[논문]하이브리드/전기 자동차 배터리 냉각 시스템의 냉각수 유동 특성이 냉각 성능에 미치는 영향에 대한 해석적 연구

오현종; 박성진

doi:10.7467/ksae.2014.22.3.179

하이브리드/전기 자동차 배터리 냉각 시스템의 냉각수 유동 특성이 냉각 성능에 미치는 영향에 대한 해석적 연구
Effect of Coolant Flow Characteristics in Cooling Plates on the Performance of HEV/EV Battery Cooling Systems 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.3, 2014년, pp.179 - 185

오현종 (홍익대학교 기계시스템디자인공학과) , 박성진 (홍익대학교 기계시스템디자인공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Average temperature and temperature uniformity in a battery cell are the important criteria of the thermal management of the battery pack for hybrid electric vehicles and electric vehicles (HEVs and EVs) because high power with large size cell is used for the battery pack. Thus, liquid cooling system is generally applied for the HEV/EV battery pack. The liquid cooling system is made of multiple cooling plates with coolant flow paths. The cooling plates are inserted between the battery cells to reject the heat from batteries to coolant. In this study, the cooling plate with U-shaped coolant flow paths is considered to evaluate the effects of coolant flow condition on the cooling performance of the system. The counter flow and parallel flow set up is compared and the effect of flow rate is evaluated using CFD tool (FLUENT). The number of counter-flows and flow rate are changed and the effect on the cooling performance including average temperature, differential temperature, and standard deviation of temperature are investigated. The results show that the parallel flow has better cooling performance compared with counter flow and it is also found that the coolant flow rate should be chosen with the consideration of trade-off between the cooling performance and pressure drop.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는, GM에서 특허출원한 U형 냉각 유로가 있는 냉각판(Cooling Plate)을 이용하여, 냉각 유로의 형상에는 변화를 주지 않고, 냉각수의 유동 방향과 유량이 냉각 특성에 미치는 영향을 CFD 툴을 이용해 확인하였다. 본 연구에서는 CFD 툴로 Fluent를 사용하였고, 시뮬레이션을 통해 냉각 특성을 파악하였다.
본 연구에서는 냉각수의 유동 방향이 냉각 성능에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. U형 냉각유로를 가진 냉각 판에서 냉각수 유동을 엇갈리게 흐르도록 배치해 배터리 내의 온도 편차와 평균온도에 어떤 영향을 미치는지 살펴보았다.

가설 설정

냉각수는 대기로 냉각시킨다고 가정하여 냉각수 온도는 대기온도보다 높다고 가정하였다. 따라서 본 연구에서는 냉각수 입구 온도를 308K로 설정했다.
냉각수는 대기로 냉각시킨다고 가정하여 냉각수 온도는 대기온도보다 높다고 가정하였다. 따라서 본 연구에서는 냉각수 입구 온도를 308K로 설정했다.

제안 방법

HEV/EV용 고출력 배터리의 수랭식 배터리 냉각 시스템에 사용되는 냉각판의 냉각 유로를 CFD를 이용해 시뮬레이션하였고, 유동 조건이 냉각 성능에 미치는 영향을 고찰하였다. 그 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 냉각수의 유동 방향이 냉각 성능에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. U형 냉각유로를 가진 냉각 판에서 냉각수 유동을 엇갈리게 흐르도록 배치해 배터리 내의 온도 편차와 평균온도에 어떤 영향을 미치는지 살펴보았다.
3에 냉각 유로의 입구 형상을 나타내었고, 냉각 유로마다 번호를 할당하였다. 그리고 그 냉각유로에 냉각수가 들어가는 유동 방향이면(그림에서 오른쪽방향) in 으로 냉각수가 나오는 유동방향이면(그림에서 왼쪽방향) out으로 표시하여 Table 2에 나타난 바와 같이 5가지 Case에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.
이 절에서는 냉각수 유량을 변화시켜 냉각 성능, 즉 평균온도, 온도편차, 압력강하에 미치는 영향을 확인하였다. 기준유량인 1g/sec에서 20%, 40%, 60% 유량을 증가시켜 교차가 없는 Case 1에 대하여 결과를 비교하였다.
냉각수의 유로는 9개로 구성되어 있고, 각각 유로에서의 유동 방향을 변화시켜 5가지 Case의 시뮬레이션을 수행하여 비교해 보았다. Fig.
따라서 본 연구에서는, GM에서 특허출원한 U형 냉각 유로가 있는 냉각판(Cooling Plate)을 이용하여, 냉각 유로의 형상에는 변화를 주지 않고, 냉각수의 유동 방향과 유량이 냉각 특성에 미치는 영향을 CFD 툴을 이용해 확인하였다. 본 연구에서는 CFD 툴로 Fluent를 사용하였고, 시뮬레이션을 통해 냉각 특성을 파악하였다.
본 연구에서는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 GM에서 특허 출원한 U형 냉각판⁵⁾의 냉각 유로를 이용하여 유동 방향과 유량이 냉각 특성에 미치는 영향을 CFD를 통해 확인하였다. 유동 해석을 위해 냉각 유로와 냉각판의 격자를 GAMBIT을 이용하여 생성하였고한 부분을 Fig.
시뮬레이션을 통해 냉각 성능의 지표가 될 수 있는 냉각판에서의 평균 온도, 최대와 최소 온도, 최대 최소 온도차, 온도의 표준편차를 비교하였다. 냉각판의 평균 온도는 다음의 식으로 계산된다.
1에 나타낸 바와 같이 GM에서 특허 출원한 U형 냉각판⁵⁾의 냉각 유로를 이용하여 유동 방향과 유량이 냉각 특성에 미치는 영향을 CFD를 통해 확인하였다. 유동 해석을 위해 냉각 유로와 냉각판의 격자를 GAMBIT을 이용하여 생성하였고한 부분을 Fig. 2에 나타내었다.
이 절에서는 냉각수 유량을 변화시켜 냉각 성능, 즉 평균온도, 온도편차, 압력강하에 미치는 영향을 확인하였다. 기준유량인 1g/sec에서 20%, 40%, 60% 유량을 증가시켜 교차가 없는 Case 1에 대하여 결과를 비교하였다.

