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공랭식 원통형 리튬-이온 배터리 팩의 공기 흐름 변화에 따른 냉각 시스템 성능에 관한 수치해석 연구
이서근(SeoKeun Lee),심창휘(ChangHwi Sim),김철호(Chul-Ho Kim) 한국자동차공학회 2020 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2020 No.11
친환경자동차인 전기자동차의 동력원으로 에너지 밀도가 높은 리튬-이온 배터리가 주목을 받고 있다. 리튬-이온 배터리는 낮은 자가 방전율과 양호한 내구 수명 등 많은 장점을 지니고 있는 반면 온도의 변화에 따라 배터리 셀의 효율이 변화되며 특정 환경조건에서는 열 폭주 현상이 발생하는 등 안전성 측면의 문제가 제기되고 있으며 배터리 셀의 효율적 냉각과 셀간 온도 밸런스가 중요한 문제로 대두되고 있는 상황이다. 본 연구에서는 21700모델의 원통형 리튬-이온 셀을 적용한 공냉식 배터리 팩 모델을 대상으로 냉각 유로방향에 따른 배터리 팩의 냉각 성능과 셀 간의 온도 밸런스 특성을 분석해 보았다. 일반적으로 리튬-이온 배터리 팩은 원통형 셀이 정방향으로 반복적으로 균일하게 반복 배열되는 형태를 유지하고 있으며 연구의 편의성을 위해 이중 일부인 배터리 셀 7개의 구조를 대상으로 발열량이 일정하다는 정상상태로 연구를 진행하였다. 정상상태의 열유동해석을 위해 상용 CFD코드인 영국 CHAM사의 PHOENICS(ver.2018)를 이용하였다. 주요 연구 변수로 냉각 공기의 흐름 방향과 유량 그리고 셀의 간격을 설정하였으며 배터리 팩의 냉각 성능과 셀의 온도 분포를 분석하여 셀간 온도 밸런스를 정성, 정량적으로 분석하였다. 배터리 간격은 총 8가지 경우로 분석하였으며 셀의 온도는 3곳을 기준으로 판단하였으며 온도차이가 확연한 구간을 중심으로 간격을 설정하였다. 온도 밸런스 측면에서 균일도는 배터리 길이방향이 8.86%, 직경방향은 15.43%로 길이 방향이 직경 방향에 비해 6.57%p의 균일도 차이를 보였다. 본 연구를 통해 유체의 흐름 방향과 배터리 셀 간격이 냉각 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였으며 적정한 간격과 흐름 방향을 제시함으로써 향후 리튬-이온 배터리 팩의 최적화 냉각 연구에 기여할 것으로 기대된다. Lithium-ion batteries with high energy density are drawing attention as power sources for electric vehicles, which are eco-friendly vehicles. Lithium-ion batteries have many advantages, such as low self-discharge rates and good durable life, while the efficiency of battery cells varies depending on temperature and the heat explosion occurs under certain environmental conditions, raising safety issues. Therefore, efficient cooling of lithium-ion battery cells and temperature balancing between cells are becoming important issues. In this study, the cooling performance of battery packs along the flow direction and the temperature-balancing characteristics between cells were analyzed in the air-cooled battery pack models with cylindrical lithium-ion cells of 21700 models. In general, lithium-ion battery packs were studied in a steady state that the cylindrical cells were kept in a uniform, repetitive arrangement in the forward direction and that the heat value was constant in seven structures of battery cells, which are part of a pack, for the convenience of the study. A general purpose CFD simulation program named PHOENICS (ver. 2018) which is developed by CHAM, England was used. The flow rate, direction and spacing of cooling air and battery spacing were set as major research variables, and the cooling performance of battery pack and temperature distribution of cells were analyzed in a qualitative and quantitative analysis of temperature balancing between cells. The effect of battery space was analyzed with a total of eight cases, and the temperature was determined based on three points of cells. The interval was set around the area where the temperature difference was evident. In terms of temperature balance, the uniformity was 0.83% in the direction of battery height and 15.43% in the direction of diameter, showing 14.6% difference in between. Through this study, it is expected to contribute to the study of battery pack cooling by quantitatively analyzing the flow direction of fluid and the effect of battery cell space on cooling performance.
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