[논문]CFD 해석을 적용한 18650 리튬-이온 배터리 팩의 열 해석 신뢰도 기초 분석

심창휘; 김한상

doi:10.7316/khnes.2020.31.5.489

CFD 해석을 적용한 18650 리튬-이온 배터리 팩의 열 해석 신뢰도 기초 분석
Basic Investigation into the Validity of Thermal Analysis of 18650 Li-ion Battery Pack Using CFD Simulation 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.5, 2020년, pp.489 - 497

심창휘 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과) , 김한상 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The Li-ion battery is considered to be one of the potential power sources for electric vehicles. In fact, the efficiency, reliability, and cycle life of Li-ion batteries are highly influenced by their thermal conditions. Therefore, a novel thermal management system is highly required to simultaneously achieve high performance and long life of the battery pack. Basically, thermal modeling is a key issue for the novel thermal management of Li-ion battery systems. In this paper, as a basic study for battery thermal modeling, temperature distributions inside the simple Li-ion battery pack (comprises of nine 18650 Li-ion batteries) under a 1C discharging condition were investigated using measurement and computational fluid dynamics (CFD) simulation approaches. The heat flux boundary conditions of battery cells for the CFD thermal analysis of battery pack were provided by the measurement of single battery cell temperature. The temperature distribution inside the battery pack were compared at six monitoring locations. Results show that the accurate estimation of heat flux at the surface of single cylindrical battery is paramount to the prediction of temperature distributions inside the Li-ion battery under various discharging conditions (C-rates). It is considered that the research approach for the estimation of temperature distribution used in this study can be used as a basic tool to understand the thermal behavior of Li-ion battery pack for the construction of effective battery thermal management systems.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Schematic of the single cylindrical Li-ion battery used for discharging experiment
그림 Fig. 2. Schematic of the experimental apparatus for the measurement of temperature rise inside the Li-ion battery pack during a constant discharge process
그림 Fig. 3. Geometric configuration of the Li-ion battery pack adopted for the present study
표 Table 1. The specifications of NCR18650B cylindrical battery used for the current study
그림 Fig. 4. Single cylindrical Li-ion battery model adopted for the simulation
그림 Fig. 5. 3-D mesh configuration of the Li-ion battery pack used for CFD thermal simulation
표 Table 2. Macro-scale thermo-physical properties for 18650 battery thermal analysis
표 Table 3. Boundary conditions used for the thermal analysis of simplified Li-ion battery pack
그림 Fig. 6. Comparison of surface temperature profiles of the single cylindrical battery for measured and CFD simulated cases during a 1C discharge
그림 Fig. 7. Measured temperature profiles with time at 6 monitoring points inside the simplified air-cooled Li-ion battery pack (during a 1C discharge)
그림 Fig. 8. Temperature distributions inside the simplified air cooled Li-ion battery pack used for this study (at 3,000 s, during a 1C discharge)
표 Table 4. Measurement and CFD calculated temperatures at the two measuring points for different heat transfer coefficients
표 Table 5. Weighting factors used for the calculation of heat flux on the cylindrical battery surface
표 Table 6. Comparison between measurement and CFD simulation results at h=6 (W/m²·K) condition for the six monitoring points (at t=3,000 s)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 단일 원통형 배터리에 대한 CFD 열 해석에 얻어진 결과를 활용하여 방전 중에 발생하는 배터리 표면에서의 열 유속 데이터를 제공하여 열 해석의 신뢰도를 향상시키고자 하였다.
본 논문에서는 배터리 시스템의 열 관리 기초 연구로 단순화된 공랭식 원통형 LIBs 팩(18650 배터리 팩)에 대한 열 해석의 신뢰도에 대한 기본적 고찰을 진행하였다. CFD 열 해석과 온도 측정 실험을 통해 얻어진 결과를 다음과 같이 정리하였다.
본 연구에서는 LIBs 시스템의 열 관리 기초 연구의 일환으로 단순화된 원통형 LIBs 팩(18650 배터리 팩)에 대한 온도 해석 신뢰도에 대한 기본적인 고찰을 수행하였다.
본 연구에서는 공기 냉각 방식 배터리 팩의 냉각 성능 파악을 위하여 단순화된 LIBs 팩 열 해석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 배터리 팩 열 해석 결과가 단위 원통형 배터리의 열 해석과 연계하여 진행 시 해석의 신뢰도가 개선될 수 있는 가능성을 제시하였다.
본 절에서는 단순화된 배터리 팩의 온도 분포 파악을 위한 실험 연구의 첫 단계로 단일 원통형 배터리 셀에 대한 온도 분포 측정을 기술한다. 실험에 적용된 단일 LIBs (NCR18650B type)의 표면 온도 측정 실험을 위한 사진이 Fig.
이와 같은 연계 연구 결과는 LIBs의 열적 거동을 보다 정확히 이해하여 효율적인 배터리 열 관리 시스템을 구축하는 데 매우 중요한 기반이 되는 해석 기술이 될 수 있는 가능성을 제시한다.

