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문제 정의
- 본 연구에서 전기자동차용 공랭식 냉각 시스템의 공기의 유입구와 유출구의 형상이 냉각 효율에 미치는 영향을 수치 해석적으로 연구를 수행하였다. 연구 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 공기를 이용한 직접 냉각 방식을 적용하여 배터리 열관리 시스템의 최적화 설계를 연구 목적으로 하였다. 따라서, 공랭식 냉각시스템(11)에서 냉각이 필요한 모듈의 형상은 고정하고, 공기의 유입구와 유출구의 형상과 면적을 변형하여, 전기자동차용 배터리 팩의 냉각 성능을 수치 해석적으로 예측하였다.
- 해석 조건 2는 입구부분에서 Diffuser 형상을 가지고 있다. 이 조건은 기본 해석 조건보다 더 넓은 열 교환체적을 가졌을 때 냉각 성능에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위해 설계하였다. 해석 조건 3은 공기 유입부에 Nozzle 형상을 설계하여 발열이 최고로 발생 할 것으로 예상되는 각 모듈의 사이 공간에 유량을 집중시켰을 때 냉각 성능에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위해 설계하였다.
가설 설정
- 이때, 발열량 15W는 이전의 연구결과(14)를 참고하여 결정하였다. 발열량은 극군 하부로부터 약 1/3지점인 74 mm지점에서 15 W의 열량으로 발열을 하는 것으로 가정하고 대류 및 전도 열전달 방정식을 적용하여 해석을 수행하였다. 해석에 적용된 자세한 경계조건을 Table 2에 나타냈다.
제안 방법
- 마지막으로, 냉각 성능 향상을 위해 입구의 형상과 출구면적이 같고, 출구 형상이 다른 해석조건(case2, case6)을 비교하여 냉각 성능에 미치는 결과를 비교하였다. 각 조건별 배터리의 운전 한계온도는 50℃로 고정하여 수치해석 연구를 수행하였다.
- 해석에 적용된 자세한 경계조건을 Table 2에 나타냈다. 각 해석 결과를 특징별로 3가지로 분류하여 정리하였다. 첫 번째로 입구 형상이 변하고 출구 형상에는 변화가 없는 해석 조건(case1, case2, case3)의 결과를 비교하여, 입구 형상이 냉각 성능에 미치는 영향을 비교 분석하였다.
- 각 해석 조건들은 동일한 외부 온도 조건과 배터리 모듈 발열량 조건에서 유입구의 공기유량을 변경하여 해석을 진행하였다. 이때, 발열량 15W는 이전의 연구결과(14)를 참고하여 결정하였다.
- 같은 조건에서 Case의 외부 형상 차이가 냉각 성능에 어떤 영향을 미치는지 판단하고, 최적의 형상을 찾기 위해 동일한 출구 면적을 가지는 해석 조건별로 입구 형상을 변경하면서 내부유동을 비교하고 모듈 전체에서 최고온도를 비교하였다.
- 냉각 성능이 가장 떨어지는 해석 조건 2에서 같은 출구면적일 때 출구 형상 변경으로 냉각 성능 향상이 가능한지 확인하기 위해 출구면적을 1.5m2으로 고정하고, 출구 형상을 Diffuser 형상으로 변경하여, 모듈의 중앙으로 냉각 공기를 집중하였다. Fig.
- 두 번째로 출구 형상이 변하는 해석 조건(case1, case4, case5)을 비교하여, 출구 형상이 모듈의 냉각 성능에 미치는 영향을 비교·분석하였다.
- 본 연구에서는 공기를 이용한 직접 냉각 방식을 적용하여 배터리 열관리 시스템의 최적화 설계를 연구 목적으로 하였다. 따라서, 공랭식 냉각시스템(11)에서 냉각이 필요한 모듈의 형상은 고정하고, 공기의 유입구와 유출구의 형상과 면적을 변형하여, 전기자동차용 배터리 팩의 냉각 성능을 수치 해석적으로 예측하였다. 이를 위하여 배터리 해석 조건 내부의 공기유동 유선(Stream line), 속도장(Velocity field), 온도분포(Temperature distributions)를 정리하고 각 해석 조건의 최고온도를 그래프로 표시하여 냉각 성능을 수치화하였다.
