전기차 배터리팩 내 열분석 및 성능개선 열유동해석

문서 내 토픽

• 1. 전기차 배터리 열관리

  최근 전 세계 자동차 제조업체들이 배출 규제와 연비 규제로 인해 다양한 전기 자동차 개발을 가속화하고 있습니다. 특히 전기 자동차는 대용량 배터리를 사용하므로 주행 시 매우 높은 열이 발생합니다. 따라서 배터리 열 관리는 대용량 배터리와 관련된 연구 분야 중 가장 큰 문제 중 하나입니다. 배터리 온도가 적절한 온도 범위에서 유지되지 않으면 배터리 성능 저하와 안전성 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 효과적인 배터리 열 관리 시스템을 통해 배터리 성능, 수명 및 연비 향상을 도모할 수 있습니다.

• 2. 배터리 냉각 방식

  배터리 냉각 방식에는 수냉식과 공냉식이 있습니다. 수냉식은 표면 온도 저하에 탁월하지만 초기 투자 비용과 유지 보수 측면에서 단점이 있습니다. 공냉식은 배터리 팩의 생산 비용과 무게 감소, 간단한 설치 등의 장점이 있어 초기 투자 비용이 크게 낮습니다. 본 연구에서는 공냉식 방식을 선택하여 분석을 진행했습니다.

• 3. 배터리 팩 모델링 및 해석

  본 연구에서는 Tesla Model 3의 배터리 팩 치수와 Samsung SDI의 21700 30T 배터리 셀 사양을 참고하여 총 5가지 다른 모델의 배터리 팩을 설계했습니다. 기본 모델은 직육면체 형상에 중앙에 공기 입/출구가 위치하는 구조이며, 이를 바탕으로 입/출구 위치 변경, 공기 분배, 내/외부 핀 부착 등의 모델을 추가로 제안했습니다. 이들 모델에 대해 공냉 시스템을 시뮬레이션하고 배터리 셀 온도 결과를 비교 분석했습니다.

• 4. 배터리 팩 냉각 성능 향상

  시뮬레이션 결과, 외부 핀 부착 모델이 가장 우수한 냉각 성능을 보였습니다. 이 모델은 최대, 최소, 평균 셀 온도가 각각 38.8°C, 30.0°C, 36.1°C로 가장 낮았으며, 목표 온도 25°C 대비 55.2%의 가장 근접한 온도 분포를 나타냈습니다. 또한 배터리 팩 표면의 열전달 계수 분포가 다른 모델에 비해 크게 나타나, 외부 핀 부착이 냉각 효율 향상에 효과적임을 확인할 수 있었습니다. 따라서 본 연구에서는 외부 핀 부착 모델을 최적 모델로 선정하였습니다.

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• 1. 전기차 배터리 열관리

  전기차 배터리 열관리는 매우 중요한 기술 분야입니다. 배터리 셀의 온도 상승은 배터리 성능 저하, 수명 단축, 안전성 문제 등을 야기할 수 있기 때문입니다. 따라서 배터리 셀의 온도를 적절하게 유지하고 관리하는 것이 필수적입니다. 이를 위해 배터리 냉각 시스템 설계, 열 전달 모델링, 열 관리 알고리즘 개발 등 다양한 기술적 접근이 필요합니다. 특히 배터리 팩 구조, 냉각 매체, 냉각 방식 등에 따른 최적화된 열관리 기술 개발이 중요할 것으로 보입니다. 또한 배터리 상태 모니터링 및 열 관리 제어 기술도 함께 발전되어야 할 것입니다.

• 2. 배터리 냉각 방식

  전기차 배터리 냉각 방식은 배터리 팩의 성능과 안전성에 큰 영향을 미치는 핵심 기술입니다. 대표적인 냉각 방식으로는 공냉식, 액냉식, 복합 냉각 방식 등이 있습니다. 각 방식마다 장단점이 있어 배터리 팩 설계 및 운용 환경에 따라 최적의 냉각 방식을 선택해야 합니다. 공냉식은 구조가 단순하고 경량화가 용이하지만 냉각 성능이 상대적으로 낮습니다. 액냉식은 우수한 냉각 성능을 보이지만 무게와 부피가 증가하는 단점이 있습니다. 복합 냉각 방식은 공냉식과 액냉식의 장점을 결합한 방식으로, 배터리 팩 설계 시 최적화된 냉각 방식 선택이 필요할 것으로 보입니다. 또한 냉각 매체, 냉각 경로, 냉각 제어 등 다양한 기술적 요소들이 종합적으로 고려되어야 할 것입니다.

• 3. 배터리 팩 모델링 및 해석

  배터리 팩 모델링 및 해석 기술은 전기차 배터리 시스템 개발에 필수적입니다. 배터리 팩은 다수의 배터리 셀, 열관리 시스템, 전기 회로 등 복잡한 구조로 이루어져 있어, 이를 정확하게 모델링하고 해석하는 것은 쉽지 않습니다. 하지만 이러한 모델링 및 해석 기술을 통해 배터리 팩의 성능, 안전성, 수명 등을 사전에 예측하고 최적화할 수 있습니다. 특히 배터리 셀 특성, 열 전달, 전기화학 반응, 기계적 변형 등 다양한 물리적 현상을 통합적으로 고려한 모델링이 필요합니다. 또한 실험 데이터와 시뮬레이션 결과의 상호 검증을 통해 모델의 정확성을 높이는 것도 중요합니다. 이러한 배터리 팩 모델링 및 해석 기술은 전기차 배터리 시스템 개발의 핵심 기술이 될 것으로 기대됩니다.

• 4. 배터리 팩 냉각 성능 향상

  전기차 배터리 팩의 냉각 성능 향상은 배터리 시스템의 안전성과 수명 향상을 위해 매우 중요한 기술 분야입니다. 배터리 셀의 과열은 성능 저하, 수명 단축, 나아가 화재 위험까지 초래할 수 있기 때문입니다. 따라서 배터리 팩의 냉각 성능을 최적화하는 것이 필수적입니다. 이를 위해서는 배터리 팩 구조 설계, 냉각 매체 선정, 냉각 경로 최적화, 냉각 제어 알고리즘 개발 등 다양한 기술적 접근이 필요합니다. 특히 배터리 셀 배치, 냉각 채널 설계, 냉각 매체 유동 해석 등을 통해 냉각 성능을 극대화할 수 있습니다. 또한 배터리 상태 모니터링과 연계한 지능형 냉각 제어 기술도 중요할 것으로 보입니다. 이러한 배터리 팩 냉각 성능 향상 기술은 전기차 배터리 시스템의 안전성과 신뢰성 확보에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.