을 수행하였다.
- 8℃ 감소하였다. 측면의 공기흡입구를 등간격으로 5개를 배치한 경우(case 1-4), 최고온도는 측면에 공기흡입구가 3개인 경우보다 0.46℃ 상승한 46.02℃를 보였으며, 온도 편차도 0.88℃ 상승하였다. 온도 편차가 커진 이유는 10번 배터리가 3면에서 공기의 유입을 받아 다른 배터리에 비해 냉각이 많이 된 것으로 판단된다.
- 측면 공기흡입구 삽입의 경우와 비슷한 맥락으로 case 2-3은 모든 배터리의 상부에 공기흡입구를 설치(case 2-3)하여 냉각 해석을 수행하였다. 해석 결과, 공기가 상부에서 유입된 경우 중 가장 적은 온도 편차(0.73℃)를 보였으나 최고온도는 case 2-2의 최고온도(40.70℃) 보다 1.94℃ 높은 42.64℃를 보였다. 이는 Fig.
- 51℃의 3번 배터리의 냉각을 위해 배터리의 바로 뒤쪽에서 공기가 유입되도록 공기흡입구를 설치하였다. 해석결과, 0.38℃의 최고온도 감소가 있었고, 온도 편차도 0.8℃ 감소하였다. 측면의 공기흡입구를 등간격으로 5개를 배치한 경우(case 1-4), 최고온도는 측면에 공기흡입구가 3개인 경우보다 0.
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