- 두 번째로 출구 형상이 변하는 해석 조건(case1, case4, case5)을 비교하여, 출구 형상이 모듈의 냉각 성능에 미치는 영향을 비교·분석하였다. 마지막으로, 냉각 성능 향상을 위해 입구의 형상과 출구면적이 같고, 출구 형상이 다른 해석조건(case2, case6)을 비교하여 냉각 성능에 미치는 결과를 비교하였다. 각 조건별 배터리의 운전 한계온도는 50℃로 고정하여 수치해석 연구를 수행하였다.
- 배터리 케이스의 높이는 500mm로 모두 동일하게 설계하였다. 배터리 냉각에 사용되는 공기의 흐름을 결정짓는 입구와 출구의 형상을 서로 다르게 설계하였다. 배터리 모듈에 대한 자세한 제원은 Table 1과 같다.
- 따라서, 공랭식 냉각시스템(11)에서 냉각이 필요한 모듈의 형상은 고정하고, 공기의 유입구와 유출구의 형상과 면적을 변형하여, 전기자동차용 배터리 팩의 냉각 성능을 수치 해석적으로 예측하였다. 이를 위하여 배터리 해석 조건 내부의 공기유동 유선(Stream line), 속도장(Velocity field), 온도분포(Temperature distributions)를 정리하고 각 해석 조건의 최고온도를 그래프로 표시하여 냉각 성능을 수치화하였다.
- 각 해석 결과를 특징별로 3가지로 분류하여 정리하였다. 첫 번째로 입구 형상이 변하고 출구 형상에는 변화가 없는 해석 조건(case1, case2, case3)의 결과를 비교하여, 입구 형상이 냉각 성능에 미치는 영향을 비교 분석하였다. 두 번째로 출구 형상이 변하는 해석 조건(case1, case4, case5)을 비교하여, 출구 형상이 모듈의 냉각 성능에 미치는 영향을 비교·분석하였다.
- 출구 형상이 냉각 성능에 미치는 영향을 해석조건 1, 해석 조건 4, 해석 조건 5, 즉, 기본 형상, Diffuser 출구 형상 및 Nozzle 출구 형상, 총 3가지를 비교하였다. Fig.
- 3에 나타내었다. 해석 조건 3번은 공기 입구에 Nozzle 부분을 만들어 공기의 유동을 조금 더 배터리 발열부에 집중하고자 설계하였다. 그러나, 해석 결과 해석 조건 1 보다 냉각 성능이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
- 이 조건은 기본 해석 조건보다 더 넓은 열 교환체적을 가졌을 때 냉각 성능에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위해 설계하였다. 해석 조건 3은 공기 유입부에 Nozzle 형상을 설계하여 발열이 최고로 발생 할 것으로 예상되는 각 모듈의 사이 공간에 유량을 집중시켰을 때 냉각 성능에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위해 설계하였다. 해석 조건 4는 출구부근에서 Diffuser 형상을 하여 출구면적이 넓어지면서 열교환이 끝난 공기가 원활하게 배출되기 위한 설계를 하였다.
- 해석 조건 3은 공기 유입부에 Nozzle 형상을 설계하여 발열이 최고로 발생 할 것으로 예상되는 각 모듈의 사이 공간에 유량을 집중시켰을 때 냉각 성능에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위해 설계하였다. 해석 조건 4는 출구부근에서 Diffuser 형상을 하여 출구면적이 넓어지면서 열교환이 끝난 공기가 원활하게 배출되기 위한 설계를 하였다. 해석 조건 5는 입구 형상의 변화없이 출구를 Nozzle 형상으로 설계하여 발열이 심한 중앙부의 공기 압력차를 증가시키는 형태가 냉각 성능에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위해 설계하였다.
