CFD 시뮬레이션으로 리튬 배터리 시스템을 최적화하여 설계 시간 및 비용 절감

소개

2011년에 설립된 Forsee Power는 차량 및 기타 제품용 스마트 리튬 배터리 시스템을 최초로 설계 및 제조한 기업이자 업계의 글로벌 리더입니다. 표준화된 제품 설계 접근 방식을 통해 고성능, 높은 안전성 및 긴 수명의
배터리 시스템을 제작하는 등 지속적으로 혁신하고자 최선을 다하고 있습니다. 이러한 설계 접근 방식은 고객의 고유한 요구사항을 충족할 수 있는 유연성을 보장합니다.

리튬 배터리 시스템의 중요한 과제인 열 방출 최적화로 혁신 목표를 확장하고 있습니다. Forsee Power는 1D 시뮬레이션에만 의존하고 스프레드시트로 데이터를 분석하는 방식에서 벗어나야 한다는 것을 인지했습니다. 이를 위해 Siemens Digital Industries Software와 협력하여 소프트웨어, 하드웨어, 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부인 Simcenter™ STAR-CCM+™ 소프트웨어를 솔루션으로 통합했습니다.

배터리 열 문제 극복

배터리 시스템 설계에는 배터리 팩 안전 성능을 평가하는 핵심 요소이기도 한 열 설계 및 열 폭주 제어와 관련된 몇 가지 과제가 수반됩니다. Forsee Power는 초기 설계 단계에서 제공된 단일 핵심 열 매개변수를 기반으로 전체 배터리 팩의 열 설계 성능을 정확하게 확보해야 합니다. 또한 이후 실험이나 설계 단계에서
문제가 발생하지 않도록 해야 합니다.

이전 프로세스에는 배터리 가열 세부 정보를 반영하지 못하는 경우가 많았습니다. 배터리의 국소 과열점에 대한 적절한 세부 정보가 없으면 전체 배터리 팩의 냉각 시스템에서 열 관리 관련 실패가 발생할 수 있습니다.

또한 이 프로세스에서는 초기 설계 단계에서 물리적 프로토타입 없이 열 테스트를 수행하는 것이 불가능했습니다. 일반적으로 문제는 설계 프로세스 후반에 발생하며, 이미 만들어진 설계를 수정하기 때문에 실험 비용과 시간 비용이 증가했습니다.

이러한 문제를 극복하려면 설계 프로세스 초기에 열 문제를 포착할 수 있는 시뮬레이션 솔루션이 필요하다는 것을 깨달았습니다.

Forsee Power는 지능형 배터리 시스템의 설계 및 제조를 전문으로 합니다. 혁신적인 배터리 솔루션이 성공적이고 지속 가능한 에너지 전환에 중추적인 역할을 하며,
전 세계 스마트 모빌리티 및 장치의 수명 주기를 최적화한다고 확신합니다.

시뮬레이션을 통한 배터리 열 관리

배터리 제조 회사는 보편적으로 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 배터리 팩 열 관리를 수행합니다. 엔지니어는 시뮬레이션을 통해 매개변수와 솔루션을 검증한 후 시뮬레이션을 확장하여 제품 성능을 검증하고 실험 실행 횟수를 줄일 수 있습니다.

Forsee Power의 메카니컬 엔지니어인 Kinny Ruan은 "Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 설계 단계 초기에 열 설계 성능을 정확하게 구현할 수 있습니다."라고 말합니다.

Simcenter STAR-CCM+의 CAD(Computer-Aided Design) 인터페이스에 기반하여 Forsee Power 엔지니어는 설계를 배터리 팩 모델로 직접 가져올 수 있었습니다. 설계팀이 제공하는 핵심 가열 데이터를 사용하여 소프트웨어는 냉각 채널, 팬과 같은 컴포넌트의 열 방출 효율을 시뮬레이션하고 검증합니다. 이 프로세스는 대부분의 기존 실험과 물리적 실험을 대체하여 전체 설계 단계를 간소화할 수 있습니다.

혁신의 핵심은 시뮬레이션을 사용하여 사이클 조건에서 배터리 팩의 상세한 3D 온도 분포 데이터를 얻는 데 있습니다. R&D(연구 개발) 엔지니어는 Simcenter STAR-CCM+를 활용하여 고객의 요구에 따라 설계를 조정하고 선택한 다음 배터리 팩의 열 방출 성능을 신속하게 얻을 수 있습니다. 이 프로세스를 통해
R&D 주기와 관련 비용이 줄었습니다.

