[논문]배터리 모듈의 경량화 및 품질 향상을 위한 선택적 복합재료 패치에 관한 연구

이승찬; 하성규

doi:10.7234/composres.2019.32.1.013

배터리 모듈의 경량화 및 품질 향상을 위한 선택적 복합재료 패치에 관한 연구
A Study on Selective Composite Patch for Light Weight and Quality Improvement of Battery Module 원문보기

Composites research = 복합재료, v.32 no.1, 2019년, pp.13 - 20

이승찬 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University) , 하성규 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University)

초록
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본 연구에서는 전기 자동차의 주요 부품 중 하나인, Battery Module의 품질 Issue 및 부품특성 개선을 위해 복합재료를 사용하여 구조보강 하였으며, 단일소재의 단점을 극복할 수 있는 Hybrid 개념의 기구 구조 최적화를 수행하고 성능을 비교하였다. 이를 위해 고전 적층 판 이론(Classical Laminated Plate Theory, CLPT)에 따른 복합재료 주요 설계 변수 도출 및 복합재료 물성 예측 알고리즘에 대해 연구하였으며, 설계된 복합재료의 기계적 물성을 바탕으로 유한요소해석(FEM)을 통해 Battery Module의 성능을 검증하였다. 이를 통해 자동차 Battery 부품의 안정성 및 경량화 등의 부품 특성 개선 여부를 확인할 수 있었다. 최종적으로 검증결과에 따르면 Selective Composite Patch로 보강된 Hybrid Battery Module은 기존 Al Battery Module에 비해 30%의 중량 감소 및 제품 두께 32.5%를 줄일 수 있고, 충격 성능 유지 등 Hybrid 구조의 장점을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, in order to improve the quality issue and component characteristics of the battery module, which is one of the major parts of the electric vehicle. The structure is reinforced by using the composite material and the mechanism structure optimization of Hybrid concept which can overcome the disadvantages of single material was performed and the performance was compared. For this purpose, figure out the main design variables of composite materials according to Classical Laminated Plate Theory (CLPT) and the algorithm for predicting composite material properties have been studied. Based on the mechanical properties of the designed composite materials, finite element analysis (FEM) and the performance of the battery module was verified. Consequently, according to the verification result, Hybrid Battery Module reinforced with Selective Composite Patch can reduce the weight by 30% and reduce the product thickness by 32.5% compared with the existing Al battery module and proved the merit of Hybrid structure such as maintaining impact performance.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Schematics of Battery Module [3]
그림 Fig. 2. New structure of Battery Module
그림 Fig. 3. Research Procedure
그림 Fig. 4. Volume Expansion of Battery Cell [7]
그림 Fig. 5. Stack stress of Battery Module by Swelling [8,9]
그림 Fig. 6. Module assembly structure inside battery pack
그림 Fig. 7. The schematic of Impact simulation
표 Table 1. Deformation by Composite thickness
그림 Fig. 8. Fiber Laminating Direction
표 Table 2. Deformation by Composite thickness
표 Table 3. Deformation Improvement Effect by Ply Angle
그림 Fig. 9. Stress-Displacement Distribution
표 Table 4. Laminating Condition of Impact Analysis
그림 Fig. 10. Absorbed Energy by Angle
그림 Fig. 11. Absorbed Energy by Thickness
표 Table 5. Absorption Energy Characteristics by Composite Design