- 해석 조건 4는 출구부근에서 Diffuser 형상을 하여 출구면적이 넓어지면서 열교환이 끝난 공기가 원활하게 배출되기 위한 설계를 하였다. 해석 조건 5는 입구 형상의 변화없이 출구를 Nozzle 형상으로 설계하여 발열이 심한 중앙부의 공기 압력차를 증가시키는 형태가 냉각 성능에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위해 설계하였다. 해석 조건 6은 해석 조건 2와 유입구 형상은 비슷하지만, 열 교환이 끝나는 부근에서 급격히 면적이 좁아지는 형상을 추가하고, 유출구에서 Diffuser 형상을 한 형태로 유로가 전체적으로 고르게 형성되는 설계가 냉각 성능에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위해 설계하였다.
- 해석 조건 5는 입구 형상의 변화없이 출구를 Nozzle 형상으로 설계하여 발열이 심한 중앙부의 공기 압력차를 증가시키는 형태가 냉각 성능에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위해 설계하였다. 해석 조건 6은 해석 조건 2와 유입구 형상은 비슷하지만, 열 교환이 끝나는 부근에서 급격히 면적이 좁아지는 형상을 추가하고, 유출구에서 Diffuser 형상을 한 형태로 유로가 전체적으로 고르게 형성되는 설계가 냉각 성능에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위해 설계하였다. 각 해석 조건에 대한 자세한 형상은 Fig.
대상 데이터
- 크기는 190mm×198mm×295mm(L × V × H)의 직육면체 형태를 하고, 모든 해석 조건에 같은 간격으로 18개의 모듈을 배치 설계하였다.
- 해석대상인 Li-ion 배터리모듈의 형상은 Fig. 1과 같이 배터리 모듈 형상을 적용하였다. 크기는 190mm×198mm×295mm(L × V × H)의 직육면체 형태를 하고, 모든 해석 조건에 같은 간격으로 18개의 모듈을 배치 설계하였다.
이론/모형
- )을 체적(V)으로 나누면 나오는 값으로 식 (1)과 같다. 다음 열전도, 유체의 유동, 열대류에 대한 지배방정식은 Navier-Srokes 방정식을 기본으로 하여 계산하였다. 이때, 유체의 미소체적(dm)을 3차원 유동방정식에 가속도로 미분하면 미소체적(dm)에 가해지는 힘을 식 (2)와 같이 구할 수 있다.
성능/효과
- 하이브리드 자동차(Hybrid electric vehicle)는 일반 내연기관 자동차에 비해 동일 출력 대비 낮은 배기량의 엔진을 사용하여 연비가 기존의 자동차에 비해 월등히 좋다.(1) 또한, 고부하 운전조건에서 부족한 출력을 모터가 제공하여 NOX, CO2 등의 배기 배출물 특성이 기존 기관보다 우수하다.(2,3)
- (1) 외기온도 25°C에서 배터리 모듈 하나의 발열조건이 15W 일 때 안정적인 운행온도인 50°C를 유지하기 위해서는 약 400m3/h 이상의 공기의 유입체적이 필요하였다.
- (2) 모든 해석 조건에서 공기의 유입량이 증가할 때 냉각 성능은 상승하였다. 입구 형상에 따라 비교하였을 때, Nozzle 입구 형상보다는 기본형상의 냉각 효율이 우수하였고, Diffuser 입구 형상이 가장 안 좋은 결과를 보였다.
- (3) 출구 형상이 냉각 효율에 미치는 영향은 출구가 Nozzle 형상일 때, 특정 구간에 대해 온도감소 효과가 있었으나, 그 영향이 5°C 이하로 미비한 것으로 판단된다.
- (4) Diffuser 입구 형상인 경우, 출구 형상을 Diffuser로 변경한 결과, 냉각 효율은 배터리의 모듈의 중앙으로 유량이 집중되어 냉각 성능이 개선되는 것을 알 수 있었다.
