[논문]전기자동차용 배터리 팩 주위의 유동장 해석

김현수; 한병윤; 박형구

doi:10.6112/kscfe.2011.16.3.082

전기자동차용 배터리 팩 주위의 유동장 해석
FLOW ANALYSES AROUND THE BATTERY PACK FOR A NEV 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.16 no.3 = no.54, 2011년, pp.82 - 87

김현수 (전남대학교 대학원 기계공학과) , 한병윤 (전남대학교 대학원 기계공학과) , 박형구 (전남대학교 기계시스템 공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The battery pack, a main component of NEV(Neighborhood Electric Vehicle), needs cooling system when it is charging or discharging to prevent the degradation of the battery charging efficiency. The purpose of this study is to analyse the effects of cooling methods, changing positions of inlet and outlet and changing area ratios of inlet and outlet. It has been observed that in the point of uniform cooling, suction from the exit side is more efficient than blowing from the inlet. And there is a suitable inlet/outlet area ratio in maximizing the mass flow rate. A commercial code, STAR-CCM+(ver. 4.02), was used for the numerical study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 현재 개발 중인 저속전기차(NEV)에 탑재를 목적으로 설계된 Ni-MH 배터리를 대상으로 수행되었으며, 배터리 팩에서 단일 배터리 내 고 전류 충·방전에서 극주 부분의 발열 집중을 가정하였다. 연구 목적은 동일 극주 부분의 발열 집중 배터리에 대하여 효과적인 유로 설계의 영향을 파악하여 기초자료로 활용하고자 한다. 차량 구조상 배터리 팩 장착 위치의 제한에 의해 차량 바닥에 장착되며, 더불어 방수 및 방진 조건 충족되어야하므로, 외부환경에의 노출이 적어야한다.
이 연구는 상용코드인 STAR-CCM+ Version 4.02를 이용하여 현재 개발 중인 Ni-MH 배터리 팩에 대하여 입구면적변화와 입구위치에 따른 유동해석에 대한 결과로서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

1과 같다. 배터리 내부의 양극, 음극 사진에서 너트와 볼트의 체결부위에 해당하는 용접 부위를 발열부(energy source)로 가정하였다.
배터리 외부의 유동해석과 더불어 배터리 내부의 전도해석도 함께 계산되어야 하므로 내부와 외부 모두 격자를 생성했으며, 고 전류 충·방전을 가정하여 발열이 집중되는 영역을 배터리 내부에 설정하였다.
이 연구는 현재 개발 중인 저속전기차(NEV)에 탑재를 목적으로 설계된 Ni-MH 배터리를 대상으로 수행되었으며, 배터리 팩에서 단일 배터리 내 고 전류 충·방전에서 극주 부분의 발열 집중을 가정하였다.
입구영역에서 배터리 상부로의 급격한 유로 축소로 속도가 빨라지는 구간의 레이놀즈 수(Reynolds Number)는, 직사각형 형태의 덕트(Duct) 내 내부유동으로 고려하였을 경우 4100이상이며, 배터리 주위 유동에서의 레이놀즈 수가 전반적으로 3500에서 4100 사이이므로, 이에 따라 난류유동을 가정하였다. 일부 고체 영역의 경우 발열조건은 극주 부분에서 발열량은 배터리 5C 고전류 충전 시 입력에너지에서 충전량에 대한 전기에너지 차를 발열에너지로 간주하여 이를 계산한 결과값 75W로 설정하였으며, 고체 영역 내부의 열전도도(Thermal conductivity) 는 8.0W/m k로 가정하였다[4]. 모든 물성 값은 일정하며, 중력, 점성소산 및 복사 열전달 효과는 무시하였다.
발열하는 배터리 해석은 고체내부의 전도해석과 외부 유체에 의한 대류를 모두 고려하여야 하며, 외부유체의 경우 27℃ 공기이다. 입구영역에서 배터리 상부로의 급격한 유로 축소로 속도가 빨라지는 구간의 레이놀즈 수(Reynolds Number)는, 직사각형 형태의 덕트(Duct) 내 내부유동으로 고려하였을 경우 4100이상이며, 배터리 주위 유동에서의 레이놀즈 수가 전반적으로 3500에서 4100 사이이므로, 이에 따라 난류유동을 가정하였다. 일부 고체 영역의 경우 발열조건은 극주 부분에서 발열량은 배터리 5C 고전류 충전 시 입력에너지에서 충전량에 대한 전기에너지 차를 발열에너지로 간주하여 이를 계산한 결과값 75W로 설정하였으며, 고체 영역 내부의 열전도도(Thermal conductivity) 는 8.