Forsee Power의 시뮬레이션 엔지니어인 Ken Yan은 "Simcenter 소프트웨어를 통해 컴퓨팅 작업을 실행함으로써 엔지니어는 설계 아이디어를 구상하고 경계 조건을 정의하는 데 더 집중할 수 있어 제품 성능이 대폭 향상되었습니다."라고 말합니다.

또한 Forsee Power의 스마트 배터리 시스템은 이동성을 개선하는 데 크게 기여합니다. 표준화된 제품의 맞춤형 변형을 생성하여 다양한 응용 시나리오에 대한 요구사항을 충족할 수 있습니다. 단 하나의 제품으로 모든 고객의 요구사항을 충족할 수 없으므로 각 고객마다 고유하고 신뢰할 수 있는 다기능 솔루션을 제공합니다.

엔지니어는 Simcenter STAR-CCM+를 활용하여 열 설계 성능을 정밀하게 평가하고 배터리의 국소 과열점을 식별할 수 있습니다. 이를 통해 배터리 팩의 냉각 시스템을 최적화하여 최고 성능을 구현할 수 있습니다.

CFD 시뮬레이션을 적용하여 성능 검증

제품의 성패 여부를 판단하려면 설계 및 개발 과정 전반에 걸쳐 반복적으로 수정되는 특정 제품 개발 세부 사항을 염두에 두는 것이 중요합니다. 이를 위해 회사는 솔루션이 필요했습니다. 그러나 CFD(전산 유체 역학) 시뮬레이션을 적용하는 데는 두 가지 주요 문제가 있었습니다. 첫 번째는 시뮬레이션의 정확성, 두 번째는 시뮬레이션의 효율을 보장하는 것이었습니다.

이 도구를 소형 모듈형 공랭식 배터리인 PULSE 0.5에 적용하면 섭씨 40도의 극한 환경에서 정확도를 확인할 수 있었습니다. 실험 및 시뮬레이션 결과를 벤치마킹한 결과, 피드백 시뮬레이션 및 측정 추세가 일관되게 나타났으며 시뮬레이션 모니터링 온도 오차는 5% 이내였습니다. 소프트웨어는 제품의 측정된 최고 및 최저 온도 위치를 명확하게 표시하여 실험 시뮬레이션의 결과를 입증했습니다.

Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 Forsee Power 엔지니어는 설계 변경 효과를 보다 직관적으로 파악할 수 있습니다. 이 3D 유체 열 시뮬레이션 도구를 사용하여 엔지니어는 다양한 세부 사항에 집중하고 제품 성능을 검증할 수 있습니다.

Forsee Power는 이 솔루션을 통해 실험 빈도를 줄이고 정확한 온도 데이터를 확보하여 라이프사이클 시뮬레이션을 실행했습니다.

Forsee Power는 시뮬레이션 결과를 검증하고 정확성과 실험 테스트 데이터와의 일관성을 확인했습니다. 위의 차트는 열 시뮬레이션 데이터가 실험 데이터와 근접하게 일치하며 오차 범위가 5% 이내임을 보여줍니다.

배터리 설계 성능 향상

Forsee Power의 엔지니어링 워크플로에 Simcenter STAR-CCM+를 통합함으로써 설계 프로세스를 가속하고 보다 간소화되고 비용 효율적인 결과를 달성하는 능력을 향상할 수 있었습니다. Simcenter STAR-CCM+를 활용함으로써 회사는 배터리 팩 설계의 열 문제를 이해하고 해결하여 안전성과 성능을 향상할 수 있습니다.

Forsee Power의 성공 사례는 Siemens의 엔지니어링 소프트웨어가 리튬 배터리 시스템 개발의 복잡한 문제를 해결하는 데 엄청난 영향을 미쳤음을 보여줍니다. 제품 설계와 성능을 지속적으로 최적화하고 있으며 스마트 배터리 시스템 산업의 혁신과 신뢰성을 강화하겠다는 신념은 여전히 굳건합니다.

2022년 Forsee Power는 농업, 산업, 임업, 광업, 지게차, 굴삭기 등의 응용 분야를 포함하여 오프 하이웨이 시장에 맞게 설계된 고전력 PULSE 0.5 배터리를 출시했습니다.