EV 배터리 팩에 적용된 열계면소재의 기계적 거동을 고려한 BSA 열전달 성능 연구 = A study on the heat transfer performance of BSA considering the mechanical behavior of thermal interface materials applied to EV battery packs

국문 초록 (Abstract)

전 세계적으로 지구 온난화에 의한 기후 변화에 대응하기 위해 환경 규제를 강화되면서 자 동차 업계는 내연기관 중심에서 전기차와 수소차와 같은 친환경 자동차 중심으로 전환되고 있다. 전기자동차의 동력원인 리튬 이온 배터리(Lithium ion battery)의 과열로 인한 열폭 주는 차량 화재 및 폭발사고를 일으키는 주요 원인으로, 이를 방지하기 위해 배터리 열관리 시스템의 냉각 성능 향상은 필수적이다. 본 연구에서는 전기자동차 배터리 열관리 시스템의 냉각 성능을 향상시키기 위해 적용되는 패드형(pad-type) 열계면소재(Thermal Interface Material, TIM)의 기계적 특성을 고려한 열전달 성능을 분석하였다. TIM의 주 기지(Matrix) 인 실리콘(silicone)은 일반적으로 점탄성(viscoelastic) 특성을 가지기 때문에, 점탄성 거 동에 대한 분석을 수행하였다. TIM의 기계적 압축시험을 통해 얻은 물성치를 적용한 접촉압 력 해석을 수행하여 시간 종속적으로 감소하는 접촉압력을 도출하고, 이에 대한 계면의 접촉 열저항(Thermal contact resistance)을 계산하였다. 실험 장치를 제작하여 TIM의 열전달 성능 실험을 수행하였고, 점탄성 특성을 고려한 열전달해석이 실험 결과와 0.89%의 가장 작 은 오차(MAPE)를 나타냈다. 실제 배터리 팩 모델에 접촉열저항을 적용하여 열유동해석을 수행한 결과, 점탄성 특성을 고려한 모델에서 온도 분포가 가장 높게 나타났다. 본 연구 결 과는 향후 배터리 열관리 시스템 설계 시, TIM의 점탄성 특성을 고려할 필요가 있음을 강조하며, TIM의 점탄성 특성을 고려한 열전달 성능 평가 방식은 향후 배터리 열관리 시스 템의 정밀 설계에 큰 기여를 할 것으로 예상된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As environmental regulations are strengthened worldwide to cope with climate change due to global warming, the automobile industry is shifting from focusing on internal combustion engines to eco-friendly vehicles such as electric and hydrogen vehicles. Thermal runaway caused by overheating of lithium-ion batteries, which are the power source of electric vehicles, is a major cause of vehicle fires and explosions, and improving the cooling performance of the battery thermal management system is essential to prevent this. In this study, we analyzed the heat transfer performance considering the mechanical properties of pad-type thermal interface materials (TIMs) applied to improve the cooling performance of electric vehicle battery thermal management systems. Since silicone, the main material of TIMs, generally has viscoelastic properties, we performed an analysis on viscoelastic behavior. We performed a contact pressure analysis using the material properties obtained through a mechanical compression test of TIMs to derive the contact pressure that decreases time-dependently, and calculated the thermal contact resistance of the interface for this. An experimental device was built and the heat transfer performance of TIM was tested, and the heat transfer analysis considering the viscoelastic characteristics showed the smallest error (MAPE) of 0.89% compared to the experimental results. As a result of performing a CFD analysis by applying the contact thermal resistance to an actual battery pack model, the temperature distribution was found to be the highest in the model considering the viscoelastic characteristics. The results of this study emphasize the need to consider the viscoelastic characteristics of TIM when designing a battery thermal management system in the future, and the method for evaluating heat transfer performance considering the viscoelastic characteristics of TIM is expected to greatly contribute to the precise design of battery thermal management systems in the future.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 동향 2
• 1.3. 연구 내용 3
• 2. TIM의 기계적 특성 분석 4
• 2.1. TIM의 탄성 압축시험 4
• 2.2. TIM의 크리프 압축시험 5
• 2.3. TIM 시편 모델의 접촉압력 해석 13
• 3. TIM의 열적 특성 분석 16
• 3.1. Aluminum-TIM 복합 시편의 등가 열전도도 측정 17
• 3.2. 접촉압력에 대한 TIM의 열전도도 측정 19
• 3.3. Aluminum-TIM 계면의 접촉열저항 산출 20
• 3.4. TIM 열전달 성능 검증 실험 22
• 3.4.1. 실험 장비 구성 22
• 3.4.2. 실험 진행 과정 25
• 3.4.3. TIM 시편 모델의 열전달해석 26
• 3.4.4. 열전달해석 결과와 실험 결과 비교 29
• 4. TIM이 적용된 배터리 시스템의 냉각 성능 평가 31
• 4.1. 전기자동차용 수냉식 배터리 팩의 구조 31
• 4.2. 배터리 모듈-TIM 계면의 접촉열저항 산출 33
• 4.2.1. 배터리 시스템에 적용된 TIM의 접촉압력 해석 33
• 4.2.2. 접촉열저항 경계조건 적용 방식 결정 35
• 4.2.3. 경계조건 적용 방식에 따른 해석 민감도 분석 36
• 4.3. TIM의 기계적 거동을 고려한 배터리 팩 열유동해석 43
• 5. 결 론 50
• Reference 51
• Abstract 54
• Appendix 56