초록 ▼

□ 연구개요
2021년 2월에 공개된 현대차 아이오닉 5와 테슬라 Model Y 등에서 알 수 있듯이 전기차 개발 경쟁과 패러다임 전환이 본격화되고 있다. 전기자동차의 최우선 중점설계 사항은 배터리팩 출력, 열관리 및 제조단가 절감이다. 따라서 본 연구의 주목적은 전기차 배터리팩의 높은 열관리 수요와 제조단가 절감을 동시 대응할 수 있는 수동식 냉각 모듈 (Passive Cooling Module) 최적 설계 기술을 개발한다. 열관리를 위한 히트파이프 최적 형상 및 배열 설계안을 도출하여 전기자동차의 열-경제성(thermal-

□ 연구개요
2021년 2월에 공개된 현대차 아이오닉 5와 테슬라 Model Y 등에서 알 수 있듯이 전기차 개발 경쟁과 패러다임 전환이 본격화되고 있다. 전기자동차의 최우선 중점설계 사항은 배터리팩 출력, 열관리 및 제조단가 절감이다. 따라서 본 연구의 주목적은 전기차 배터리팩의 높은 열관리 수요와 제조단가 절감을 동시 대응할 수 있는 수동식 냉각 모듈 (Passive Cooling Module) 최적 설계 기술을 개발한다. 열관리를 위한 히트파이프 최적 형상 및 배열 설계안을 도출하여 전기자동차의 열-경제성(thermal-economic)을 평가한다. 궁극적으로 능동식 냉각 모듈 (Active Cooling Module) 대비한 설계방식 혁신, 성능향상, 무게 절감을 달성해 전기자동차 제작단가 절감과 국산 전기자동차 경쟁력 확대에 이바지하고자 한다. 기본연구로 제안하는 3차연도의 과제 개요는 아래와 같다.
1차연도: 배터리팩 냉각 모듈 특화 단일 히트파이프 형상조건 도출, 2차연도: 능동식 냉각 모듈과 열전달 성능 비교를 위한 다수 히트파이프 배열조건 도출, 3차연도: PSO 최적화 기법을 통한 수동식 냉각 모듈 열-경제성 평가를 진행함.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구에서는 수치해석/실험-모델링-최적화를 고려한 상향식 설계기법을 고안하였다. 배터리팩 냉각 모듈 특화 단일 히트파이프 형상조건을 도출하기 위해 빅데이터 시뮬레이션 (CFD, Computational Fluid Dynamics) 및 실험결과로 검증하였다. 지름, 넓이, 곡률 등의 히트파이프 형상조건과 배터리팩 발열 조건, 주행조건과 같은 경계조건을 고려하며 단일 히트파이프의 열저항과 유효열전달 계수를 예측하였다. 수치해석을 통해 상변화-전도-대류가 동시에 발생하는 복합열전달 방정식을 풀어내며 배터리팩에 냉각모듈에 특화된 히트파이프 형상조건을 도출한다. 열적 성능에 도달하기 위하여 열저항 0.2 K/W 이하의 히트파이프 형상조건을 도출하였다.
히트파이프는 자동차 배터리팩에 다수 삽입되어 수동식 냉각 모듈을 수치 해석을 진행했다. 배터리팩 평균 온도 40도로 도달할 수 있는 히트파이프 배열조건을 도출하였다. 형상조건과 배열조건을 독립변수로 지정하고, 평균 온도/열효율/부피 목적함수 및 종속변수로 설정하는 수학적 모델링 식으로 구현하였다. 모델 식들은 최신 입자 군집 최적화 (Particle Swarm Optimization, PSO) 기법을 활용하여 동일 목표 온도 대비 냉각 모듈의 최소 무게와 최소비용을 도출하여 수동식/능동식 냉각장치 열-경제성을 비교하였다. 최적화 전후 과정 이후 전기 자동차용 히트파이프의 제원은 CFD 및 실험으로 열저항 성능을 검증하여 수동식 냉각 모듈의 우수성을 증명하였다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구를 기반으로 자동차 배터리팩의 냉각 시스템에 적용하여, 수동식 냉각 모듈의 히트파이프 형상 및 배열 조건을 최적화하는 기술을 개발할 수 있음. 해당 기술은 자동차 산업뿐만 아니라 에너지 저장 시스템 및 전력 전자 분야에도 확장 가능하다. 연구에서 도출된 최적의 히트파이프 형상 및 배열 조건을 적용하여 실제로 사용되는 냉각 모듈을 개발할 수 있는 확장성이 있다. 이를 통해 자동차 제조사 및 에너지 기업과의 협력을 통해 실제 제품으로의 상용화를 진행할 수 있다. 연구결과를 활용하여 개발된 냉각 모듈은 기존의 열효율을 향상시키고, 동시에 비용을 절감할 수 있다. 전기 자동차의 주행거리를 연장하고, 배터리 수명을 연장하여 경제적 이득을 제공할 것으로 기대된다. 개발된 수동식 냉각 모듈 기술은 국내외에서의 기술적 경쟁력을 강화할 것으로 기대된다. 특히, 산업체와의 협력을 통해 빠른 기술 이전과 확산이 이루어질 것이다. 개발된 냉각 모듈은 효율적인 열관리를 통해 에너지 소비를 줄이고, 친환경적인 자동차 및 에너지 저장 시스템의 개발에 기여할 것으로 기대된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 12
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 12
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• 3) 목표 달성 수준 ... 12
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 12
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 자체점검표 ... 14
• 7. 참고문헌 ... 14
• 끝페이지 ... 28