오늘날 차량 전기화는 인간 활동으로 인한 전반적인 온실 가스 배출을 줄이는 데 도움이 되는 주요 기둥 중 하나입니다. 초기부터 배터리 팩의 전체 비용을 줄이고 에너지 밀도를 높이려는 많은 노력이 있었습니다. 무엇보다 이는 기존의 내연기관(ICE) 기반 차량에 비해 상업적으로 경쟁력 있는 전기차(xEV)를 제공하는 데 필수적이었습니다. 소비자의 주행 거리 불안을 줄이는 것이 중요했습니다. 간단히 말해서 모하비 사막 한가운데에 평평하다는 두려움을 없애는 것이었습니다.
한편, 이러한 초기 과제가 해결되기 직전이지만 엔지니어는 이제 배터리 팩이 가능한 한 빨리 충전할 수 있는 기능(고속 충전이라고도 함)에 중점을 둡니다. 또한 배터리 안전 규칙을 표준화하기 위해 새로운 국제 규정이 도입되고 있습니다. 목표는 열 폭주로 알려진 치명적인 고장을 피하는 것입니다. 즉, 단일 배터리 셀의 고장으로 인해 전체 차량에 불이 붙을 수 있습니다.
이로 인해 차량 제조업체는 배터리 팩 열 관리 시스템에 더 많은 노력을 기울입니다. 특히 엔지니어는 고속 충전이라는 까다로운 조건을 견딜 수 있도록 크기를 지정하고 설계해야 하며, 열 폭주 현상을 완화하여 승객이 차량에서 안전하게 내릴 수 있는 충분한 시간(사고 발생 시)을 허용하는 방법을 결정해야 합니다.
배터리 팩 열 시뮬레이션의 가치
배터리 팩의 열 관리는 새로운 것이 아닙니다. 처음부터 배터리가 안전한 온도 범위에서 작동하도록 하고, 성능을 최대화하고, 성능 저하를 최소화하고, 위험한 조건을 피하는 것이 중요했습니다. 시뮬레이션은 이 과정에서 중요한 역할을 합니다.
시뮬레이션의 가치를 높이려면 합리적인 정확도로 전지의 열 발생률을 예측하는 모델의 능력이 핵심입니다. 덕분에 엔지니어는 배터리 듀티 사이클 동안 온도 구배와 핫스팟을 식별할 수 있습니다. 이를 통해 엔지니어는 공랭, 액체 냉각 또는 상변화 재료 냉각과 같은 가장 적절한 냉각 전략을 선택할 수 있습니다. 그러나 열 관리 시스템의 크기를 조정하고 설계를 개선하는 데에도 도움이 됩니다.
Simcenter STAR-CCM+는 정확한 3D 등가 회로 모델을 사용하여 배터리 팩 냉각 결합 전열 시뮬레이션을 수행하는 기능을 출시하여 2010년대 초반부터 개척자였습니다. 열 발생의 3D 분포를 계산하여 매우 정확하게 셀 온도 구배 및 핫스팟을 식별할 수 있습니다.
배터리 열 관리 – 여러 가지 새로운 과제
점점 차량 전기화 경쟁이 현실화되고 많은 OEM이 점점 더 많은 새로운 전기화 차량 모델을 개발하고 있습니다. 그들은 빠르게 진행하고 설계를 다양한 모델에 적용하고 설계 탐색을 활용하여 각 냉각 시스템을 최적화해야 합니다. 그들은 많은 듀티 사이클에 걸쳐 배터리 팩의 열 및 전기 응답을 평가해야 합니다. 마지막으로 전체 파워트레인에서 통합을 검증하십시오.
그러나 너무 자주 OEM은 결합된 전열 시뮬레이션을 달성하기 위한 지나치게 복잡한 워크플로로 인해 배터리 팩 온도 예측을 위해 단순한 소스 용어에만 의존합니다. 이로 인해 온도 구배가 크게 잘못 예측되고 과도 듀티 사이클에서 배터리 성능을 평가하는 능력이 제한될 수 있습니다. 이는 배터리 팩이 비효율적이고 덜 유용한 에너지를 공급하며 더 빨리 저하된다는 것을 의미합니다.