가설 설정

2) 배터리 시험기와 측정 기기들도 전원을 켠 상태로 1시간 정도 안정화되도록 한다.
배터리의 방전 조건은 1 C-rate로 정하여 실험을 수행하였다. 온도 측정은 배터리의 3개 부분(Point 1-3)에 대해서 J-type 열전대를 적용하여 진행되었다.

제안 방법

1) 단일 원통형 배터리에 대한 전기화학적-열적 모델 적용을 통하여 배터리의 대류 열전달 계수 조건에 따른 발열량과 배터리 표면에서의 열 유속을 파악하여 이를 단순 배터리 팩 열 해석의 열 유속 경계조건 데이터로 활용하였다.
해석에 적용된 경계조건을 Table 3에 정리하여 제시하였다. Table 3에 나타낸 바와 같이 아크릴로 제작된 배터리 팩 벽면은 벽 경계조건을 적용하였고, 팩의 입구는 속도 경계조건을, 팩의 출구에는 압력 경계조건을 적용하여 해석을 수행하였다.
해석의 편의성을 위하여 배터리는 매끈한 형태의 실린더 형태로 CAD 소프트웨어에서 단순화 모델링되어 격자 생성에 적용되었다. 공기 냉각 방식을 적용하는 배터리 팩이므로 공기를 매질로 한 열, 유동 해석을 진행하였다. 해석에 적용된 경계조건을 Table 3에 정리하여 제시하였다.
공랭식 배터리 팩의 경우 유입되는 공기로 인해 강제 대류 냉각 효과가 나타나므로 대류 열전달 계수를 4-10 W/m2·K로 변화시키면서 해석을 수행하였다.
또한 열전달 계수 6 W/m2·K인 조건에서 제시된 가중치를 단위 배터리 표면 열 유속 계산값에 적용하여 CFD 해석을 수행하였으며 온도 측정값과 비교하였다.
배터리 팩 내부의 주요 지점인 6개의 측정점(Fig. 3)을 지정하여 온도를 측정하였다. 배터리의 냉각 성능 분석을 위하여 배터리 팩의 입구를 통해 일정 유량의 공기를 유입시켜 1C 방전 조건에서 배터리 팩 내 온도 측정 실험을 수행하였다.
3)을 지정하여 온도를 측정하였다. 배터리의 냉각 성능 분석을 위하여 배터리 팩의 입구를 통해 일정 유량의 공기를 유입시켜 1C 방전 조건에서 배터리 팩 내 온도 측정 실험을 수행하였다. 실험은 주위 온도 조건에서 진행되었다.
본 논문에서는 연계 해석의 결과를 활용하여 9개의 배터리 간 열 유속 차이를 가중치를 써서 고려하였다. 이 때 사용된 가중치는 Table 5에 정리하여 나타내었다.
18650 원통형 LIBs 팩의 방전 조건 하에서 열 해석의 신뢰도 고찰을 위한 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 배터리 방전 특성에 따른 배터리 팩 내 온도 분포 측정이 진행되었다. 이 실험을 위한 장치를 Fig.
본 연구에서는 이와 같은 해석에서의 신뢰도 제한점을 현실적으로 보완, 극복하기 위하여 대류 열전달 계수를 변화시키면서(5-10 W/m2·K) 해석을 수행하고 이를 통해 산정된 배터리 표면에서 열 유속 결과를 다음 절에 제시한 단순화된 배터리 팩 열 해석을 위한 경계조건으로 적용하였다
8은 3가지 열 유속 경계조건에 대하여 CFD 열 해석을 통한 단순 배터리 팩의 온도 분포를 나타낸 것이다. 본 해석에서는 단일 원통형 배터리 열적 연구에서 얻어진 배터리의 표면 온도와 대류 열전달 계수를 적용하여 배터리 표면에서의 열 유속을 계산하였다. 이를 배터리 팩 온도 분포 해석을 위한 경계조건으로 적용하였다.
배터리의 방전 조건은 1 C-rate로 정하여 실험을 수행하였다. 온도 측정은 배터리의 3개 부분(Point 1-3)에 대해서 J-type 열전대를 적용하여 진행되었다. 측정된 3개의 온도를 평균하여 CFD 해석 결과와의 비교에 사용하였다.
본 해석에서는 단일 원통형 배터리 열적 연구에서 얻어진 배터리의 표면 온도와 대류 열전달 계수를 적용하여 배터리 표면에서의 열 유속을 계산하였다. 이를 배터리 팩 온도 분포 해석을 위한 경계조건으로 적용하였다.
해석에 적용된 모델은 electro-thermal 모델에 기반하여 상세한 전기화학적 반응은 고려하지 않고 주어진 방전 조건에서 18650 LIBs 내 방전율에 따라 배터리 내의 전기화학 반응으로 인해 발생하는 열 유속을 입력값으로 사용하였다. 이를 이용하여 발생된 열량이 배터리 표면을 통해 방출되는 물리적인 현상을 전도와 대류가 포함한 열전달 해석을 수행하여 배터리 표면 온도를 구하였다.
첫째로 단일 LIBs에 대한 온도 분포 파악을 위하여 18650 배터리에 대한 온도 측정 및 상용 CFD tool인 AVL FIRE (AVL List GmbH, Graz, Austria)를 적용한 열 해석을 수행하였다. 이를 통해 단순 배터리 팩 해석 수행에 필수적으로 요구되는 단일 원통형 배터리에 대한 열 유속 분포를 보다 신뢰도 있게 제공할 수 있었다.
본 연구에서는 공기의 추가 공급 등을 이용한 강제 냉각은 이루어지지 않았고 실험이 진행된 연구실 내 공기에 의한 자연적 냉각만이 고려된 상태에서 수행되었다¹⁰⁾. 특히 실험에서는 배터리와 배터리 홀더 사이의 접촉을 최소화하여 배터리 온도 변화에 홀더가 영향을 주지 않도록 세팅하였다.