성능/효과

1) 교차의 수를 달리 하여 시뮬레이션을 실행한 결과, 교차가 많아질수록 온도 편차는 작아지지만 최소온도, 최대온도, 평균온도가 모두 높아진다.
2) 냉각수 유량을 증가시키면 냉각성능은 향상되지만 냉각수의 압력강하가 증가돼 냉각에 소비되는 동력 증가를 가져오게 된다. 따라서 유량을 결정할 때 냉각 성능과 소비동력의 trade-off를 고려하여야 한다.
15 ~ 17은 각각 유량의 변화에 따른 온도의 표준편차, 최대 온도차, 평균온도의 변화를 나타낸 그림이다. 결과를 살펴보면 유량이 증가할수록 온도의 편차가 줄어들고 평균온도도 더불어 감소한다. 이는 유량이 증가할수록 냉각수 출구 온도가 떨어지고, 냉각수 입구 출구의 온도 차이가 작아져서 배터리 평균온도도 떨어지게 되어 냉각 성능이 향상된다.
7K 사이의 온도를 20등분한 온도를 등온선으로 나누어 나타낸 것이다. 시뮬레이션 결과를 보면 교차가 없는 Case 1 일 때 냉각수 입구에서 최저 온도가 가장 낮은 것을 알 수있다. 교차가 점점 많아질수록 최대 온도는 점점 증가하는 것을 확인할 수 있다.
10은 다섯 가지 Case의 최저온도를 비교한 그림이다. 위의 결과로부터 교차가 많아질수록 최저 온도가 높아지는 것을 확인할 수가 있다. 위의 온도 분포들(Fig.
18은 유량의 변화에 따른 냉각수의 압력강하를 나타낸 것이다. 이를 보면 유량이 증가할수록 압력강하는 일정하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 냉각수 유량을 증가시키면 냉각성능은 향상되지만 냉각수의 압력강하가 증가돼 냉각에 소비되는 동력 증가를 가져오게 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉각수 유량을 증가시킴에 따라 어떤 현상이 발생하는가?	2) 냉각수 유량을 증가시키면 냉각성능은 향상되지만 냉각수의 압력강하가 증가돼 냉각에 소비되는 동력 증가를 가져오게 된다. 따라서 유량을 결정할 때 냉각 성능과 소비동력의 trade-off를 고려하여야 한다.
	배터리의 열을 조절하는 효과적인 방법은 무엇인가?	Yeow3)는 3D Finite Element Analysis (FEA)를 이용하여 직접, 간접 냉각 방식의 PHEV 배터리 팩의 열적 특성을 연구했다. 이들의 연구에 의하면 냉각수와 배터리를 직접적으로 접촉하여 냉각하는 방법이 냉각수와 배터리를 간접적으로 접촉하여 냉각하는 방법보다 열을 더 잘 조절할 수가 있다는 결론을 얻었다.
	전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차의 구동에너지 특성 상 배터리 설계 시 고려해야 할 점은 무엇인가?	전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV)는 모두 대용량의 배터리를 필요로 한다. 이두가지 자동차는 모두 일반 가솔린 자동차와는 달리 자동차의 동력의 상당한 부분을 전기로 쓰기 때문에 배터리의 크기도 증가하고 그만큼 배터리에서 발생되는 열 또한 크게 증가한다. 발생한 열을 적절히 냉각시키지 않으면 배터리의 수명이 줄어들고 극단적인 상황에서는 화재의 위험이 존재하기 때문에 배터리의 냉각은 필수적이다. T.

참고문헌 (5)

T. Yuksel and J. Michal, "Development of a Simulation Model to Analyze the Effect of Thermal Management on Battery Life," SAE 2012-01-0671, 2012.
H. Teng, Y. Ma, K. Yeow and M. Thelliez, "An Analysis of a Lithium-ion Battery System with Indirect Air Cooling and Warm-Up," SAE Int. J. Passeng. Cars-Mech. Syst., Vol.4, Issue 3, pp.1343-1357, 2011.

상세보기
H. Teng and K. Yeow, "Design of Direct and Indirect Liquid Cooling Systems for Highcapacity, High-power Llithium-Ion Battery Packs," SAE Int. J. Alt. Power, Vol.1, Issue 2, pp.525-536, 2012.

상세보기
A. Jarrett and I. Y. Kim, "Design Optimization of Electric Vehicle Battery Cooling Plates for Thermal Performance," J. of. Power Source, Vol.196, Issue 23, pp.10359-10368, 2011.

상세보기
D. R. Weber, S. J. Spencer and P. F. Spacher, Battery Cooling Plate Design with Diecrete Channels, US Patent, US2009/0258289 A1, 2009.

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