액침냉각 기술을 활용한 전기자동차용 리튬 이온 전지의 냉각 성능 최적화

Abstract

본 연구는 고속방전 상황에서 높은 에너지 밀도를 갖도록 설계된 파우치형 리튬 이온 전지 모듈의 열전달 특성을 파악하고 최적의 냉각 성능을 갖는 액침냉각 설계안을 찾기 위해 수행되었다. 고에너지 밀도의 모듈은 리튬 이온 파우치 셀 14개가 간격 없이 직렬로 연결된 형태였으며, 고속방전 상황에서 단상 유전체 액체로 냉각된다고 가정하였다. 이후, 상업용 전산 유체역학 소프트웨어 ANSYS FLUEN T®를 활용하여 지배방정식을 풀고, 배터리 액침냉각 시스템의 성능을 평가하였다. 액침냉각 시스템의 성능 최적화를 목적으로, 다양한 설계 변수 중 영향력이 높은 변수를 선별하기 위해 변수 민감도 평가를 수행하였다. 총 다섯개의 설계변수 (배플의 길이, 배플 개수, 유량, 입구 유체온도, 유체 종류) 중 냉각 성능에 가장 큰 영향을 미치는 세 개의 변수를 도출하고, 이를 기반으로 중심합성 계획법을 적용하였다. 이후 전산해석 결과를 도출하여 반응표면을 구축하고, 전체 설계 범위 내에서 목적 함수의 결과를 예측하였다. 냉각 성능 최적화를 위해 선정된 세 개의 목적함수는 셀의 최대 온도, 셀 간의 온도 편차 그리고 액침냉각 시스템 내부의 압력강하량이었다. 위에서 선정한 목적함수를 최소화하기 위해 만족도 함수를 활용하여 최적의 설계 변수 조건을 탐색하였다. 본 연구의 결과는 전기차용 리튬 이온 전지 모듈의 고속방전 중 발생하는 급격한 온도 상승 문제를 해결하기 위한 액침냉각 기술의 적용과 관련된 것으로, 액침냉각 시스템의 최적화 방안이 제시되었다. 이 연구는 앞으로 리튬 이온 전지 냉각 기술의 성능 향상을 위한 기초로 활용될 수 있을 것으로 전망된다.