Pack 단위 배터리 냉각 해석 방법론
1 배터리 셀 모델 구축
- 배터리 셀 지점별 온도 예측을 위해 차분화
- 셀의 SOC 등을 결정하는 물리량은 Volume Fraction 비율 사용
2 배터리 모듈 구축
- 배터리 셀, 패드, 엔드 플레이트 등 포함하여 배터리 모듈 모델링
3 갭 필러 모델 구축
- Gap Filler 와 Cell 간의 접촉 면적을 정확히 산정하여 모델링
- Module 내부 온도구배 및 Gap Filler와 만나지 않는 부분의 열적 특성을 고려하여 모델링
4 냉각 블록
- 냉각 블록의 Thermal Inertia를 고려하기 위한 냉각 블록의 정확한 부피로 모델링
- 냉각수(냉각 파이프)와 만나는 면적을 정확히 산정하여 모델링
5 냉각수
- 냉각수 Volume 및 열전달 면적을 고려하여 모델링
- Concept에 필요한 차분화를 진행
- HTC는 STAR-CCM+ 결과 사용 혹은 이론 값 적용
6 BSA 1D 모델 구축
- 위 절차를 거쳐 BSA 1D 해석 모델 구축
배터리 셀 모델 개발론
1차원 열전도 방정식에서, 열량이 곱급되는 상황에서는 온도구배가 2차원의 기울기를 가지게 됩니다. 이것은 하나의 Thermal Mass로 대표하기에는 무리가 있습니다. 왜냐하면 열전달량이 달라지기 때문입니다.
또한 전기배터리를 설계할 때, 다음과 같은 용어를 이해하면 편리합니다.
배터리 충전상태(State Of Charge) :
SOC는 배터리 용량 중에서 사용 가능한 양을 측정하는 것입니다. (즉, 얼마나 충전이 되었는지를 의미합니다) 납축전지의 경우 SOC는 배터리 전압을 측정하여 나타낼 수 있습니다. 이상적으로 배터리가 세 시간 동안 안정된 상태(즉, 충전이나 방전이 이루어지지 않는 상태)에 있을 때 측정해야 합니다. 충전 상태는 특정 시점에서 배터리에 남아있는 사용 가능한 용량을 계량화하며, 배터리의 노화 상태와 관련이 있습니다. 일반적으로 백분율로 표현됩니다. 동일한 측정값의 대체 형태로 방전 심도(Depth of Discharge)가 있으며, 이것은 1-SOC로 계산됩니다.
Gap Filler/ Plate/ Coolant 모델 개발론
Cell의 열 구배를 포함한 열전달 해석을 하기 위해서, Cell을 3등분 이상 차분화 해야 합니다. Gap Filler와 Plate의 개수는 Cell 몇 개를 합친 기준으로 차분화 되어야 합니다. Coolant 의 개수는 Plate 개수와 동일하게 차분화하여 모델을 구축합니다.
Gap Filler는 패드 사용이 적합하지 않은 작업에 효과적이며, 그리스나 포팅 컴파운드의 대체품으로 사용할 수 있습니다. 그리고 현재 전원공급, 통신, 자동차, IEMI 차폐와 같은 여러 산업부문에서 사용하고 있습니다.
배터리 냉각 시스템의 레이아웃
배터리 모듈 1개로 이루어진 간단한 배터리 팩 냉각 시스템을 Amesim으로 구축합니다. 배터리 팩 형상 및 냉각수 흐름 정보는 아래의 그림과 같습니다.
ECM(Electric Circuit Model)을 구축하기 위해 ECM을 연결하는 레이아웃 정보 및 Cell 특성 모델의 성능 곡선이 필요합니다. 이때, Cell의 성능 곡선은 2차원 곡면으로 표현하였습니다.
배터리 셀 모델 구축
배터리 셀의 point sensor 위치 정보에 따라 Top/ Middle/ Bottom 으로 차분하여 진행합니다. Thermal mass를 통해 3번의 차분화를 진행하며, Conduction, Convection component를 사용하여 열전달을 구현합니다.
전기 배터리를 모델링하기 위해서 다음과 같은 옴의 법칙과 열회로의 쌍대 관계를 이용하였습니다.
수퍼 컴포넌트 편집
하나의 배터리 팩이 완성이 되면, 다음과 같이 수퍼 컴포넌트 기능을 이용하여 모델을 축소할 수 있습니다. 이 기능은 여러 개의 셀로 구성된 배터리를 간소화 할 때 사용할 수 있는 매우 유용한 기능입니다.
수퍼 컴포넌트 기능을 이용하여 다음과 같이 최종 배터리팩 모델을 완성합니다.
해석 결과
배터리 팩 해석을 통해 모듈 안에 있는 셀의 온도 및 특성을 그래프로 확인합니다.
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