제안 방법

차량 구조상 배터리 팩 장착 위치의 제한에 의해 차량 바닥에 장착되며, 더불어 방수 및 방진 조건 충족되어야하므로, 외부환경에의 노출이 적어야한다. 냉각성능의 평가 기준은 입구 위치 및 크기를 변화시켜 이에 따른 온도분포 및 배터리 사이의 채널과 상부 빈 공간에서의 속도차이를 정성적으로 비교하였으며, 질량유량 차이와 최고온도 차이를 정량적으로 비교해보았다. 전산해석에는CFD 상용코드인 'STAR-CCM+'이 사용되었다.
두 번째 해석 변수로 0.0028m2 크기의 입구 위치를 상단, 중단, 하단으로 변화시켜 이에 따른 입구위치에 따른 온도장을 분석하였다.
단일 배터리 셀의 외부 재질은 폴리프로필렌이며, 내부는 양극판과 음극판 및 격리판(separator), 전해액(electrolyte)으로 구성되어있으며, 내부 물질의 형상 및 물성치를 모두 고려하는 것은 비효율적이므로 내부발열부와 그 외 배터리 구성 부분을 구분하여 해석조건을 부여하였다. 실제적으로 배터리내부에 들어가는 30~40장의 마이크로 메터 단위의 양극판과 음극판, 격리판 및 전해액을 모두 고려하여 해석을 하는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에 형상 단순화를 고려하였으며,열전도도 계산을 통해 이러한 형상단순화가 실제적 현상에 최대한 부합하도록 하여 그 영향을 최소하고자 하였다. 첫 번째 해석 변수로 출구(Outlet)의 크기를 배터리 하단방향으로 0.
실제적으로 배터리내부에 들어가는 30~40장의 마이크로 메터 단위의 양극판과 음극판, 격리판 및 전해액을 모두 고려하여 해석을 하는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에 형상 단순화를 고려하였으며,열전도도 계산을 통해 이러한 형상단순화가 실제적 현상에 최대한 부합하도록 하여 그 영향을 최소하고자 하였다. 첫 번째 해석 변수로 출구(Outlet)의 크기를 배터리 하단방향으로 0.007m², 0.0014m², 0.0021m², 0.0028m²로 증가시켜 입구(Inlet) 면적변화에 따른 질량유량과 이에 따른 온도장 및 정상상태에서 동일 전열량에 따른 평균온도 및 최고온도 차이를 분석하였다. 두 번째 해석 변수로 0.
해석모델의 대기압 조건의 입구에서 유입된 공기는 배터리 상단부와 방수케이스의 일부 유입구를 거쳐 출구로 배출이 되며 출구에서의 조건은 125mm*125mm 축류 팬에 의한 생성되는 압력 차이를 계산하여 이를 적용하였다. 이때 팬의 전후면 압력차 값인 50.

대상 데이터

이 논문에서 전산해석 수행에 사용된 모델은 60Ah급 니켈 메탈 하이드라이드 배터리(Ni-MH battery) 로서 3×5 형태의 모듈 2개로 구성된 배터리 팩이며, 단일 배터리 셀의 크기 및 전체 해석 모델의 형상은 Fig. 1과 같다.
이 연구에서는 ‘STAR-CCM+’의 격자 생성 기능을 이용하였으며, 각 해석에 대해 약 3,300,000개의 격자를 생성하였다.

이론/모형

여기서 #는 레이놀즈 응력을, #는 난류 열 유속을 의미한다.[5] 난류 모델은 난류 경계층의 벽면효과를 잘 묘사하는 것으로 알려진 Realizable K-Epsilon 모델을 사용하였다. 난류운동에너지 k와 난류소산율 ∊은 식(5)와 식(6)에서 도출된다.
배터리와 유체의 접촉면은 점착조건(No-slip condition)과 온도연속조건으로 주었으며, 그 외 전체해석영역의 경우 점착조건과 단열조건을 주었다. 또한 압력보정을 위한 계산방법으로 SIMPLE 알고리즘[6]이 사용되었다.

