Numerical Study on Coolant Flow Channel Design Using a Progressively Distributed Flow Divider Strategy to Enhance Temperature Uniformity of an EV Battery Pack = 점진적 Flow Divider 배치 전략을 적용한 전기차 배터리 팩 냉각수 채널의 온도 균일성 향상에 관한 수치적 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The thermal state of a battery directly influences its internal resistance and electrochemical reaction rates; therefore, precise thermal management is essential for securing performance, safety, and lifetime. In current electric vehicle battery systems, liquid cooling -leveraging high thermal conductivity and heat capacity- is widely employed, and among various cooling-channel designs, the serpentine channel is the most commonly adopted due to its manufacturability and high reliability. However, the serpentine channel inherently exhibits a limitation in that temperature non-uniformity occurs due to the temperature difference between the inlet and outlet. Such temperature deviation induces disparities in cell degradation rates and SOC (State of Charge) imbalance, resulting in reduced usable capacity and shortened lifetime of the battery pack. To address this limitation of the serpentine channel, this study proposes a new channel design strategy in which the number and arrangement of flow dividers progressively increase along the flow direction, referencing established heat-transfer enhancement mechanisms. The proposed strategy aims to suppress heat transfer near the inlet to prevent overcooling, while enhancing heat transfer near the outlet to promote thermal exchange, thereby improving overall temperature uniformity. The proposed strategy was validated through CFD simulations, and its performance was compared with that of a conventional serpentine channel using key evaluation metrics including average temperature, maximum temperature, inter-module temperature standard deviation, intra-module temperature difference, and pump power.

국문 초록 (Abstract)

배터리의 열적 상태는 내부 저항과 전기화학 반응 속도에 직접적인 영향을 미치므로, 성능·안전성·수명을 확보하기 위해서는 정밀한 열관리 기술이 필수적이다. 현재 전기차 배터리 시스템에서는 높은 열전도율과 비열을 활용할 수 있는 액체 냉각 방식이 널리 사용되고 있으며, 다양한 냉각 채널 구조 중 제조 용이성과 높은 신뢰성으로 인해 서펜타인 채널이 가장 일반적으로 적용되고 있다. 그러나 서펜타인 채널은 입구 영역과 출구 영역 사이의 온도 차이로 인해 온도 불균일이 발생하는 고유한 한계를 가진다. 이러한 온도 편차는 셀 열화 속도의 차이와 SOC 불균형을 유발하여 배터리 팩의 사용 가능 용량을 감소시키고 수명을 단축시키는 원인이 된다.
이러한 서펜타인 채널의 한계를 해결하기 위해, 본 연구에서는 기존의 열전달 향상 메커니즘을 참고하여 유동 방향에 따라 플로우 디바이더의 개수와 배열을 점진적으로 증가시키는 새로운 채널 설계 전략을 제안한다. 제안된 전략은 유입부에서 과도한 냉각을 방지하기 위해 열전달을 억제하고, 유출부에서는 열교환을 촉진하기 위해 열전달을 강화함으로써 전체적인 온도 균일성을 향상시키는 것을 목표로 한다.
제안된 전략은 CFD 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 평균 온도, 최대 온도, 모듈 간 온도 표준편차, 모듈 내 온도 차이, 펌프 전력 등의 주요 평가 지표를 활용해 기존 서펜타인 채널과 성능을 비교하였다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract ii
• Chapter 1. Introduction １
• 1.1. Importance of Thermal Management in LIBs １
• 1.2. Limitations of Serpentine Liquid-Cooling Channels １
• 1.3 Concept of Flow Divider ２
• 1.4. Previous Research ３
• 1.5. Purpose of Research ４
• Chapter 2. Theoretical Background ５
• 2.1. Heat Generation Mechanism of Lithium-Ion Batteries ５
• 2.2. Governing Equations ６
• 2.2.1 Conservation of Mass and Momentum in Fluid Domain ６
• 2.2.2 SST k-ω Turbulence Model ７
• 2.2.3 Energy Equation in Fluid Domain ８
• 2.3. Heat Transfer Enhancement Mechanism ９
• 2.4. Progressive Design Strategy １０
• Chapter 3. Numerical Methodology １１
• 3.1. Physical Model １２
• 3.2. Initial and Boundary conditions １３
• 3.3. Evaluation Metrics １４
• 3.4. Mesh Independence Study １５
• Chapter 4. Results １７
• 4.1. Geometry of the Improved Channel Design １７
• 4.2. Comparative Analysis between Reference and Improved Channels １８
• 4.2.1 Temperature Distribution of the Battery Pack １９
• 4.2.1.1 Low-Temperature Region ２０
• 4.2.1.2 High-Temperature Region ２１
• 4.2.1.3 Intermediate Region ２１
• 4.2.2 Local Heat Transfer Coefficient ２２
• 4.2.3 Thermal-Hydraulic Metrics ２４
• 4.2.4 Uniformity Metrics ２４
• 4.2.4.1 Inter-Module Temperature Standard Deviation ２４
• Chapter 5. Conclusion ２６
• Bibliography ２８
• 국문 초록 ２９