Simcenter STAR-CCM+ 및 Simcenter Battery Design Studio를 사용하여 보다 안전하고 효율적인 리튬 이온 배터리 팩을 제공할 수 있도록 지원

더 나은 열 관리 시스템 개발

리튬 이온(Li-ion) 배터리를 사용하여 전기차를 실현함에 따라 머지 않아 전기로 구동되는 이동 수단이 널리 보급될 것입니다. 하지만 결함이 있는 열 관리 시스템(TMS) 또는 난폭 운전 중 충격으로 인해 전기차의 리튬 이온 배터리에 화재 사고가 여러 번 발생했습니다. 이에 따라 TMS를 효과적으로 정확하게 설계하기 위한 새로운 방법을 찾아 온도를 제어하고 리튬 이온 배터리 성능을 최적화해야 합니다.

이러한 과제를 해결하기 위해 인도 방갈로르의 삼성전자 연구소는 최근 삼성종합기술원과 협력하여 대형 리튬 이온 배터리 팩을 위한 새로운 액체 연료 기반 TMS를 선보인 바 있습니다. 제안된 배터리 팩의 결합형 3D 전기화학/열 모델을 구성했으며, 시뮬레이션을 통해 접촉 저항이 팩의 열 성능에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

전산 유체 역학의 역할

배터리 팩의 셀 주변 유동의 3차원 특성 및 열 생성과 관련된 공간 변이를 고려하여 CFD(전산 유체 역학)를 통해 배터리 팩을 시뮬레이션하는 방법은 열 관리 문제를 해결하기 위한 효과적인 설계 및 최적화 도구로 진화했습니다.

CFD 연구에 따르면, 전기차(EV)와 하이브리드 전기차(HEV)에서 일반적으로 사용되는 높은 방전율로 작동하는 대형 배터리 팩의 경우 액체 냉각이 공기 냉각보다 더 효과적이며, 보다 작고 효율적인 배터리를 설계할 수 있습니다.

지오메트리 압축 및 실험 설정

그림 1에 표시된 리튬 이온 배터리 팩에는 상용 18,650 셀 Li-NCA/C 배터리가 사용되었습니다. 고전도 금속으로 만든 요소는 원통형 셀에서 냉각수 채널로 열을 전달하고 마지막으로 냉각수 액체(이 경우에는 물)로 전달됩니다. 직렬 6개 셀과 병렬 5개 셀로 구성된 30개 셀의 테스트 팩이 제작되었습니다(그림 1 참조).

3D CFD 모델

실험 결과에 대해 검증할 수 있는 배터리의 3D CFD 기반 전기화학 모델을 구성하여 열 생성의 완전한 특성을 얻은 후 다양한 작동 조건에서 TMS의 성능을 시뮬레이션하고 평가하는 데 사용되었습니다.

이 프로젝트에는 2개의 Siemens Digital Industries Software 제품, 즉 Simcenter STAR-CCM+® 소프트웨어와 Simcenter Battery Design Studio™ 소프트웨어가 사용되었습니다. Simcenter STAR-CCM+에서는 유동 및 열 전달을 시뮬레이션하고, Simcenter Battery Design Studio에서는 전기화학 입력 데이터를 얻었으며 이 두 솔루션을 함께 사용하여 배터리 팩의 성능을 시뮬레이션했습니다.

단일 셀에서 정확한 온도 예측

3D TMS 모델은 대표적인 배터리 팩의 성능을 계산하는 데 사용되었으며, 가장 뜨거운 셀과 가장 차가운 셀 간의 평균 온도 차이는 .5도(°K)에 불과한 것으로 나타났습니다. 저자는 온도 상승에서 명확한 패턴을 관찰하고 올바르게 정의된 온도 계수로 단일 셀 온도를 기반으로 다른 셀의 온도를 예측할 수 있음을 파악했습니다.

냉각수 유량이 핵심

전기차에서 TMS 작동을 위한 전력은 배터리에서 추출된 에너지에서 비롯됩니다. TMS에 대한 에너지 요구량을 낮추면 배터리 소모가 줄어 필요한 냉각수 유량을 최적화할 수 있습니다. Simcenter STAR-CCM+ 모델은 낮은 냉각수 유속 조건에서 배터리 팩에 더 많은 열이 저장되는 것으로 나타났으며 이를 통해 낮은 유속에서 더 적은 열이 냉각수로 전달됨을 알 수 있습니다.

대부분의 배터리 팩에서 최대 온도 변화는 유동 스트림의 방향을 따라 3 °K로 제한됩니다. 실험 모델은 3 °K 한계를 간단히 충족하고 저유동 속도에서도 팩을 효과적으로 냉각할 수 있습니다.

혁신적이지만 비용이 많이 드는 그래핀과 같은 재료는 소형 TMS에 사용됩니다. 그림 2의 결과는 실험 TMS를 사용한 배터리 팩의 온도 상승이 그래핀을 위상 변경 재료(PCM) 기반 TMS로 사용한 연구 문헌에 보고된 결과와 동일한 차수를 보여줍니다. 이러한 PCM 기반 TMS는 소형이지만 이 새로운 TMS에서 이러한 혁신적인 재료를 사용할 필요가 없으므로 더 낮은 비용으로 생산될 수 있습니다.

결론

Simcenter STAR-CCM+ 및 Simcenter Battery Design Studio로 생성된 CFD 기반 TMS 기능 모델을 사용하여 시뮬레이션 및 실험 측정 결과가 일치하여 90% 이상의 정확도로 모델을 검증했습니다. 총 팩의 대칭을 사용하여 구성한 대표 배터리 팩을 TMS와 함께 사용하면서 성공적으로 시뮬레이션되어 계산 비용이 절감되었습니다.

TMS는 엄격한 조건에서 효과적으로 안전하게 작동하므로 전기차에 사용되는 대형 리튬 이온 배터리 팩에 적합합니다.