전기차용 원통형 배터리 모듈 냉각성능 개선을 위한 냉각판 유로 내부형상 최적설계

Abstract

국 문 요 지

최근 자동차 업계에서도 고효율, 고출력의 친환경 차량 연구 및 생산이 증가와 EV, HEV, PHEV, FCEV 시장이 빠르게 성장하고 있다. 전기차 배터리는 대용량 구동 모터를 위한 다직병렬로 이루어진 수백 개의 셀로 구성되며, 적절한 온도 유지는 수명 유지, 화 재 및 폭발 위험을 줄이는 데 매우 중요하다. 본 연구에서는 원통형 배터리 모듈의 냉각 시스템에서 냉각판(Cooling plate)내 유 로의 최적 설계를 실시 하였다. 4S8P로 구성된 배터리 냉각판 유로에 비드(Bead) 구조 등으로 이루어진 형상변수를 종속 변수로 지정하였다. 실험 계획법(Design of Experiment)으로 핵심 인자 분석을 위해 완전요인배치법(Full Factorial Design)을 실 시하여 각 실험 케이스를 배치하였으며, 3D 상용 프로그램으로 각 실험 케이스들에 대한 설계를 진행 하였다. 각 케이스들은 Ansys Fluent를 활용한 전산유체역학으로 냉각판의 최대온도, 온도 편차, 압력강하의 3가지 특성치 결과를 분석 하였으며, Pareto chart 분석을 통해 종속 변수 중 핵심인자들을 선정하였다. 냉각판의 냉각 성능 비교를 위한 무차원 지표인 j/f factor로 각 케이스들을 비교 하여 가장 좋은 성능의 케이스를 분석 하였다. 도출된 핵 심인자들을 활용한 최적 설계를 위해 설계 최적점 탐색을 반응표면법(RSM)의 중심합성 법(CCD)으로 진행하였다. 반응 표면 회귀식으로 반응 최적화 도구를 활용하여 추출된 최적점의 특성치를 수치해석 결과와 비교하여 신뢰성을 확인 하였으며, j/f factor를 기존 가장 좋은 성능 케이스와 비교하여 성능이 향상 됨을 알 수 있었다. 이 결과를 바탕으로 본 논문의 연구 방법이 배터리 모듈의 냉각 성능 향상에 활용 될 수 있을 것이라 판단되며, 추가적인 연구를 통해 더 발전 시킬 수 있을 것이다.

핵심어 : 배터리 모듈, 냉각판 최적 설계, 비드, 전산유체역학, 냉각 시스템, 열전달