†To whom corresponding should be addressed.
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https://doi.org/10.5855/ENERGY.2016.25.4.030
전동스쿠터용 배터리팩 냉각시스템 개발을 위한 수치해석
이석영†
인하공업전문대학 기계과
(2016년 8월 24일 접수, 2016년 10월 21일 수정, 2016년 10월 25일 채택)
Numerical Analysis on development of the Cooling System for E-Scooter Battery Pack
Suk Young Lee
†Department of Mechanical Engineering, Inha Technical College
(Received 24 August 2016, Revised 21 October 2016, Accepted 25 October 2016) 요 약
전동스쿠터용 배터리팩은 상온보다 고온일수록 내부저항이 감소하여 충전효율은 상승하나 배터리 안전성 문제로 인하여 냉각시스템을 필요로 한다. 본 연구의 목적은 냉각용 공기 흡입과 배출 방법과 시기를 다르게 하여 냉각 효율성을 분석하는 것이다. 배터리팩 내부에서 각각의 배터리 사이에 큰 온도편차가 존재하는 경우 배터리의 성능 과 효율이 저감된다. 따라서, 배터리팩 냉각성능을 입․출구 냉각팬의 작동 방법 및 시기 변화에 의해 배터리의 성능과 효율을 개선시키도록 한다. 연구에 사용된 수치해석 상용코드는 17.0버젼의 ANSYS CFX이다.
주요어 : 배터리 팩, 최적설계, 방열, 수치해석
Abstract - The battery pack which is a main component of E-scooter needs the cooling system because it is the matter of battery safety in spite of the incresing of charge efficiency due to decress the internal resistence in the condition of high temperature. The purpose of this study is to analyse the effects of cooling methods which is the control of air's inlet and outlet operating timing. When each battery had large temperature deviation in the battery pack, the difference of battery's performance and efficiency were appeared. In this study, the cooling performance of battery pack has been improved by changing the operation timing of inlet and outlet fan, it improved the performance and efficiency of battery. The numerical analysis using a commercial code ANSYS CFX version 17.0 were used for the study.
Key words : Battery pack, Optimal design, Radiating, Numerical analysis
1. 서 론
최근 전 세계적으로 친환경 수송수단에 대한 필요 성이 증대하면서 성능과 환경개선을목적으로 전기에 너지 운송수단이 개발되고 있다. 전기차량은 차체의 경량화 및 소형화를 통해 소모전력을 줄이면서 가까운 거리의 운행을 목적으로 하고 있으며, 동력으로는 배터 리만을 사용한다. 탑재되는 배터리의 종류로는 Li-ion,
Ni-MH 등이 있으며 종류에 따라 정도는 다르지만 충․ 방전 과정에서 전자의 이동에 의한 발열현상이 관찰 되며, 특히 충전전류가 높아짐에 따라 전자이동의 집 중에 의한 발열이 심화되어 고온부가 형성된다. 다수 의 단일 배터리 셀로 구성된 배터리 팩이 적용되므로 안정적이며 지속적인 성능 유지를 위하여 배터리팩의 냉각은 매우 중요하며, 특히 고전류 충․방전의 경우 극 주변 부분의 발열집중을 고려한 유로설계가 필요하 다.(1) Ahmad는 배터리에 대한 다양한 냉각방식 소개 와 배터리 냉각에 대한 유동장 및 온도장 해석을 통해
Fig. 2. Modeling of battery pack Assembly Fig. 1. Assembly of battery pack
Fig. 3. Components of battery pack
온도분포를 분석하였으며,(2) RIZA Kizilel는 HEV용배터리의 공냉시스템과 상변화 시스템을 비교 분석하 였다.(3) 또한, LI-Jun Yu는 주기적인 충전 및 방전과 정에서의 온도상승을 분석하고, 이를 CFD를 통해 최적 화하는 방법 및 결과를 제시하였다.(4) 이러한 기술에 대해 융합과정을 거쳐 전기오토바이용 리튬이온 배터 리 시스템은 물론 유사한 형태의 전기자전거, 전동휠 체어, Segway, UPS 배터리 시스템의 기반 기술을 구 축할 뿐 만 아니라, 친환경성, 안정성을 요구하는 다양 한 중대형 배터리 시스템에도 광범위한 응용이 필요 하다. 국내의 경우 배터리팩 관리시스템은 세계 최고 수준의 기술을 확보하고 있지만, 효율적인 방열에 의 한 리튬이온의 이차전지의 수명, 안전성, 내구성을 확 보하기 위한 배터리 팩 케이스 및 제어 시스템은 효율 은 낮은 실정이다. 따라서, 냉각효율 향상을 위한 배 터리 팩 최적화 설계기술을 적용하여 전동스쿠터 장착 용 3KW급 리튬이온 배터리 팩을 개발하고자 한다. 본 연구에서는 배터리팩 냉각성능 향상을 위한 최적화 설 계를 위해 상용 프로그램인 ANSYS v17.0을 사용하여 냉각팬 동작방법 및 시기에 대한 시뮬레이션을 수행 하여 냉각효율을 향상시킬 수 있는 방안을 찾도록 하 였다.