AI 본문요약
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문제 정의

복합재료를 활용한 Hybrid Module은 기구제품 내 선택적으로 Composite를 보강하여 물성한계 극복 및 복합재료의 범용화를 목적으로 연구하였다. 하여 Composite 선정은 가격 경쟁력과 적합한 물성 및 적용제품의 특성을 고려한 검토가 이루어져야 한다.
Static Analysis 결과에서 보듯이, 복합재료는 기본적으로 우수한 역학적 특성을 보이나 Transversely Isotropy 성질로 인하여, 다양한 외부 하중에 대해 동일한 역학적 특성을 기대할 수 없다. 본 논문에서는 충격부하에 대한 역학적 특성 평가를 위하여, Fig. 7과 같이 Crushing Load에 의한 충돌 Mechanism을 고려하여, 노드 사이의 침입 량 및 하중 변위를 통해 Absorption Energy Characteristics을 도출하였다. Fig.
본 논문의 구조 해석은 Battery Swelling 현상으로부터 구조적으로 발생하는 내부 압력 및 발열을 효과적으로 제어하기 위한 최적 구조 및 복합재료 설계 Spec 도출을 목적으로 Abaqus Static Simulation을 진행하였다.
본 연구에서는 Hybrid Battery Module의 충돌 성능을 평가하기 위해서 Abaqus Impact Simulation을 수행하였다.
본 연구에서는 경량화 및 Slim화에 대한 Needs가 강한 자동차 부품류의 신규 Design Trend에 대응하기 위한 복합재료의 활용방안에 대하여 검토하였으며, 기계적 특성 강화를 위해 Classical Laminated Plate Theory을 바탕으로 주요 설계 변수 도출 및 최적화를 진행하였다.
전기 자동차에서 Battery 부품이 차지하는 중량은 차체 중량의 40%로, 에너지 효율화를 극대화하기 위하여, 자동차 업계에서는 Battery 부품의 중량을 줄이기 위한 여러 연구가 진행되고 있다[1]. 본 연구에서는 자동차 부품 경량화 Needs에 맞추어, Battery Module을 Target으로 구조 보강용 복합 재료를 적용한 Hybrid Battery Module의 구조 최적화 및 경량화를 이루고자 한다.
Swelling 현상에 의한 내압 증가로 8 mm 구간의 변형이 발생하며, 이로 인해 3 mm부의 2차 변형을 유발하여, Cooling Plate와의 Gap이 커지면서 냉각저하가 발생한다. 이러한 구조 특성을 고려하여, 강성확보가 필요한 8 mm 부를 비강성, 비강도가 높은 복합재료로 보강하여, Hybrid Battery Module 구조를 통해 변형 개선 및 냉각효율 개선 및 부품 경량화를 이루고자 한다.

제안 방법

Battery Module의 Stack Stress 조건하에서 0°~90° 사이의 적층 값 중, 영향도가 큰 θ 값을 Step 1과 Step 2 과정을 통해 도출하였으며, Step 3에서는 0°와 90°의 적층 순서를 변형하여, Laminating Sequence에 의한 유의차 확인하였다.
Hybrid 구조 최적화를 위해, 복합재료를 2.5t에서 5t까지 0.5t 단위로 보강하여, 복합재료 두께에 따른 변형 영향도를 해석을 통해 분석하였으며, 초기 Ply Angle(θ)은 [0/90/±45]s로 설정하였다.
Ply Angle 검증을 위한 유한요소 해석 절차는 Case 1의 Quasi-Isotropic Laminating을 기준으로 5단계, 총 10 Case로 Laminating Angle에 따른 경향성 분석을 통해 최적 값을 도출하였다(Table 2).
Step 1에서 Ply Angle에 의한 유의차를 비교하였으며, Step 1과 Static Analysis에서 도출한 최종 Angle Condition을 Step 2에 적용하여, Al Battery Module의 Absorption Energy Characteristics 이상의 역학적 특성을 확보할 수 있는 최소 Ply Thickness을 선정하였다.
검증한 Case 1~4를 기준으로 Battery Module의 Safety Spec 및 Stack Stress 현상을 고려한, 최종 Laminating Angle Condition을 [0/90/±60/90]s로 선정하였으며, Safety Rate Spec을 기준으로 Cost 절감 및 제품 경량화를 위한 Patch의 최소 필요 두께는 2.25t(mm)이다.