대상 데이터

18650 원통형 LIBs 팩의 방전 조건 하에서 열 해석의 신뢰도 고찰을 위한 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 배터리 방전 특성에 따른 배터리 팩 내 온도 분포 측정이 진행되었다.
Fig. 2에 제시된 바와 같이 실험 장치는 LIBs 팩, 디지털 로더, 백금 측온 저항 온도 센서, 배터리 보호 회로, 배터리 냉각을 위한 공기 공급 장치 등으로 구성되었다. 실험의 핵심인 공기 냉각 방식의 단순 배터리 팩은 9개의 18650B LIBs를 3개씩 병렬로 구성하여 설계되었고 배터리 팩의 벽면은 아크릴 재질로 제작되었다.
본 연구에 적용된 18650 원통형 배터리의 제원을 정리하여 Table 1에 나타내었으며 단일 원통형 배터리 열 해석을 위해 적용된 열 물성치 값들을 Table 2에 정리하여 나타내었다. 단일 원통형 배터리 해석을 위한 격자는 Fig.
단일 원통형 배터리의 표면 온도를 구하기 위해 상용 CFD tool을 사용하여 열 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 열 해석을 위하여 AVL 사의 상용 CFD 코드인 FIRE v2019를 사용하였다.
본 절에서는 단순화된 배터리 팩의 온도 분포 파악을 위한 실험 연구의 첫 단계로 단일 원통형 배터리 셀에 대한 온도 분포 측정을 기술한다. 실험에 적용된 단일 LIBs (NCR18650B type)의 표면 온도 측정 실험을 위한 사진이 Fig. 1에 제시되어 있다.
2에 제시된 바와 같이 실험 장치는 LIBs 팩, 디지털 로더, 백금 측온 저항 온도 센서, 배터리 보호 회로, 배터리 냉각을 위한 공기 공급 장치 등으로 구성되었다. 실험의 핵심인 공기 냉각 방식의 단순 배터리 팩은 9개의 18650B LIBs를 3개씩 병렬로 구성하여 설계되었고 배터리 팩의 벽면은 아크릴 재질로 제작되었다. 자세한 형상은 Fig.
해석에 적용된 모델은 electro-thermal 모델에 기반하여 상세한 전기화학적 반응은 고려하지 않고 주어진 방전 조건에서 18650 LIBs 내 방전율에 따라 배터리 내의 전기화학 반응으로 인해 발생하는 열 유속을 입력값으로 사용하였다. 이를 이용하여 발생된 열량이 배터리 표면을 통해 방출되는 물리적인 현상을 전도와 대류가 포함한 열전달 해석을 수행하여 배터리 표면 온도를 구하였다.

