원통형 리튬이온 배터리를 이용한 배터리 팩의 냉각을 위한 해석을 수행하였다. 파우치형에 비해서 원통형 셀을 이용한 배터리 팩은 저렴하면서 신뢰도가 우수한 것으로 알려져 있다. 단지 부피가 파우치 타입에 비해서 크고 디자인적으로 제약이 있다라는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 18650 배터리를 이용한 배터리팩의 냉각성능을 해석을 통하여 예측하였다. 배터리팩의 온도 안정성은 자동차용 배터리 팩에서 가장 중요한 부분이기 때문이다. 해석을 수행하기 전에 발열 시험을 수행하였으며 열화상 카메라를 이용하여 온도를 측정하고 해석을 통해서 이에 해당하는 발열량 값을 예측하였다. 이를 바탕으로 배터리 팩의 자연대류와 강제대류 해석을 진행하였으며 각각의 냉각 성능을 비교하였다. 배터리 셀을 직접 냉각하는 직접냉각 방식, 배터리 케이스 상하면을 냉각하는 방식, 배터리 케이스 상하면에 공기 통로를 설치하는 세 가지 방식에 대해서 냉각 성능을 비교하였고, 공기채널 방식이 안정성과 냉각성능 면에서 우수함을 해석을 통하여 입증하였다.
원통형 리튬이온 배터리를 이용한 배터리 팩의 냉각을 위한 해석을 수행하였다. 파우치형에 비해서 원통형 셀을 이용한 배터리 팩은 저렴하면서 신뢰도가 우수한 것으로 알려져 있다. 단지 부피가 파우치 타입에 비해서 크고 디자인적으로 제약이 있다라는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 18650 배터리를 이용한 배터리팩의 냉각성능을 해석을 통하여 예측하였다. 배터리팩의 온도 안정성은 자동차용 배터리 팩에서 가장 중요한 부분이기 때문이다. 해석을 수행하기 전에 발열 시험을 수행하였으며 열화상 카메라를 이용하여 온도를 측정하고 해석을 통해서 이에 해당하는 발열량 값을 예측하였다. 이를 바탕으로 배터리 팩의 자연대류와 강제대류 해석을 진행하였으며 각각의 냉각 성능을 비교하였다. 배터리 셀을 직접 냉각하는 직접냉각 방식, 배터리 케이스 상하면을 냉각하는 방식, 배터리 케이스 상하면에 공기 통로를 설치하는 세 가지 방식에 대해서 냉각 성능을 비교하였고, 공기채널 방식이 안정성과 냉각성능 면에서 우수함을 해석을 통하여 입증하였다.
The 18650 battery cell is known to be reliable and cost effective, but it has a design limitation and low electric capacity compared to pouch-type cells. Because its economy is superior, an 18650-cell-type battery pack is chosen. A reliable temperature is very important in automobile battery packs. ...
The 18650 battery cell is known to be reliable and cost effective, but it has a design limitation and low electric capacity compared to pouch-type cells. Because its economy is superior, an 18650-cell-type battery pack is chosen. A reliable temperature is very important in automobile battery packs. Therefore, in this study, the temperature stability of the battery pack is predicted using CFD simulation. Following 3C discharge tests, the results for the heat generation of the battery cell are compared to the simulation results. Based on these results, a natural convection condition, forced convection condition, direct cell-cooling condition, cooling condition on the upper and lower surfaces of the battery pack, and cooling condition using air channels are all simulated. The results indicate that the efficiency and the performance of the air-channel-type cooling system is good.
The 18650 battery cell is known to be reliable and cost effective, but it has a design limitation and low electric capacity compared to pouch-type cells. Because its economy is superior, an 18650-cell-type battery pack is chosen. A reliable temperature is very important in automobile battery packs. Therefore, in this study, the temperature stability of the battery pack is predicted using CFD simulation. Following 3C discharge tests, the results for the heat generation of the battery cell are compared to the simulation results. Based on these results, a natural convection condition, forced convection condition, direct cell-cooling condition, cooling condition on the upper and lower surfaces of the battery pack, and cooling condition using air channels are all simulated. The results indicate that the efficiency and the performance of the air-channel-type cooling system is good.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
배터리 팩의 자연대류 상태에서의 온도 상승에 대한 해석을 수행하였다. 강제대류를 하지 않은 상태에서의 배터리팩의 온도 상승에 대해 해석을 수행하여 온도가 어느 정도까지 상승하는지 예측을 하고자 해석을 수행하였다. Fig.
(1,5) Liquid를 이용한 냉각 방식이 성능은 우수하지만 추가적인 장치가 필요하고 구조적으로 복잡하고 가격이 비싸 진다 라는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 원통형 배터리 18650을 이용해서 배터리 팩을 구성하고 배터리팩의 냉각 성능을 확인하였다. 18650 규격은 지름 18 mm, 높이 650 mm을 의미한다.
가설 설정
해석은 ANSYS사의 CFX를 이용하여 해석을 수행하였다. 자연대류를 고려하기 위하여 중력과 부력을 고려하였으며 주위 온도는 25도로 가정하였다. 복사도 고려하였 으며 복사를 위한 조건은 Discrete, Surface To Surface 방법을 사용하였다.
