히트싱크 및 냉각판의 요철 구조가 배터리 팩의 열 성능에 미치는 영향에 관한 연구 = A study on the effect of dimple structures on the heatsink and cooling plate on the thermal performance of battery pack

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The rapid growth of the electric vehicle (EV) market is driving continuous innovation
in battery technology. In particular, increasing the integration and energy density of
battery packs to extend driving range and boost output has become a central trend.
However, rising energy density within a limited volume inevitably intensifies internal heat generation. Lithium-ion batteries operate optimally within a very narrow
temperature window of approximately 25-40℃; deviations from this range accelerate
performance degradation and shorten cycle life due to increased internal resistance.
Moreover, high temperature can induce electrolyte decomposition and gas generation,
elevating internal pressure and triggering thermal runaway that propagates from an
initiating cell to its neighbors, thus posing a serious threat to system safety.
Consequently, designing an efficient Battery Thermal Management System (BTMS) that
limits the pack’s peak temperature and minimizes cell-to-cell temperature spread to
within 5℃ is on of the most critical prerequisites for ensuring the reliability and safety
of EV technology.
Battery thermal management approaches are broadly categorized into air cooling and
liquid cooling. Air cooling offers structural simplicity and low cost, but its cooling
effectiveness is inherently limited by air’s low heat-transfer coefficient and heat capacity,
making it inadequate for effectively controlling the heat generation of large, high-power
packs (e.g., 100kW class). By contrast, liquid cooling circulates coolant through internal cooling plates to remove heat, providing markedly superior cooling performance, It is also
advantageous for maintaining temperature uniformity across the pack, and is therefore
widely adopted for high-capacity, high-power battery systems.
This study focuses on maximizing the efficiency of a liquid-cooling system to
enhance the thermal performance of a 100kW class EV battery pack. To improve
heat-transfer efficiency in conventional flat cooling plates and heatsinks, we target an
increase in effective contact area and propose a new cooling architecture that introduces
engineered surface textures (surface-relief features) on the cooling plate and heatsink
surfaces.
To quantitatively verify the thermal-management performance of the proposed system
and identify optimal design variables, we modeled a 100kW-class battery-pack
system-including the dimpled heatsinks and cooling plate-using the 3D CAD software
CATIA. We then performed numerical simulations with the commercial CFD package
Ansys Fluent

국문 초록 (Abstract)