이론/모형

단일 원통형 배터리의 표면 온도를 구하기 위해 상용 CFD tool을 사용하여 열 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 열 해석을 위하여 AVL 사의 상용 CFD 코드인 FIRE v2019를 사용하였다.

성능/효과

3) 단순화 배터리 팩의 온도 측정에서는 배터리 팩의 출구 쪽 가운데 지점(Point 4)에서 온도(실험 결과: 36.5℃, 해석 결과: 36.2℃)가 가장 높게 나타난 반면 가장 낮은 온도는 공기 유동에 직접적인 영향을 받는 Point 1 (실험 결과: 26.6℃, 해석: 28.8℃)에서 나타난다.
4) 단위 원통형 배터리와의 연계 해석 시 각 배터리 표면에서 열 유속의 가중치를 고려하여 배터리 팩 내 온도 분포 예측의 정확도를 높일 수 있다.
둘째로 단순화된 공랭식 배터리 팩을 제작하여 배터리 방전 조건에서 배터리 팩 내 온도 분포 측정을 진행하고 얻어진 결과를 CFD 해석 결과와 비교하여 배터리 팩의 열 해석의 신뢰도를 검증할 수 있었다.
대부분의 배터리 팩 열 해석의 경우 배터리 주위의 냉각 통로가 주요 해석 대상이므로 배터리 방전 중 발생하는 열 유속은 배터리 바깥 표면에서 CFD 해석의 경계조건 형태로 제공되어 계산을 진행하게 된다. 따라서 9개의 단일 원통형 배터리의 주위에서 발생하는 열 유속 값을 정확히 지정해야 신뢰도 있는 해석 결과를 얻을 수 있다.
첫째로 단일 LIBs에 대한 온도 분포 파악을 위하여 18650 배터리에 대한 온도 측정 및 상용 CFD tool인 AVL FIRE (AVL List GmbH, Graz, Austria)를 적용한 열 해석을 수행하였다. 이를 통해 단순 배터리 팩 해석 수행에 필수적으로 요구되는 단일 원통형 배터리에 대한 열 유속 분포를 보다 신뢰도 있게 제공할 수 있었다.
반면 Point 1의 경우 배터리 팩으로 유입되는 입구 유동을 바로 통과될 수 있는 위치로 냉각 측면에서 유리한 위치이며, Point 6은 배터리 팩 출구에 위치하고 있어 단일 배터리의 발열의 영향에 직접 영향을 받지 않는 부분이어서 온도의 상승이 다른 측정점에 비하여 상대적으로 작음을 알 수 있다. 측정 실험의 경우 진행된 3,300 s의 시간 동안 유입되는 공기 유량에 의한 냉각 효과와 배터리 발열의 평형 효과가 명확히 나타나지는 않음을 알 수 있다.