제안 방법
18650 배터리를 이용한 자동차용 배터리 팩에 대한 냉각 방식에 따른 성능 차이를 해석을 통하여 예측하였다. 배터리 셀을 직접 냉각하는 방식이 제일 우수하기는 하나 몇 가지 단점이 존재하기 때문에 이를 극복하기 위한 케이스 냉각 방식을 제안하였고, 배터리 케이스 직접 냉각 방식이 가진 문제점을 확인하였다.
그리고 마지막으로 주변부 온도가 38℃인 극한 상황을 고려하여 해석을 수행하였다. Fig.
발열량 23000 W/m 3 를 기반으로 배터리팩의 냉각 예측을 위한 해석을 수행하였다.
18650 배터리를 이용한 자동차용 배터리 팩에 대한 냉각 방식에 따른 성능 차이를 해석을 통하여 예측하였다. 배터리 셀을 직접 냉각하는 방식이 제일 우수하기는 하나 몇 가지 단점이 존재하기 때문에 이를 극복하기 위한 케이스 냉각 방식을 제안하였고, 배터리 케이스 직접 냉각 방식이 가진 문제점을 확인하였다. 공기 토출구 근처에 서만 열전달 계수가 높아지는 문제가 있기 때문에 냉각 효율은 직접 냉각 방식에 비하여 많이 뒤떨지는 것으로 예측되었다.
배터리 케이스 전면부와 후면부에 공기 배출 구멍을 설치하고 공기 흡입구에서 공기를 불어 넣는 강제 대류에 의한 냉각 효과를 보기 위해 해석을 수행하였다. 해석을 위해서 Inlet 조건은 3m/s의 속도를 주었으며 Outlet 조건은 Opening 조건을 인가하였다.
배터리 팩의 자연대류 상태에서의 온도 상승에 대한 해석을 수행하였다. 강제대류를 하지 않은 상태에서의 배터리팩의 온도 상승에 대해 해석을 수행하여 온도가 어느 정도까지 상승하는지 예측을 하고자 해석을 수행하였다.
3과같이 알루미늄 케이스 안에 360개의 18650 셀을 배치하였다. 알루미늄 케이스 외부에 공기 영역을 부여한 후에 부력 조건만 인가하고 해석을 수행하였다. 자연대류 상태에서의 배터리 셀의 온도 분포는 Fig.
5도에 해당하는 발열량을 해석을 통해서 추정하였다. 여기에 해당하는 발열량을 기준으로 배터리 팩의 온도 상승을 해석을 통해서 예측하고 온도 상승을 저감 할 수 있는 방안을 제안하였다.
열화상 카메라의 온도 보정을 위하여 열전대를 이용하여 방사율을 보정하였다. 열전대를 이용하여 온도 측정하고 이에 해당 되는 방사율을 선택하였다. 이를 바탕으로 48.
5도 까지 상승하는 것을 알 수 있다. 열화상 카메라의 온도 보정을 위하여 열전대를 이용하여 방사율을 보정하였다. 열전대를 이용하여 온도 측정하고 이에 해당 되는 방사율을 선택하였다.
18650 규격은 지름 18 mm, 높이 650 mm을 의미한다. 원통형 배터리 팩의 냉각을 위해서 자연대류와 강제대류 방식을 비교하였고 배터리 팩의 온도 균일도와 온도 저감을 위한 방법을 제안하였다.
시간이 지나 면서 배터리 셀 자체에 먼지가 쌓일 수도 있기 때문에 냉각 효율이 저하되는 문제도 발생 될 수있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 본 논문 에서는 배터리 케이스 외부를 냉각하는 방법을 선택하였고 그 성능을 CFD를 통해서 예측하였다. Fig.
이러한 이유는 토출구를 나온 공기가 배터리 케이스 표면에 고르게 분포하지 못하기 때문으로 예측되었다. 이러한 부분을 극복하기 위하여 공기 통로(Air Channel) 를 설치하였고 이 방식은 배터리 셀을 직접 냉각 하는 방식에 못지않은 우수한 냉각 성능을 보이고 있음을 해석을 통하여 입증하였다. 이 방식은 특히 배터리 셀 간의 온도 분포 면에서 직접 냉각 방식에 비해서도 훨씬 우수함을 알 수 있었다.
해석과 실험을 통해서 발열량을 예측하기 위해서 CFD해석을 수행하였다. 해석은 ANSYS사의 CFX를 이용하여 해석을 수행하였다.
대상 데이터
3과 같이 모델링을 한 후에 23000W/m3 을 각각의 셀에 발열 량으로 인가하였다. 해석을 위한 조건을 Fig. 3과같이 알루미늄 케이스 안에 360개의 18650 셀을 배치하였다. 알루미늄 케이스 외부에 공기 영역을 부여한 후에 부력 조건만 인가하고 해석을 수행하였다.
데이터처리
해석과 실험을 통해서 발열량을 예측하기 위해서 CFD해석을 수행하였다. 해석은 ANSYS사의 CFX를 이용하여 해석을 수행하였다. 자연대류를 고려하기 위하여 중력과 부력을 고려하였으며 주위 온도는 25도로 가정하였다.