- (5) Diffuser 출구 형상인 해석 조건 4가 냉각 성능이 가장 좋은 것으로 판단된다. 이는, 발열하는 부분에 공기가 집중되고, 출구부근의 Diffuser 형상이 냉각이 끝난 공기의 배출이 원활히 진행되어 냉각 성능이 개선된 것이라고 판단된다.
- 그러나, 유량이 증가하거나 감소하는 조건에서 냉각 성능이 저하되는 것을 볼 때 특정 구간에서만 냉각 성능이 개선된 것으로 판단되며, 3가지의 해석 조건에서 모두 온도 편차가 5°C 이하로 출구 형상은 냉각 성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
- 해석 조건 3번은 공기 입구에 Nozzle 부분을 만들어 공기의 유동을 조금 더 배터리 발열부에 집중하고자 설계하였다. 그러나, 해석 결과 해석 조건 1 보다 냉각 성능이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 아래로부터 74mm 부분에 위치하는 발열부에 집중되어야 하는 공기유동이 배터리의 발열부가 아닌 상부에 집중되기 때문으로 사료된다.
- 4는 해석 조건 1, 해석 조건 2, 해석 조건 3의 냉각 성능 해석결과에서 공기유입량에 따른 모듈 전체에서 최고온도의 변화를 나타낸 그래프이다. 동일 공기 유량 조건에서 해석 조건 1의 냉각 성능이 가장 좋고, 해석 조건 3, 해석 조건 2 순으로 냉각 성능이 우수한 것을 관찰할 수 있었다.
- 7에서 나타낸 온도분포, 공기의 유동을 보면 해석 조건 6의 경우 중앙으로 냉각 공기가 집중되고, 냉각 성능 향상에 좋은 효과를 보였다. 또한, 다른 해석 조건들과 달리 출구의 Diffuser 형상이 마지막 모듈의 온도까지 낮추는 효과로 모듈의 전체적인 온도가 비슷한 것을 관찰할 수 있었다.
- 입구가 좁아지면서 유속은 빨라질 수 있으나 압력 차가 큰 배터리의 상부에 공기가 집중되어 냉각 성능에는 오히려 악영향을 미치는 것이라 판단된다. 또한, 해석 조건 2는 입구 형상을 Diffuser 부분을 만들어 더 넓은 체적의 유로를 형성하였으나, 발열부 이외에 공기가 집중되면서 냉각 성능에는 오히려 악영향을 미쳐 비교 해석조건 중 가장 나쁜 냉각 성능을 보였다.
- 8에 기본 조건인 해석 조건 1, 해석 조건 2, 해석 조건 6에서 모듈 전체에서 최고온도를 비교하여 나타내었다. 모든 조건에서 해석 조건 2의 냉각 효율이 가장 떨어지는 것을 확인할 수 있었고, 출구 형상을 변경한 해석 조건 6의 냉각성능이 개선된 것을 확인하였다. 그러나, 기본 조건인 해석 조건 1보다는 냉각 성능이 떨어지는 것을 관찰하였고, 이에 대한 추가 연구가 필요하다고 사료된다.
- (2) 모든 해석 조건에서 공기의 유입량이 증가할 때 냉각 성능은 상승하였다. 입구 형상에 따라 비교하였을 때, Nozzle 입구 형상보다는 기본형상의 냉각 효율이 우수하였고, Diffuser 입구 형상이 가장 안 좋은 결과를 보였다.
- 6은 해석 조건 1, 해석 조건 4, 해석 조건 5의 냉각 성능 해석결과에서 모듈 전체에서 최고온도를 나타낸 그래프이다. 해석 결과 그래프를 보면 유입구의 유량이 400m3/h일 때 해석 조건 5번의 최고온도가 역전하는 것을 볼 수 있다.
후속연구
- 모든 조건에서 해석 조건 2의 냉각 효율이 가장 떨어지는 것을 확인할 수 있었고, 출구 형상을 변경한 해석 조건 6의 냉각성능이 개선된 것을 확인하였다. 그러나, 기본 조건인 해석 조건 1보다는 냉각 성능이 떨어지는 것을 관찰하였고, 이에 대한 추가 연구가 필요하다고 사료된다.
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