[논문]하이브리드/전기 자동차용 수냉식 배터리 셀의 냉각성능에 관한 수치 해석적 연구

권화빈; 박희성

doi:10.3795/ksme-b.2016.40.6.403

하이브리드/전기 자동차용 수냉식 배터리 셀의 냉각성능에 관한 수치 해석적 연구
Numerical Investigation of Cooling Performance of Liquid-cooled Battery in Electric Vehicles 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.40 no.6 = no.369, 2016년, pp.403 - 408

초록
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리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 안정적인 충전/방전 특성을 내재하고 있어 하이드리드 및 전기자동차에 보편적으로 사용된다. 리튬 이온 배터리의 효율은 배터리 자체의 온도 특성에 직접적인 영향을 받으므로, 열을 효율적으로 냉각하는 기술이 요구된다. 본 논문에서는 수냉식 배터리 냉각 시스템의 냉각 성능과 펌프 소모동력에 관한 전산유체해석을 수행하였다. 이를 위해 배터리 셀의 냉각수 유량 및 냉각 채널의 특성에 따른 냉각 성능을 수치적으로 예측하였다. 이를 바탕으로 250개 배터리 셀을 기준으로 유량 및 차압에 의한 소모동력을 계산하였다. 이러한 연구는 차세대 하이브리드 및 전기자동차의 시간에 따른 배터리의 온도 변화 및 충/방전 효율 최적화 기술에 적용할 수 있는 기초 연구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Lithium-ion batteries are commonly employed in hybrid electric vehicles (HEVs), and achieving high energy density in the battery has been one of the most critical issues in the automotive industry. Because liquid cooling containing antifreeze is important in automotive batteries to enable cold starts, an effective geometric configuration for high-cooling performance should be carefully investigated. Battery cooling with antifreeze has also been considered to realize successful cold starts. In this article, we theoretically investigate a specific property of an antifreeze cooling battery system, and we perform numerical modeling to satisfy the required thermal specifications. Because a typical battery system in HEVs consists of multiple stacked battery cells, the cooling performance is determined mainly by the special properties of antifreeze in the coolant passage, which dissipates heat generated from the battery cells. We propose that the required cooling performance can be realized by performing numerical simulations of different geometric configurations for battery cooling. Furthermore, we perform a theoretical analysis as a design guideline to optimize the cooling performance with minimum power consumption by the cooling pump.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

Table 1에 나타낸 바와 같이 수치해석 모델을 선정하고, 냉각 판과 배터리의 재질은 알루미늄으로 가정하였다. 냉각수의 유동경로 내부에 내벽을 설정하고 벽의 수를 최대 6개까지의 변화시켰고, 내벽의 두께와 유로 및 격벽의 비율을 일정하게 고정하였다.
하이브리드 자동차용(270 V, 1400 Wh, 20 Ah) 리튬이온 배터리 셀의 평균 발열량을 500 W/m²으로 가정하여 수치해석을 수행하였다.⁽¹⁵⁾

제안 방법

그러므로 내부의 전력을 최소화 하는 냉각방식을 제시하려고 한다. 따라서, 냉각을 위한 소모 전력을 최소화 시키기 위한 냉각 판의 구조를 수치해석적으로 연구하였고, 유동경로 내부에 벽의 수를 변화하며 각각의 냉각특성을 예측하였다. 특히 자동차에 사용되는 배터리는 작동 온도 범위가 영하의 저온도 포함되므로 프로필렌 글리콜(Propylene glycol: PG)가 포함된 냉각수를 사용한다.
본 논문은 배터리 냉각방식 중 수냉식에 대하여 온도분포와 압력분포에 대한 해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. 최대 허용온도(55℃)를 유지하기 위한 프로필렌 글리콜(50 wt %)을 사용한 수냉식 배터리 셀 냉각에 대한 수치해석을 수행하였다.
이러한 수치 해석 결과를 이용하여 250개의 셀을 가진 배터리 팩의 유량, 압력강하 및 온도분포를 계산하여 냉각을 위한 펌프 소모 전력을 예측하였다.
그렇지만 유동 및 열 경계층의 정확한 해석을 위해 611,487개의 격자를 사용하였다. 초기 배터리 온도를 외기 온도인 40 °C (313.15 K)⁽⁷⁾으로 설정하고 아래 면에서 열 유속으로 인한 발열에 대하여⁽¹⁵⁾ 열 및 유동 분포에 관한 수치해석을 수행하였다.
본 논문은 배터리 냉각방식 중 수냉식에 대하여 온도분포와 압력분포에 대한 해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. 최대 허용온도(55℃)를 유지하기 위한 프로필렌 글리콜(50 wt %)을 사용한 수냉식 배터리 셀 냉각에 대한 수치해석을 수행하였다.
특히 자동차에 사용되는 배터리는 작동 온도 범위가 영하의 저온도 포함되므로 프로필렌 글리콜(Propylene glycol: PG)가 포함된 냉각수를 사용한다. 프로필렌과 글리콜과 물의 혼합액을 사용하여 전기자동차용 배터리의 냉각 성능 및 소모 전력을 예측하였다