이론/모형
난류 모델은 k-ε을 사용하였다.
자연대류를 고려하기 위하여 중력과 부력을 고려하였으며 주위 온도는 25도로 가정하였다. 복사도 고려하였 으며 복사를 위한 조건은 Discrete, Surface To Surface 방법을 사용하였다. 난류 모델은 k-ε을 사용하였다.
성능/효과
배터리 셀을 직접 냉각하는 방식이 제일 우수하기는 하나 몇 가지 단점이 존재하기 때문에 이를 극복하기 위한 케이스 냉각 방식을 제안하였고, 배터리 케이스 직접 냉각 방식이 가진 문제점을 확인하였다. 공기 토출구 근처에 서만 열전달 계수가 높아지는 문제가 있기 때문에 냉각 효율은 직접 냉각 방식에 비하여 많이 뒤떨지는 것으로 예측되었다. 이러한 이유는 토출구를 나온 공기가 배터리 케이스 표면에 고르게 분포하지 못하기 때문으로 예측되었다.
기존 해석 조건과 동일하나 Inlet의 속도를 3m/s(5.4e-3m3/s) -> 5m/s (9e-3m3/s) 상승시키고, 주변부 온도를 25 -> 38℃ 로 상승시킨 상태에서 해석을 수행하였다, 해석 결과 셀의 온도는 42.83-42.97℃ 사이에서 분포하는 것을 알 수 있었다.
이러한 부분을 극복하기 위하여 공기 통로(Air Channel) 를 설치하였고 이 방식은 배터리 셀을 직접 냉각 하는 방식에 못지않은 우수한 냉각 성능을 보이고 있음을 해석을 통하여 입증하였다. 이 방식은 특히 배터리 셀 간의 온도 분포 면에서 직접 냉각 방식에 비해서도 훨씬 우수함을 알 수 있었다. 배터리 셀을 직접 냉각하는 방식이 아니기 때문에 안정성 면에서도 우수한 방식이고 냉각 성능도 직접냉각 방식에 비해 대등한 수준임을 해석을 통해서 입증하였다.
18650 배터리의 권장 사용 온도는 Table 1에 볼 수 있듯이 충전 중에는 0-45도, 방전 중에는 －20-60도 임을 알 수 있다. 이 실험을 통해서 배터리 18650 배터리는 표면에서 고르게 열이 방출 되는 것을 알 수 있었으며 자연대류 상태에서 표면온도 48.5도 까지 상승하는 것을 알 수 있다. 열화상 카메라의 온도 보정을 위하여 열전대를 이용하여 방사율을 보정하였다.
배터리 셀을 직접 냉각하는 방식이 아니기 때문에 안정성 면에서도 우수한 방식이고 냉각 성능도 직접냉각 방식에 비해 대등한 수준임을 해석을 통해서 입증하였다. 테슬라의 Liquid를 이용한 방식보다 냉각 성능에서는 떨어질지 모르지만 경제적이고 구조적으로도 단순한 본 논문에서 제안한 공랭 방식으로도 배터리 작동에 필요한 최고 온도인 45도를 맞출 수 있음을 해석적으로 증명하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2차 전지에 주로 사용되는 것은 무엇인가?
전기 자동차, 하이브리드에 사용되는 2차 전지는 주로 리튬이온 배터리가 사용되고 있다. 리튬 이온 배터리는 단위 부피당 용량도 크고 메모리 현상도 니켈 수도 배터리에 비해서 적기 때문에 자동차용으로 사용되고 있다.
원통형 셀을 이용한 배터리 팩의 장점은?
원통형 리튬이온 배터리를 이용한 배터리 팩의 냉각을 위한 해석을 수행하였다. 파우치형에 비해서 원통형 셀을 이용한 배터리 팩은 저렴하면서 신뢰도가 우수한 것으로 알려져 있다. 단지 부피가 파우치 타입에 비해서 크고 디자인적으로 제약이 있다라는 단점을 가지고 있다.
원통형 셀의 단점은 무엇인가?
파우치형에 비해서 원통형 셀을 이용한 배터리 팩은 저렴하면서 신뢰도가 우수한 것으로 알려져 있다. 단지 부피가 파우치 타입에 비해서 크고 디자인적으로 제약이 있다라는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 18650 배터리를 이용한 배터리팩의 냉각성능을 해석을 통하여 예측하였다.
참고문헌 (6)
Kwon, H. and Park., H., 2016, "Numerical Investigation of Cooling Performance of Liquidcooled Battery in Electric Vehicles," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 40, No. 6, pp. 403-408.
Na, J., Li, Z. and Cho, H., 2016, "Comparison of different Air Cooling Channels for Battery Module," International Journal of Applied Engineering Research, ISSN 0973-4562, Vol. 11.
Xu, X. M. and He, R., 2014, "Review on the Heat Dissipation Performance of Battery Pack with Different Structures and Operation Conditions," Renewable and Sustainable Energy Reviews, 29, pp. 301-315.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.