성능/효과

014m²로 증가함에 따라 배터리 상단의 표면온도 차이가 확연함을 알 수 있다. 특히 (a)0.007m²의 경우 매우 적은 유량이 빠른 속도로 입구 측에서 진입하게 되어 출구보다 입구의 온도가 상대적으로 높아지며, 온도분포로부터, 유체에 의해 원활한 냉각이 일어나지 않음을 확인할 수 있다. 반면 (c)0.
(b)0.014m2 에서 (d)0.028m2로 입구 면적이 배터리 하부 방향으로 증가함에 따라 채널로의 유동이 입구 쪽에서 출구 쪽으로 형성됨을 확인 할 수 있으며, 채널 내 유동속도가 증가함을 확인할 수 있었다.
입구 면적 변화에 따른 온도장을 비교해 볼 때, 입구면적이 (a)0.007m²에서 (b)0.014m²로 증가함에 따라 배터리 상단의 표면온도 차이가 확연함을 알 수 있다. 특히 (a)0.
반면 (c)0.021m²와 (d)0.028m²에서 확인할 수 있듯 입구면적 증가했으나 유체가 가져가는 전열 량의 차이가 크지 않아 전반적인 온도분포에 큰 영향을 주지 않으며, 입구 측의 국소적인 온도 강하만을 확인할 수 있다. 이는 배터리 냉각에 입구크기의 증가가 더 이상 효과적이지 않음을 의미하며, 차량 설계상 하부의 방수 방진을 위해선 (c)0.
1) 고 전류 충·방전의 경우 발열집중현상을 고려하여 입구 면적에 따른 변화를 분석한 결과 일정 면적이상에서는 입구 면적이 증가함에 따라 질량유량이 선형적으로 증가하지 않고 일정수준에서 수렴함과 질량유량 수렴에 따른 냉각효과 정체를 확인할 수 있었다.
2) 입구위치 변화에 따라 질량유량의 변화가 있었으며 채널로 내 유동과 상부표면에서의 냉각효과 비교가 필요함을 알 수 있었으며, 제한된 설계 조정 범위 내에서 적합한 입구 위치 선정 중요성을 확인할 수 있었다.
3) 향후 고온부 부근에 추가적인 입구를 설치 할 경우 냉각효과가 상승을 예상할 수 있다.
격자생성기준은 격자 개수에 따른 질량유량과 최고온도의 변화를 확인하는 것이며, Fig. 3에서 볼 수 있듯이 3,300,000개의 격자를 생성하였을 때 그 변화가 없음을 확인하였다.
이러한 질량유량 감소로 냉각효과가 감소되면서 배터리 고온영역이 상대적으로 확대됨 또한 알 수 있다. 입구위치에 따라 최하온도의 경우 냉각이 가장 잘 되는 부분이 입구 측, 가장 발열 집중의 영향이 적은 하단부분에서 최하온도 지점이 형성됨을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저속전기차(NEV)에 들어가는 배터리의 종류와 특징은 무엇인가?	저속전기차(NEV)는 차체의 경량화 및 소형화를 통해 소모 전력을 줄여 근거리 운행을 목적으로 하고 있으며, 동력으로 배터리만을 사용한다. 탑재되는 배터리의 종류는 Li-ion,Ni-MH 등이 있으며 종류에 따라 그 정도는 다르나, 충·방전 과정에서 전자의 이동에 따른 발열현상 및 압력상승이 관찰되며, 특히 양극판과 음극판이 용접에 의하여 접합되는 극주 지점에서 전자의 이동이 집중되어, 충전전류가 높아짐에 따라 전자이동의 집중에 의한 발열이 심화되어 고온부가 형성된다. 다수의 단일 배터리 셀로 구성된 배터리 팩이 적용되므로, 안정적이며 지속적인 성능유지를 위하여 배터리팩의 냉각은 중요하며, 특히 고 전류 충·방전의 경우 극주 부분의 발열집중을 고려한 유로 설계가 필요하다.
	친환경 수송수단에는 어떠한 것들이 개발되고 있나?	최근 전 세계적으로 친환경 수송수단에 대한 관심이 높아지면서 연비향상과 이산화탄소 배출량을 감소를 목적으로 하이브리드자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV), 저속전기차(NEV) 및 전기자동차(EV)가 개발되고 있다.
	친환경 수송수단의 목적은 무엇인가?	최근 전 세계적으로 친환경 수송수단에 대한 관심이 높아지면서 연비향상과 이산화탄소 배출량을 감소를 목적으로 하이브리드자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV), 저속전기차(NEV) 및 전기자동차(EV)가 개발되고 있다.

참고문헌 (6)

2001, Pesaran, A.A. "Battery thermal Managent in EVs and HEVs: Issues and Solutions", Advanced Automotive Battery Conference NREL 1617 cole Blvd. Golden, Colorado 80401.
2009, Kizilel R. Sabbah, R. Selman, J.R. Al-Hallaj, S. "An alternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packs", Journal of Power Sources, Vol 194, pp.1105-1112.

상세보기
2008, Yu, L.j. Qin, Peng, M.J Zhy, Yang, L. "Numerical simulation and optimization of nickel-hydrogen batteries", Journal of Power Sources, Vol 179, pp.848-853.

상세보기
2010, 장인형, 외2인, "HEV 배터리 Module의 Case에 따른 강제 냉각 해석, 대한기계학회 춘계학술대회 pp.252-257
1995, Versteeg, H.K. and malalasekera, W., "An Introduction to Computational Fluid Dynamics", Longman, pp.41-84
2007, Tao, Y.B. He, Y.L. Huang, J. Wu, Z.G. and Tao, W.Q. "Numerical study of local heat transfer coefficient and fin efficiency of wavy fin-and tube heat exchangers," International Journal of Thermal Sciences, Vol.46, pp.768-778.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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