또한 Battery Module의 충격 흡수 성능 기준 수립을 위해 안전 성능 검증을 마친 Al Body Battery Module의 에너지 흡수특성을 기준으로 Hybrid Battery Module의 구조 및 CFRP 복합재료를 설계하였다.
또한 Static과 Impact 두가지 상황에서의 요구물성을 모두 만족시켜야 하므로 시행착오법(Trial and Error) 방법을 통해, 복합재료 주요 설계인자를 변경하면서 진행하였다.
복합재료의 물성은 기존 Aluminum Body와 유사하도록 Safety rate를 고려하여 설계하였다.
본 논문에서는 Fig. 2b와 같이, Battery Module을 3 mm의 균일한 단면으로 압출 후, 복합재료를 Module에 Bonding하여 구조를 보강하는 Hybrid 구조를 도출하여, 고전 적층 판 이론을 통한 복합재료 설계와 구조해석을 통해, 최적 설계를 수행하였다.
하여 Composite 선정은 가격 경쟁력과 적합한 물성 및 적용제품의 특성을 고려한 검토가 이루어져야 한다. 본 논문에서는 다양한 산업분야에서 일반적으로 사용되는 T700 탄소 섬유와 Epoxy Resin을 사용하였으며, 복합재료의 물성은 경량화와 고가의 복합재료 Cost 절감을 위하여, 기존 Aluminum Body의 Safety Factor을 반영하여, 유사하도록 설계하였다.
본 논문에서는 추가적으로 Battery Module 부품의 외부 하중 및 기계적 거동을 반영한 Ply Angle 검증을 통해, Selective Composite Patch의 최적화를 진행하였으며, Ply Angle 배열 방향 기준은 Fig. 8과 같다.
외부 하중에 따른 복합재료의 물성 거동을 고전 적층 판 이론(Classical Laminated Plate Theory, CLPT)을 바탕으로 수식화 한 응력-변형률 Tool을 통해, 적층 복합재료의 최적 두께, Ply Number 및 Angle을 설계하였으며, 설계된 복합재료 Spec을 이용하여 Abaqus를 활용한 구조해석을 진행하였다.
이는 제품에 가해지는 외부 하중조건에 대하여 복합재료 설계 변수에 따라 큰 기계적 물성차를 보일 수 있음을 시사한다. 위 내용의 검증 및 최적화를 위하여, 검토 제품인 Hybrid Battery Module의 설계 방법에 따른 기구적 특성을 분석하여 설계 변수에 따른 영향도 검증 및 설계 Spec을 제시하였다.
위와 같은 Process를 통해 제품의 More Light & Lower Cost 등의 목표를 달성할 수 있는 복합재료 설계 및 CAE 검증을 수행하여, 최적의 Hybrid Battery Module 설계 구조를 도출하였으며, 본 논문의 연구 절차는 Fig. 3과 같다.
위와 같이 Step 1~4를 통해 Stack Stress하에서 최적의 Ply Angle를 도출하였으며, 최종 Step 5에서 두께 변위를 2.0~2.6 mm까지 0.05 mm 단위로 세분화하여 최종 Composite Thickness를 선정하였다.
최적의 Absorption Energy Characteristics을 갖는 Composite Patch 설계를 위하여, Ply Angle 및 Thickness 차이에 대한 유의차 검토를 진행하였다.
최종적으로 복합재료 Ply Angle 및 Thickness는 Absorption Energy Characteristics 및 제품 경량화와 고가의 복합재료 Cost 절감을 위하여, Al Module과 동등 이상의 Energy 특성을 갖는 Case 6(Table 5)의 Laminating Condition으로 선정하였다.
Battery Module의 Stack Stress 조건하에서 0°~90° 사이의 적층 값 중, 영향도가 큰 θ 값을 Step 1과 Step 2 과정을 통해 도출하였으며, Step 3에서는 0°와 90°의 적층 순서를 변형하여, Laminating Sequence에 의한 유의차 확인하였다. 추가로 Step 4에서 Thin Ply을 통해, Angle 변위를 세분화하여 영향도를 검증하였다.
충돌 기준은 Fig. 7과 같이, Crushing Load와 Battery Module 및 Fixed Barrier로 구성되어 있고, Crushing Load를 1000 mm/s의 속도로 Barrier에 고정되어 있는 Battery Module에 충돌하는 Battery 부품 신뢰성 항목에 맞추어 진행하였다.
해석 방법은 Battery 충전 및 방전 시, 발생하는 Swelling과 Stack stress를 반영한 Static Analysis와 외부 충격에 대한 최적 에너지 흡수특성을 갖는 복합재료 설계 안 도출을 위한, Impact Analysis로 나누어 수행하였다.

