전기 차량용 리튬 이온 파우치형 배터리 모듈의 열적 특성 분석 및 냉각 성능 개선 연구

Abstract

본 연구에서는 배터리의 발열 특성에 대해서 분석하고 분석을 기반으로 냉각 시스템을 설계하여 냉각 성능을 추정하고 개선하는 방법을 찾기 위해 3차원 형상이 전산적으로 모델링 및 시뮬레이션 되었다. 본 논문은 단위 셀에서의 발열량에 대해서 열적 특성을 전산 해석을 통해 검증한 발열 모델을 모듈 단위에 적용하여 모듈 단위에서 생기는 열적 거동을 냉각 시스템을 통해 냉각 성능을 비교 검증하였다. 냉각 시스템은 냉각파이프와 냉각판을 통해 배터리에서 발생하는 열에 대해서 원활히 열을 방출할 수 있도록 한다. 배터리에서 발생하는 열에 대해서 냉각판을 통하여 냉각 파이프의 냉각수로 열 전달이 이루어진다. 다양한 운전 조건인 방전 상황에서의 발열량에 대해서 냉각 유무에 따라 발생하는 최대 온도와 온도 편차에 대해서 조사하였다. 추가적으로 냉각수 유량에 따른 냉각 성능을 비교 분석하여 적정 유량을 조사하였다. 그 결과 높은 C-rate에서의 발생하는 고온의 환경에서도 배터리의 적정 온도를 유지할 수 있도록 냉각 성능을 검증하였다.|Lithium-ion batteries are energy storage devices. In the process of charging and discharging, the problem of heat generation occurs, and the temperature of the battery has a great influence on the performance and life of the battery, so maintaining an appropriate temperature is a problem to be solved. In this study, the heat generation characteristics of the battery are analyzed, and the three-dimensional geometry is computationally modeled and simulated to find a way to estimate and improve the cooling performance by designing a cooling system based on the analysis. In this paper, the exothermic model verified by computational analysis of the thermal characteristics of the unit cell was applied to the module unit to compare the thermal behavior of the module unit with the cooling system to verify the cooling performance. The cooling system provides smooth heat dissipation for the heat generated by the battery through cooling pipes and cold plates. The heat generated by the battery is transferred through the cold plate to the coolant in the cooling pipe. The maximum temperature and temperature deviation with and without cooling were investigated for the heat generation during discharge under various operating conditions. Furthermore, the cooling performance was analyzed by comparing the cooling water flow rate and investigating the optimum flow rate. As a result, the cooling performance was verified to maintain the proper temperature of the battery even in a high temperature environment at high C-rate.