후속연구

우선, CFD 해석의 경우 단일 원통형 LIBs의 표면 온도 계산을 위해서 1C 방전 조건 하에서 배터리 전기화학 반응에 의해 생성되는 열량을 필요로 한다. 그런데 배터리 내부의 전기화학 반응을 모두 모델링하고 리튬-이온의 이동을 모두 고려하는 모델링을 적용하지 않는 경우는 주어진 대상 배터리에 대한 다양한 방전 조건 하에서 측정을 통해 열량을 구하여야 하는데, 본 연구에서는 실험을 통해 신뢰도 있는 발생 열량을 구하는 데 한계가 있었다. 그리고 배터리의 표면 온도를 결정하는 주요 메커니즘은 배터리 내부에서 발생된 열을 외부로 방출하는 열전달 과정인데 여기서 주위 대류 열전달 계수가 주요 변수가 된다.
이러한 경향은 배터리 팩의 열 해석의 신뢰도에 가장 큰 영향을 미치는 인자가 단일 배터리 표면에서의 벽면 열 유속 크기를 가급적 정확히 산정하는 것이 가장 중요한 것이라는 점을 나타낸다. 이는 배터리 팩의 열 해석 시 단일 배터리 열 해석에 대한 다양한 방전 조건에서의 실험 데이터와 열전달 조건 등에 대한 면밀한 분석 연구를 통한 연계 연구가 진행되어야 함을 나타낸다.
이 값은 주위 실험 조건에 따라 크게 변화하므로 CFD 해석에서 정확한 열전달 계수를 지정하는 데 한계가 존재한다. 자연 대류 및 강제 대류 등 주위 조건을 정확히 제어하여 실험을 진행한다면 보다 타당한 해석에 적용할 수 있는 대류 열전달 계수값을 산정할 수 있을 것으로 사료된다.
향후, 다양한 배터리 방전 조건에서의 배터리 성능 관련 데이터를 체계적으로 축적하고 이를 데이터베이스화하여 열 해석에 적용한다면 보다 신뢰도 높은 배터리 팩 내 온도 분포를 구할 수 있을 것으로 기대할 수 있으며 이러한 방법은 다양한 배터리의 작동 조건에 공통 적용이 가능하므로 배터리의 열적 성능 및 내구성 향상을 위한 기본 설계 및 개발 프로세스에 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기동력 자동차의 기술적 진보 및 상용화를 위한 근본적인 방안으로 요구되는 것은 무엇인가?	전기동력 자동차의 기술적 진보 및 상용화를 위한 근본적인 방안으로 높은 에너지 밀도, 출력 밀도의 배터리가 요구된다. 다양한 종류의 배터리들이 자동차 동력원의 대안으로 검토되어 왔는데, 리튬-이온 배터리(lithium ion batteries, LIBs)는 작은 크기, 높은 효율, 긴 수명, 낮은 자가 방전율, 낮은 전기저항 등의 장점으로 가장 경쟁력이 있는 것으로 인식되어 많이 적용되고 있다.
	리튬-이온 배터리의 장점은 무엇인가?	전기동력 자동차의 기술적 진보 및 상용화를 위한 근본적인 방안으로 높은 에너지 밀도, 출력 밀도의 배터리가 요구된다. 다양한 종류의 배터리들이 자동차 동력원의 대안으로 검토되어 왔는데, 리튬-이온 배터리(lithium ion batteries, LIBs)는 작은 크기, 높은 효율, 긴 수명, 낮은 자가 방전율, 낮은 전기저항 등의 장점으로 가장 경쟁력이 있는 것으로 인식되어 많이 적용되고 있다. LIBs가 전기 동력 자동차의 동력원으로 양산 적용되기 위해서는 사용되는 시스템의 작동 시 발생하는 장기적인 안정성, 나아가 안전 측면의 문제점과 더불어 성능 및 효율 측면의 추가적인 개선이 동시에 요구된다.
	수송 분야가 지구 온난화에 가장 큰 영향을 미치는 분야로 인식되면서 자동차 회사가 친환경 대안으로 고려하고 있는 것은 무엇인가?	특히 수송 분야는 CO2 배출과 지구 온난화에 가장 큰 영향을 미치는 분야로 인식되어 각국 정부에서는 자동차 업계에 온실가스 배출을 줄일 수 있는 친환경, 고효율 자동차의 생산 및 시판을 독려하고 있다. 이를 위해 자동차 회사는 전기자동차(electric vehicles, EV), 하이브리드 자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등을 지속가능하고 친환경적인 대안으로 고려하고 있다1-3).

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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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