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문제 정의
- 모델은 Matlab/Simulink®플랫폼 하에서 개발되었으며, 열관리 계통의 적절한 제어를 모사하는지 확인할 수 있도록 팬 모델을 개발하고 이를 니켈-수소 배터리 모델과 통합하여 주어진 부하 조건에 따른 배터리 팩의 온도 변화를 확인하고자 한다.
- 본 연구에서는 기존의 집중 용량 법을 적용한 모델이 가지고 있는 한계인 국부 과열을 확인할 수 있도록 1차원 배터리 팩 모델을 개발하였다. 모델은 Matlab/Simulink®플랫폼 하에서 개발되었으며, 열관리 계통의 적절한 제어를 모사하는지 확인할 수 있도록 팬 모델을 개발하고 이를 니켈-수소 배터리 모델과 통합하여 주어진 부하 조건에 따른 배터리 팩의 온도 변화를 확인하고자 한다.
- 본 연구에서는 모듈과 모듈 사이의 온도 분포를 확인할 수 있는 배터리 열관리 시스템을 개발하였으며, 배터리의 온도 제어와 모듈 과 모듈 사이의 온도 분포를 확인하였다.
- 시뮬레이션은 10개의 모듈로 구성된 배터리 팩을 이용하였다. 본 연구에서는 정적 전류의 입력을 사용하여 충/방전시의 발생하는 배터리 팩의 온도변화, 모듈사이의 온도 분포 및 열전달 계수의 변화에 따른 온도분포를 각 모듈에 대해서 확인하였다. 또한, 배터리의 초기온도는 열적 평형을 고려하여 대기의 온도(293.
- 에 의해 보고되기 시작하였다. 이 논문에서는 배터리 열관리를 위해 ADVISOR 모델을 이용한 열관리 모델을 구성하였으며 구성한 모델을 바탕으로 차량 운전 환경 하에서의 배터리 열적 특성을 분석 하였다. 하지만, 배터리 특징을 모두 나타내기에는 상대적으로 단순한 모델을 적용하였고, 열관리에 필요한 팬과 기타 구성 품에 대한 모델은 포함되어 있지 않았다.
가설 설정
- 배터리 팩에서의 모듈과 모듈 사이 온도 분포는 냉각 특성 및 방법에 따라 상이하며, 이러한 온도 분포가 균일하게 이루어져야 배터리의 원하는 성능을 보장받을 수 있다. Fig. 3은 모듈의 연결 방법을 나타낸 것으로서 본 연구에서는 그림과 같이 직렬형태로 배터리가 내장되어 있다고 가정하였다. Courant Number가 영향을 주기는 하지만, 적절한 시간 간격과 모듈 간 격자를 구성하게 되면, 차분형의 배터리 팩 구성을 통해 원하는 근사해를 얻을 수 있다.
- 특히, 냉각공기 유량은 5번 모듈의 온도 정보를 받아 PI 제어로 인하여 공기의 유량이 설정 온도에 맞게 공급되어 지고 있다. 또한 유입되어지는 냉각 공기는 병렬 형태로 각 냉각공기 채널에 유입이 되어, 모듈 간의 초기 냉각공기 온도는 동일하다고 가정하였다. 최초 대기 온도와 같은 293.
- 본 연구에서는 정적 전류의 입력을 사용하여 충/방전시의 발생하는 배터리 팩의 온도변화, 모듈사이의 온도 분포 및 열전달 계수의 변화에 따른 온도분포를 각 모듈에 대해서 확인하였다. 또한, 배터리의 초기온도는 열적 평형을 고려하여 대기의 온도(293.15K)와 동일하다고 가정하였다.
- 하지만, 배터리 특징을 모두 나타내기에는 상대적으로 단순한 모델을 적용하였고, 열관리에 필요한 팬과 기타 구성 품에 대한 모델은 포함되어 있지 않았다. 또한, 전체 배터리팩을 하나의 집중용량으로 가정하여 셀 간의 냉각효과를 확인할 수 없다. Pesaran(4,5)은 또 EVs와 HEVs의 열관리 방법에 대한 연구도 보고하였다.
- 모듈에서의 에너지 보존 방정식은 식 (3)에서 설명 되어 지며, 외기와 접촉되어 있지 않은 모듈은 유한 차분법을 적용하였고 모듈 내부에서 온도는 균일하고 초기 배터리 온도는 외기 온도와 동일하다고 가정하여, 다음과 같은 경계조건을 설정하였다.
- 모듈은 냉각수 채널을 사이에 두고 직렬로 연결되어 있으며, 냉각수는 모듈과 근접한 냉각수 채널에 각각 유입되어 배터리를 냉각하게 된다. 배터리의 냉각 특성에 초점을 맞추어, 유입되는 냉각 공기의 온도는 일정하다고 가정하였다.
- 배터리 모듈은 전기자동차 차체 프레임 상단과 승차공간 하단 사이에 설치되어 있으며, 배터리 모듈에서 발생되는 열은 냉각용 공기에 의해 제거 된다. 본 연구에서는 배터리 모듈을 각기둥의 형태로 가정하였으며 배터리의 온도는 발열량과 방열량의 에너지 보존 법칙을 적용하여 다음과 같이 결정되어 진다.
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