대상 데이터

본 연구의 Target 제품인 Battery Module 역시, Al 압출공정을 거쳐 제조되며, 길이방향 단면은 균일한 형상을 갖는다(Fig. 1a). 길이방향으로 균일한 형상을 갖지만, 단면 두께의 경우 3 mm와 8 mm, 다른 두께차이를 갖는다.

성능/효과

1. 본 논문에서 적용 검토한 Unidirectional laminated composite material의 경우, 섬유 방향은 높은 물성을 갖으나, 섬유 수직방향의 경우 상대적으로 낮은 물성을 갖는다. 이는 제품에 가해지는 외부 하중조건에 대하여 복합재료 설계 변수에 따라 큰 기계적 물성차를 보일 수 있음을 시사한다.
2. Stack Stress에 의한 구조적으로 발생하는 내부 압력 및 발열을 효과적으로 제어하기 위한 Static Analysis 분석 결과, Stack Stress에 수직인 Ply Angle 90 o 방향으로 Total Laminating Angle이 클수록 Bending Stiffness 높은 것으로 나타났다.
3. 적층 구성에 따른 Absorption Energy Characteristics 비교 시, Static Analysis 경향과 달리, 충돌방향에 가까운 Ply Angle 0~15° 에 가까울수록 우수한 경향을 보이며, 복합재료 두께 증가에 따라 비례하게 Absorption Energy Characteristics 이 향상되는 것을 확인하였다.
Case 별 Deformation 및 Safety Rate 분석 결과, 적층 된 판재의 Total Laminating Angle(본 논문에서는 Total Laminating Angle을 적층 된 모든 Ply의 Angle을 합한 값으로 정의하였다. ) 이 클수록, 즉 적층 각이 90°에 가까울 수 록 변형 개선 효과가 큰 것으로 나타났으며, 동일 Ply Angle에 Laminating Sequence을 다르게 하여 비교한 결과는 Ply Angle 대비 영향도가 미비한 것을 알 수 있었다.
9은 Al Module과 Hybrid Module의 Stress-Displacement 분포도를 나타낸다. Static Analysis에서 도출한 최종 적층 조건의 Hybrid Module과 Al Module의 비교 해석 결과, Hybrid Module의 경우 Al 일체형 대비 2배 이상의 최대 응력이 Composite Patch부에서 발생하며, 변형 값은 유사한 경향을 보임을 확인하였다.
단위 질량당 흡수에너지 및 단위 체적당 흡수에너지는 Al Battery Module 대비, Composite Patch를 보강한 Hybrid Module이 우수하였고, Ply Angle에 따라 Absorption Energy 에 큰 차이가 있음을 알 수 있었다.
적층 구성에 따른 Absorption Energy Characteristics 비교 시, Static Analysis 경향과 달리, 충돌방향에 가까운 Ply Angle 0~15° 에 가까울수록 우수한 경향을 보이며, 복합재료 두께 증가에 따라 비례하게 Absorption Energy Characteristics 이 향상되는 것을 확인하였다. 또한 복합재료의 경우 Aluminum 대비, 단위질량당 Absorption Energy Characteristics 이 높은 것을 알 수 있었다.
또한, Composite Patch 설계 시, 충돌 방향 기준으로 15° 부근이 최적의 Ply Angle 조건이며, 충돌 수직 방향으로 Ply Angle이 증가할수록 Absorption Energy Characteristics이 급격하게 감소하였다.
위와 같이 복합재료의 특징인 높은 비강성에 의해, 기존 8 mm 두께의 Aluminum 구조를 3t로 변경하면서, 2.6 mm의 Composite Patch를 활용하여 30% 이상의 두께절감 및 29% 이상의 무게 절감이 가능하다.
이는 CFRP 복합재료를 경량화용 구조 제품에 적용하는 것이, 정적 하중 만 아니라 충격 하중 조건에서도 우수한 역학적 특성을 보이며, 적층 방향은 충동방향 기준으로 0°~15° 범위가 최적임을 알 수 있었다.
즉, Al 일체형의 Battery Module보다 Composite Patch를 보강한 Hybrid Module이 충격 특성이 우수했다. 이는 CFRP 복합재료를 경량화용 구조 제품에 적용하는 것이, 정적 하중 만 아니라 충격 하중 조건에서도 우수한 역학적 특성을 보이며, 적층 방향은 충동방향 기준으로 0°~15° 범위가 최적임을 알 수 있었다.
최종적으로 Hybrid Battery Module Concept 적용 시, 두께 절감 32.5%, 무게 절감 30%의 개선 효과를 확인하였으며, Cooling Plate와의 접지 부 변형률 약 33% 향상을 통해, 냉각 효율 개선 및 기존 Al Battery Module 대비 동등 이상의 Absorption Energy Characteristic 특성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
추가로 진행한 Thin Ply 적용을 통한 Ply Angle 세분화의 경우도 90° Angle로 보강하는 Case 대비 Safety Rate가 낮은 것을 확인하였다.

후속연구

단일 소재의 단점을 극복할 수 있는 Hybrid Battery Module 의 사전 연구를 통해, 개발 시간 단축 및 실험 비용 절감 효과를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Battery Module 부품의 경우 AI 압출 일체형 구조로 생산하는 이유는?	자동차업계를 중심으로 상대적으로 가벼우면서 기계적 성질 및 방열특성이 우수한 Al 합금의 적용 비중이 높아지고 있으며, Al 가공 기술 중 하나인 압출공정은 공정비용이 저렴한 이유로 개발이 활발이 진행되고 있다[2].
	Battery Module의 목적은?	Battery Module은 Stack Stress특성과 같이 Battery Cell의 성능 및 수명 향상 등의 효율적 관리를 위한 역할과 동시에, Battery Pack과 함께 외부 충격으로 부터 Battery System을 보호하는 2차 안전장치이다.
	Battery 부품의 중량을 줄이는 이유는?	전기 자동차에서 Battery 부품이 차지하는 중량은 차체 중량의 40%로, 에너지 효율화를 극대화하기 위하여, 자동차 업계에서는 Battery 부품의 중량을 줄이기 위한 여러 연구가 진행되고 있다[1]. 본 연구에서는 자동차 부품 경량화 Needs에 맞추어, Battery Module을 Target으로 구조 보강용 복합 재료를 적용한 Hybrid Battery Module의 구조 최적화 및 경량화를 이루고자 한다.

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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