위의 문제를 해결하기 위해 Simcenter STAR-CCM+
2021.3은 2010년대 초에 출시된 원래 것보다 최대 10배 빠른 새로운 배터리 워크플로를 출시합니다. 설정도 훨씬 간단하고 HPC 및 설계 탐색 측면에서 최신 Simcenter STAR-CCM+ 기술을 활용합니다.
다음을 제공합니다.
- 셀 전기 및 열률 예측을 위한 초고속 0D 등가
회로 모델
- 지오메트리 유연성을 높이기 위해 셀을 포함한 전체 팩의 사용자 설계 CAD 지원
- 생산성 향상을 위한 전용 설정 패널
이러한 결합된 개선 사항은 팩 냉각 시뮬레이션이 결합된 전열 접근 방식에 의해 구동되어야 함을 분명히 합니다. 분석에 더 많은 시간을 할애할 수 있는 강력한 구성 프로그램 덕분에 사용자가 사전 처리에 소비하는 시간이 줄어듭니다.
빠른 배터리 충전 주기 시뮬레이션
빠른 충전 주기를 위해 냉각해야 하는 EV 배터리 팩의 예를 들어보겠습니다. 다음과 같은 특성을 가진 팩을 고려할 것입니다.
급속 충전 사이클의 배터리 팩 열 시뮬레이션에 사용되는 CAD 형상
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팩 용량 |
79.8kWh |
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팩 레이아웃 |
직렬로 연결된 38개
모듈 |
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병렬/모듈의 3개 블록 |
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직렬/블록의 4개 셀 |
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리튬 이온 셀 수 |
456 |
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팩 무게 |
445kg |
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공칭 셀 전압 |
3.6V/셀 |
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공칭 팩 전압 |
532V |
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셀당 용량 |
50Ah/셀 |
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모듈 용량 |
150 dk |
배터리 팩 특성
이것은 456개의 리튬 이온 각형 셀이 있는
~80kWh 배터리 팩이며 베이스의 액체 냉각 플레이트로 냉각됩니다.
확산 효과를 더 잘 포착하기 위해 2개의 RC 요소가 있는 등가 회로 모델(ECM)은 리튬 이온 전지의 전기적 동작을 예측합니다. 정확한 온도 의존성 추정을 위해 -20 o C ~ 60 o C의 8가지 온도 레벨이 포함되어 있습니다. 모델은 셀의 발열율, 전압, 전류 및 충전 상태(SOC)를 출력합니다.
배터리 팩 열 시뮬레이션의 빠른 설정
Simcenter STAR-CCM+의 배터리 전용 사용자 인터페이스에는 전체 ECM 구성이 포함되어 있습니다.
ECM을 셀의 지오메트리 부품에 할당하는 것은 전용 구성기로 쉽게 수행됩니다. 메시는 병렬 메셔로 간단하고 빠르게 실행되어 660만 유한 체적 요소를 얻습니다.
150kW로 20분간 급속 충전하면 배터리가 불균일하게 가열된다. 이것은 냉각판에 부과된 고전류와 비효율 때문입니다. 그러나 최대 셀 온도는 일반적인 최대값인 45oC 의 안전 한계 미만으로 유지됩니다.
128개의 코어가 있는 컴퓨터 클러스터에서 실행된 2시간 미만의 계산 시간에서 20분 고속 충전 듀티 사이클이 시뮬레이션되었습니다.
빠른 배터리 충전의 열 CFD 시뮬레이션
배터리 팩과 냉각판에서 다음과 같은 온도 분포를 관찰할 수 있습니다.
20분 급속 충전 후
배터리 팩 및 냉각판 온도 분포
빠르고 명확한 배터리 관리 CFD
이 신속하고 상세한 정보를 통해 이제 비효율성을 쉽게 분석하고 형상 또는 조건 변경을 수행하여 급속 충전을 견디는 이 팩의 능력을 향상시킬 수 있습니다.
Simcenter STAR-CCM+
2021.3은 배터리 팩 열 관리 설계를 위한 3D 전열 시뮬레이션을
"빠르고 명확하게" 가능하게 합니다.
효율적이고 오래 지속되며 안전한 Simcenter STAR-CCM+ 2021.3으로 설계된 배터리는 차량 OEM과 그 고객을 만족시킬 것입니다.
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자세한 문의사항은 지멘스 공식 파트너인 캐디언스시스템에 연락주세요.
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