전자 및 반도체산업을 위한
Simcenter 시뮬레이션 및 테스트 자료
#Simcenter Flotherm,
#Simcenter Flotherm XT,
#Simcenter T3STER
본 자료에는 백색가전 업계에서의 시뮬레이션 및 테스트에 대한 온디맨드 웨비나, 연구 기관이 Simcenter STAR-CCM+ 및 Simcenter Battery Design Studio를 이용해 더 안전하고 보다 효율적인 리튬이온 배터리 팩을 제공하는 방법에 대한 성공 사례 등이 포함되어 있습니다.
SAMSUNG R&D INSTITUTE
Siemens Digital Industries Software 솔루션을 통해
Samsung R & D Institute에서 전기 자동차의 타당성 향상
"Simcenter STAR-CCM + 및 Simcenter Battery Design Studio를 사용하면 연구 기관이 더 안전하고 효율적인 리튬 이온 배터리 팩을 제공 할 수 있습니다."
Developing a better thermal management system
리튬 이온 (Li-ion) 배터리의 사용은 전기 자동차를 현실로 만들었으며, 그리 멀지 않은 미래에 전기 이동성의 광범위한 수용을 볼 수있었습니다. 그러나 열 관리 시스템 (TMS)의 결함 또는 거친 운전 남용으로 인해 전기 자동차에서 리튬 이온 배터리에 불이 붙는 사고가 몇 건 이상 발생했습니다. 이는 온도를 제어하고 리튬 이온 배터리의 성능을 최적화하는 TMS를 효과적이고 정확하게 설계하기위한 새로운 방법을 찾는 것의 중요성을 강조합니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 인도 방갈로르의 삼성 R & D 연구소는 한국의 삼성 첨단 기술 연구소와 공동으로 최근 대형 리튬 이온 배터리 팩을위한 새로운 액체 냉각제 기반 TMS를 발표했습니다. 그들은 제안 된 배터리 팩의 결합 된 3D 전기 화학 / 열 모델을 구성했습니다. 시뮬레이션 결과 접촉 저항이 팩의 열 성능에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
The role of computational fluid dynamics
배터리 팩의 셀 주변 흐름의 3 차원 특성과 열 생성과 관련된 공간적 변화를 고려할 때 CFD (전산 유체 역학)를 사용하여 배터리 팩을 시뮬레이션하는 관행은이를 해결하기위한 효과적인 설계 및 최적화 도구로 발전했습니다.
전기 자동차 (EV) 및 하이브리드 전기 자동차 (HEV)에 일반적으로 사용되는 높은 방전 속도로 작동하는 대형 배터리 팩의 경우 CFD 연구에 따르면 액체 냉각이 공기 냉각보다 더 효과적이며보다 컴팩트하고 효율적인 설계가 가능합니다.
Pack geometry and experimental setup
그림 1에 제시된 리튬 이온 배터리 팩에는 시판중인 18,650 셀 Li-NCA / C 배터리가 사용되었습니다. 전도성이 높은 금속으로 만들어진 요소는 열을 원통형 셀에서 냉각수 채널로, 마지막으로 냉각수 액체 (이 경우 물)로 전달했습니다. 6 개의 셀이 직렬로, 5 개의 셀이 병렬로 연결된 30 개 셀의 테스트 팩이 제작되었습니다.
3D CFD model
실험 결과에 대해 검증 할 수있는 배터리의 3D CFD 기반 전기 화학 모델을 구성하여 열 발생의 완전한 특성을 얻은 다음 다양한 작동 조건에서 TMS의 성능을 시뮬레이션하고 평가하는 데 사용됩니다.
이 프로젝트는 두 개의 Siemens Digital Industries Software 제품인 Simcenter STAR-CCM + ® 소프트웨어와 Simcenter Battery Design Studio ™ 소프트웨어를 사용했습니다. Simcenter STAR-CCM +는 흐름을 시뮬레이션하고 열 전달을 결합하는 데 사용되었으며 Simcenter Battery Design Studio는 전기 화학적 입력 데이터를 얻는 데 사용되었습니다. 이 조합은 배터리 팩의 성능을 시뮬레이션하는 데 사용되었습니다.
Accurate temperature predictions from a single cell
3D TMS 모델을 사용하여 대표 배터리 팩의 성능을 계산했습니다. 가장 뜨거운 세포와 가장 차가운 세포 사이의 평균 온도 차이는 .5 켈빈 (° K)에 불과합니다. 온도 상승의 명확한 패턴을 관찰하면서 저자는 적절하게 정의 된 온도 계수가 단 하나의 셀 온도를 기반으로 다른 셀의 온도를 예측할 수 있다는 것을 깨달았습니다.
Coolant flow rate is critical
전기 자동차에서 TMS 작동을위한 전력은 배터리에서 추출한 에너지에서 비롯됩니다. TMS에 필요한 에너지를 줄이면 배터리 소모가 줄어들어 냉각수 유량이 최적화됩니다. Simcenter STAR-CCM + 모델은 낮은 냉각수 유속 조건에서 더 많은 열이 배터리 팩에 저장되는 것으로 나타 났으며, 이는 낮은 유속에서 냉각수로 전달되는 열이 적음을 나타냅니다.
대부분의 배터리 팩에서 최대 온도 변화는 흐름 방향을 따라 3 ° K로 제한됩니다. 실험 모델은 3 ° K 한계를 쉽게 충족했으며 저유 속에서도 팩을 효과적으로 냉각 할 수있었습니다.
그래 핀과 같은 재료는 새롭지 만 값 비싼 재료 인 컴팩트 TMS에 사용됩니다. 그림 2의 결과는 실험용 TMS를 사용한 배터리 팩의 온도 상승이 그래 핀을 PCM (상 변화 물질) 기반 열 관리 시스템으로 사용한 연구 문헌에보고 된 것과 동일한 순서임을 보여줍니다. 이러한 PCM 기반 TMS는 콤팩트하지만이 새로운 TMS는 이러한 새로운 재료를 사용할 필요가 없으므로 더 낮은 비용으로 생산할 수 있습니다.
Conclusion
Simcenter STAR-CCM + 및 Simcenter Battery Design Studio로 생성 된 CFD 기반 TMS 기능 모델을 사용하여 시뮬레이션 및 실험 측정 결과가 일치하여 90 % 이상의 정확도로 실험에 대해 모델을 검증했습니다. 전체 팩의 대칭을 사용하여 구성된 대표적인 배터리 팩은 계산 비용을 낮추기 위해 TMS와 함께 성공적으로 시뮬레이션되었습니다.
TMS는 엄격한 조건에서 효과적이고 안전하게 작동하기 때문에 전기 자동차에 사용되는 대형 리튬 이온 배터리 팩에 적합한 후보입니다.
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