Ansys를 이용한 전기 자동차 배터리 각형 셀의 효율적인 내부 공간 창출을 위한 양극 집전단자의 설계

Abstract

본 연구에서는 Ansys를 이용하여 전기 자동차 리튬 각형 배터리의 양극 집전단자를 설계하고 단순 설계 이상으로 셀 용량을 최대화 할 수 있게 최적화된 집전단자를 설계하였다. 현재 전기 자동차 배터리는 수명, 용량, 에너지 밀도의 우위가 경쟁력을 좌우한다. 크기는 최대한 작게, 성능은 높게, 가격은 최소화 할수록 기술적 우위에 오르지만 현재에도 여러 매스컴에서 논해지듯 전기 자동차 배터리에서 가장 기본이자 가장 어려운 과제는 안전성이다. 따라서 본 연구에서는 외부와 내부 부품 간에 전류를 연결해주는 양극부 집전단자의 최적의 설계를 주제로 하며 부품의 저항과 발열을 최소화하여 셀의 화학적 부반응을 줄이고 내부 공간을 최대화하여 효율적인 용량 증대를 목적으로 한다. 집전단자의 퓨즈 설계를 시작으로 이 퓨즈의 단면적과 길이의 상관관계를 통해 해석에 필요한 케이스를 줄여 줌으로서 개발 시 낭비될 수 있는 비용 및 시간을 감축 시킬 수 있다. 퓨즈의 설계 변수는 폭, 길이이며 두께는 고정한다. 해석 시뮬레이션 slover는 ansys를 사용하였고, 퓨즈 파열 기준은 사용된 금속의 소성변형온도 값으로 선정했다. 해석 시뮬레이션 결과와 실제 실험을 통한 결과로 정합성을 비교한 후 최적의 퓨즈를 선정했고 이어 셀 내부 공간의 최대화를 위해 집전단자의 형상에 따른 내부 공간 계산을 진행했다. 이를 통해 퓨즈 설계 값은 실제 실험 값 대비 오차 90% 이내를 만족하게 도출하였고 최종 선정한 집전단자 적용 시 내부 공간이 최대 15% 상승하는 결과를 얻게 되었다. 본 연구 결과를 토대로 셀의 안전성 측면 개발에 소비되는 시간과 비용 측면에서 크게 기여하리라 생각된다.