대상 데이터

그 결과 348,410개 이상에서 온도가 균일하게 해석 되었다. 그렇지만 유동 및 열 경계층의 정확한 해석을 위해 611,487개의 격자를 사용하였다. 초기 배터리 온도를 외기 온도인 40 °C (313.

데이터처리

상용 해석 소프트웨어(COMSOL)을 이용하여 배터리 셀의 냉각에 대한 온도분포, 유량 및 압력분포를 계산하였다.

이론/모형

열유동 해석 모델의 도메인에 격자를 직육면체 요소로 격자계를 구성하였다. 식 (1) ~ (3)의 비압축성 유체의 연속방정식과 Reynolds-Average Navier-Stokes equations(RANS)를 이용하여 유한 요소법으로 이산화 하였다. 해석 결과의 타당성을 입증하기 위하여 수렴 조건은 10^-4으로 설정하였고, 식 (4)를 이용하여 정상상태의 열전달을 검증하였다.

성능/효과

(1) 배터리 셀에 대하여 냉각수 유량이 0.01746 L/min일 때 유로 내벽의 개수를 증가시키면 냉각 성능이 증가하나 내부의 차압도 역시 증가하였다. 즉 단일 내벽의 경우 최대온도가 327.
(2) Case 1과 같이 단일 냉각유로를 적용한 250개의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩의 최대 온도를 55 ℃이내로 유지하기 위해서는 12.73 W의 펌프소모전력이 필요할 것으로 예측된다.

후속연구

(3) 본 연구에서 제시한 수치해석 기법 및 결과에 대한 검증을 위해 실험적인 연구가 더 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리륨 이온 전지를 사용한 파워트레인을 이용하여 상용화 되는 기술에는 어떤 것이 있는가?	이러한 리륨 이온 전지를 사용한 파워트레인을 이용하여 상용화 되는 기술은 기존의 엔진과 전기모터 기술을 채용한 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle: HEV)(2)와 전기모터만으로 동작하는 전기 자동차(Electric Vehicle: EV)가 있다. 하이브리드 자동차와 전기자동차는 배기규제와 높은 유가로 인해 대한민국을 포함한 미국, 유럽, 중국 등 전 세계에서 확산되고 있으므로 신진기술확보에 노력을 기울여야 한다.
	리튬 이온 전지의 장점은 무엇인가?	전 세계적으로 친환경자동차 개발이 활발히 이루어지고 있다. 현재까지 친환경자동차용 에너지 저장장치에 사용되는 배터리로써 가장 각광받고 있는 리튬 이온 전지는 에너지밀도가 높아 경량화에 이점이 있고 전해질의 반응 효율이 높다. 또한 기억 효과가 없어 수명이 길다는 장점을 가지고 있다.(1)
	배터리의 동작 허용 온도를 55 °C 이하로 제한하는 이유는 무엇인가?	전기자동차와 하이브리드 자동차는 구동을 위한 대용량의 배터리가 요구되고, 배터리 발열에 대한 냉각기술의 필요성도 증가한다. 배터리 시스템의 기계적 오류가 발생하면 자동차의는 화재(3) 또는 배터리 셀의 온도 불균형 증가로 배터리의 수명이 감소하거나 배터리 팩의 열폭주가 나타날 수 있다.(4~6) 그러므로 안정성을 고려하여 배터리의 동작 허용 온도를 55 °C 이하로 제한한다(7)

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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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