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문제 정의
- 본 연구는 하나의 셀(cell)에서와 패키지(packaging) 상태에서의 배터리 표면 온도 해석 및 팩 내부의 열유동 해석이 주 목적이다. 배터리에 대한 전기화학적 반응을 고려한 시뮬레이션은 여러 개의 배터리를 연결한 팩을 해석하기에는 해석시간 및 비용이 매우 많이 소모된다.
- 배터리 팩 내부의 열유동 해석은, 여러 개의 배터리가 연결 되어 동작할 때 좁은 공간에 열이 정체되어 온도가 상승하는 현상을 알아 내는 것이 목적이다. 이를 위하여 단일 배터리 해석의 결과로부터 얻어진 열원의 데이터를 사용하여 여러 개의 배터리가 패키징 되었을 때의 온도 현상을 시뮬레이션 하였다.
- 12는 20개의 배터리를 1 pack이라고 정의하였을 때, 2 × 2로 배열하여 하나의 모듈로 구성한 것이다. 본 연구에서는 이 모듈을 적층하여 최상단과 최하단의 온도 차이가 5℃가 넘지 않는 층수를 도출하는 것이 목표이다.
- 마지막 단계에서, 개선된 팩을 적층 하였을 때의 온도 분포를 시뮬레이션을 수행하여 확인하였다. 참고로 본 연구에서는, Casing한 배터리 팩 주변 대기 온도가 25℃로 유지되는 환경(Chamber)에서 내부 팩 최상단과 최하단의 온도 차이가 5℃ 미만이 되는 것을 목표 열적 성능으로 정의하였다. 이는 배터리 팩의 최상단과 최하단의 온도차이가 일정 수준 이상으로 증가하게 되면 내부 팩 유동의 온도 제어 측면에서 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
가설 설정
- 1. Concept of Li-ion battery.
- 경계조건은 초기 온도, C-rate, SOC(State of Charge) 등이다. 초기 온도는 298.15 K, 방전율은 1 C, 초기 SOC는 100%로 가정한다. C-rate는 1 시간율로 나타낸 전지의 정격용량(Capacity)으로 단위는[Ah]이다.
- 배터리 용기의 물성은 강(steel)을 사용하였다. 배터리 표면의 경계 조건은 챔버 내 공기와 접촉하고 있다고 가정하여, 열저항 값은 0으로 계산하였다.
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