Thermal Interface Material의 점탄성 거동을 고려한 배터리 모듈 냉각 성능 연구 = Study on the cooling performance of battery modules considering the viscoelastic behavior of thermal interface materials

국문 초록 (Abstract)

최근 주요 선진국으로부터 탄소 배출량 규제 등 자동차 환경 규제가 확대되고 있는 가운데 대표적인 변화로 내연기관 자동차의 의존도가 감소되고 전기차와 수소차 등의 친환경차가 확대되고 있다. 전기차가 확대되는 만큼 동력원인 리튬이온 배터리의 수요가 높아지고 있다. 그러나 리튬이온 배터리는 전기 화학적 요인에 의해 발열이 발생하고 극단적인 상황에는 열 폭주 현상으로 화재사고와 인명피해를 유발하게 된다. 그러므로 배터리 팩의 냉각 성능을 향상시키는 연구가 진행되고 있으며 배터리 팩에 열 계면 소재를 적용한 연구가 진행되고 있다. 열 계면 소재의 경우 주 재료가 고분자 소재인 Silicone으로 구성되어 점탄성 특성을 가지고 있다. 이전까지의 연구는 열 계면 소재의 기계적 특성만을 고려하거나 단순 열 적 특성만을 고려한 연구가 대부분이었다. 따라서 본 연구에서는 열 계면 소재의 점탄성 물성을 고려한 기계적 특성과 열정특성 종합적으로 고려한 배터리 모듈의 냉각 시스템 성능 예측 방법을 제안했다. 크리프 변형 시험과 열전도도 측정 시험을 통해 재료의 물성을 구하였고 상용 소프트웨어인 Abaqus를 이용해 구조해석 및 열 전달 해석을 수행하여 냉각 성능 예측 모델을 제안하였다. 본 연구를 통해 향후 배터리 냉각 시스템의 정밀 설계에 큰 도움이 될 것으로 예상된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, as major advanced countries are expanding automobile environmental regulations such as carbon emission regulations, a representative change is the decrease in dependence on internal combustion engine vehicles and the expansion of eco-friendly vehicles such as electric vehicles and hydrogen vehicles. As electric vehicles are expanding, the demand for lithium-ion batteries as power sources is increasing. However, lithium-ion batteries generate heat due to electrochemical factors, and in extreme situations, thermal runaway phenomenon can cause fire accidents and human casualties. Therefore, research is being conducted to improve the cooling performance of battery packs, and research is being conducted to apply thermal interface materials to battery packs. In the case of thermal interface materials, the main material is composed of silicone, a polymer material, and has viscoelastic properties. Previous studies have mostly considered only the mechanical properties of thermal interface materials or simply thermal properties. Therefore, this study proposed a method to predict the cooling system performance of a battery module by comprehensively considering the mechanical properties and thermal properties considering the viscoelastic properties of thermal interface materials. The material properties were obtained through creep deformation tests and thermal conductivity measurements, and a structural analysis and heat transfer analysis were performed using commercial software, Abaqus, to propose a cooling performance prediction model. This study is expected to be of great help in the precision design of battery cooling systems in the future.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 3
• 1.3 연구 목적 및 내용 5
• 2. 이론적 배경 7
• 2.1 TIM의 역할 7
• 2.2 TIM의 기계적 점탄성 특성 9
• 2.2.1 Power law 모델 12
• 2.2.2 Burgers 모델 14
• 2.2.3 Generalized Kelvin-Voigt / Maxwell 모델 16
• 2.3 배터리 모듈의 열전달 해석 지배방정식 20
• 2.4 배터리의 구조 22
• 3. TIM의 접촉 압력 분석을 위한 구조 해석 27
• 3.1 해석 모델 선정 및 구조 해석 목적 27
• 3.2 TIM의 물성 파라미터 산출 29
• 3.2.1 TIM의 압축시험 29
• 3.2.2 TIM에 작용하는 응력 산출 31
• 3.2.3 TIM의 크리프 변형 시험 33
• 3.2.4 마찰을 고려한 TIM의 크리프 변형 시험 43
• 3.3 TIM을 적용한 배터리 모듈의 구조해석 45
• 3.4 탄성 구간과 점탄성 구간의 접촉 압력 분석 46
• 4. TIM의 접촉 압력을 고려한 열전달 해석 50
• 4.1 열전달 해석 목적 50
• 4.2 Al-Si의 경계면 열 컨덕턴스 산출 51
• 4.2.1 Al-Si 등가 열전도도 모델 정의 51
• 4.2.2 Al-Si 등가 열전도도 시험 54
• 4.2.3 TIM의 압축률에 따른 열전도도 58
• 4.2.4 접촉 압력에 따른 열 컨덕턴스 산출 61
• 4.3 탄성/점탄성 구간의 접촉 압력에 대한 열전달 해석 65
• 4.4 탄성/점탄성 구간의 열전달 해석 결과 69
• 5. 결론 75
• Reference 78
• Abstract 81