전기자동차(EV) 시장의 급격한 성장은 배터리 기술의 혁신을 요구하고 있으며, 특히 주행거리 향상
과 출력 증대를 위한 배터리 팩의 고집적화 및 고에너지밀도화는 핵심적인 기술 동향으로 자리 잡았다.
하지만, 제한된 부피 내에 에너지 밀도를 높이는 것은 필연적으로 배터리 내부의 심각한 발열 문제를
야기한다. 리튬이온 배터리는 25~40℃의 매우 좁은 최적 작동 온도 범위를 가지며, 이 범위를 벗어날
경우 내부 저항 증가로 인한 성능 저하와 수명 단축이 가속화된다. 더욱이, 고온 환경은 전해액 분해
및 가스 발생을 유발하여 배터리 내부 압력을 상승시키고, 특정 셀에서 시작된 열이 주변 셀로 빠르게
전이 되는 열 폭주(Thermal Runaway) 현상으로 이어져 시스템의 안정성을 심각하게 위협할 수 있다.
따라서 배터리 팩 내부의 최고 온도를 제어하고, 셀 간의 온도 편차를 5℃ 이내로 최소화하는 효율적인
배터리 열 관리 시스템(BTMS, Battery Thermal Management System)의 설꼐는 전기차 기술의 신뢰
성과 안정성을 확보하는데 있어 가장 중요한 선결 과제 중 하나이다.
배터리 열 관리 방식은 크게 공랭식과 수냉식으로 구분된다. 공랭식은 구조가 간단하고 비용이 저
렴하다는 장점이 있지만, 공기의 낮은 열전달계수와 비열 용량으로 인해 냉각 효율이 낮아 100kW급과
같은 고출력 대형 배터리 팩의 발열을 효과적으로 제어하기에는 명백한 한계가 있다. 반면, 수냉식 시
스템은 냉각수(coolant)를 냉각판 내부로 순환시켜 열을 방출시키므로 냉각 성능이 월등히 뛰어나다. 또
한, 배터리 팩 전체의 온도 균일성을 확보하는데 유리하여 대용량, 고출력 배터리 시스템의 열 관리 방
식으로 사용된다.
본 연구에서는 100kW급 대형 전기차 배터리 팩의 열적 성능 향상을 위해 수냉식 냉각 시스템의 효
율을 극대화하는 방안에 초점을 맞추었다. 기존 평판형 냉각판과 히트싱크에서 열전달 효율을 높이기
위해 접촉 면적 증가에 주목하였다. 냉각판과 히트싱크의 표면에 특정 형상의 요철 구조를 도입하는 새
로운 냉각 구조를 제안한다.
제안된 냉각 시스템의 열 관리 성능을 정량적으로 검증하고 최적의 설계 변수를 도출하기 위해, 3D
CAD 프로그램인 CATIA를 사용하여 요철 구조가 적용된 히트싱크 및 냉각판을 포함한 100kW급 배터
리 팩 시스템을 모델링하였다. 이후 상용 전산 유체역학(CFD)프로그램인 Ansys Fluent를 활용하여 수
치 해석을 진행하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론(Introduction) 1
• 1.1 연구 배경(Research Background) 1
• 1.2 연구 목적(Research Objectives) 3
• II. 이론적 배경(Theoretical Background) 5
• 2.1 전기자동차 배터리 팩 개요(Overview of EV Battery Packs) 5
• 2.2 리튬이온 배터리의 열 발생 메커니즘(Heat Generation Mechanism of Lithium-Ion Batteries) 7
• 2.3 전기자동차 배터리 냉각 방식: 공랭식과 수랭식 비교(Cooling Methods for Electric Vehicle Battery Pack: Comparison of Air Cooling and Liquid Cooling) 9
• 2.4 파우치형 배터리 셀(Cell)의 구조(Pouch-type Battery Cell Structure) 11
• 2.5 배터리 모듈 구조(Battery Module Structure) 13
• 2.6 배터리 팩 구조(Battery Pack Structure) 15
• III. 해석 모델 및 조건 소개(Numerical Model and Simulation Conditions) 18
• 3.1 해석 모델 개요(Numerical Model Overview) 18
• 3.1.1 지배 방정식(Governing Equations) 18
• 3.1.2 난류 모델(Turbulence Modeling) 20
• 3.2 배터리 발열 모델링(Heat Source Modeling of Lithium-ion Battery) 22
• 3.3 TIM 열 전달 메커니즘(Thermal Interface Material Heat Transfer Mechanism) 24
• 3.4 해석 특성 및 조건(Simulation Characteristic and Conditions) 26
• 3.5 메쉬 생성 및 최적화(Mesh Generation and Optimization) 28
• IⅤ. 연구 모델 및 해석 결과(Research Models and Simulation Results) 29
• 4.1 배터리 팩 해석 및 타겟 모듈 선정(Simulation of Battery Pack and Target Module Identification) 29
• 4.2 요철 구조 설계 및 해석 파라미터(Dimpled Structure Design and Simulation Parameters) 34
• Ⅴ. 해석 결과(Analysis Result) 37
• 5.1 요철형 냉각판 열 유동 해석 결과(Cooling Plate Dimple Model Analysis Results) 37
• 5.2 요철형 히트싱크 열 유동 해석 결과(Heatsink Dimple Model Analysis Results) 54
• 5.3 요철형 냉각판 및 히트싱크 열 유동 해석 결과(Cooling Plate & Heatsink Dimple Model Analysis Results) 71
• 5.4 해석 결과 비교 및 요약(Comparison and Summary of Analysis Results) 88
• ⅤI. 결론(Conclusion) 90
• ⅤII. Reference 91
• ⅤIII. Abstract 95