2. 수치해석
2-1. 해석모델
본 연구에서는 전기오토바이 장착용 3KW급 직렬형, 52mΩ의 내부저항, BMS 모듈회로 및 리튬이온 배터 리 팩에 전부하 40A를 가정하여 기 설치된 2개의 냉 각용 송풍기에 대해 작동방법 및 시기에 따른 냉각에 대한 효율성을 분석하기 위해 공기의 유동 해석에 필 요한 3D모델링을 진행하였다. 수치해석에 사용된 툴 은 ANSYS CFX v17.0을 사용하였고 자체 내장된 디 자인모듈러에 의해 3D도면을 완성하였고, 정확한 계 산을 위해 격자를 ANSYS 자체에 내장된 프로그램에 의해 격자를 생성한 결과, 노드수(Nodes)는 233만개, 엘리먼트수(Elements)는 527만개로서 정확한 계산이 되 도록 준비하였다. Fig. 1과 2는 수치해석의 대상으로 선정한 배터리팩의 형상을 나타내었고, 냉각용 입․출 구 팬의 작동에 따른 냉각성능을 파악하기 위해 Table 1과 같이 5가지 조건으로 구분하여 양쪽 팬 미가동, 앞 쪽 팬만 가동, 뒷쪽 팬만 가동, 양쪽 팬 가동, 양쪽 팬이 교대하면서 가동으로 나누어서 진행하였으며 앞쪽 팬에
Items Conditions Mode No Fan Front Off, Rear Off Steady 1 Fan Front Front On, Rear Off Steady Rear Front Off, Rear On Steady 2 Fan Fix Front On, Rear On Steady Alternate Front/Rear On or Off Transient
Table 1. Conditions for numerical analysis
Fig. 4. Process of numerical analysis
Item Specification
Initial Temperature 15℃
Inlet Condition Pressure 1 atm Temperature 15℃
Outside Condition Air speed 30km/h Heat convection 50W/m2℃ Battery Heat generation rate 20,000w/m3
Table 3. Boundary conditions of battery pack
Items No Fan
1 Fan 2 Fan Front Rear Fix Alternate Module Temp.,℃ 115.7 34.1 37.4 30.2 20.0
Fluid Temp.,℃ 68.9 26.2 27.4 24.1 22.1 Fluid Velocity,m/s 0.023 0.121 0.614 0.483 0.589 T.K.E,J/kg 0.0016 0.0076 0.0451 0.0315 0.0451 Fluid Pressure,Pa -0.036 -0.131 30.142 12.446 -6.377
Table 4. Numerical analysis results
Fig. 5. Distribution of calculated air velocity in
battery pack - 2 fan alternateItem Specification
Air Flow 8,4 CFM
Air Pressure 5.2mmH2O Rated Speed 8,000rpm
Rated Voltage 5 VDC
Rated Current 0.2A
Table 2. Specification of cooling fan
의한 공기의 유동은 배터리팩 내부로 향하며 뒷쪽 팬은 배터리팩 내부 공기를 배출시키는 역할을 담당한다.
2-2. 수치해석 기법
본 연구에서는 해석 시간을 연속 또는 과도모드로 설 정하였고 유체해석은 열전달을 고려하여 배터리팩 내 부의 유속 분포와 온도분포를 분석하였다. 팩 내부의 유 동은 비압축성, 난류, 점성유동으로 가정하였고 난류 모델은 k-ε모델을 사용하였다. 작동유체는 공기로 설정 하였으며, 시스템 외부로의 열전달은 입․출구 유동과 외부공기에 의한 영향을 고려하였다.(5)
2-3. 경계조건
배터리팩에서 팬의 위치는 Fig. 3에서 보는 바와 같 이 서로 반대편에 위치하며 장치 내부로 공기를 흡입 한고 배터리모듈을 냉각한 후 시스템 외부로 배출시키 는 역할을 한다. 수치해석에 적용된 팬의 제원과 경계 조건을 Table 2과 3에 나타내었다. 배터리에서 손실전 력은 대부분 열로 변환되므로 이를 발열조건으로 이용 하여 열발생율값을 경계조건으로 적용하였다.(6) 공통 적인 해석 조건인 외기온도 및 풍속, 배터리내부 발열 량 등은 일정한 값을 입력하였으며, 수치해석 조건에 따 라 Steady or Transient Mode로 구분하여 해석을 진행 하였다.
3. 결과 및 고찰
3-1. 수치해석 결과 분석
해석결과를 Table 4와 Fig. 5에서 9까지 보여주고
Fig. 7. Distribution of calculated air velocity in battery pack
Fig. 6. Distribution of calculated air streamline in battery pack
Fig. 9. Distribution of calculated air temperature in battery pack
Fig. 8. Distribution of calculated air`s T.K.E in battery pack
Fig. 10. Measurement apparatus for air temperature
in battery pack구분 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 평균
No Fan
(기존) 62 67 66 65 67 69 64 68 65 70 66.3
2 Fan Alt.
(개선) 25 23 24 21 23 26 23 24 24 25 23.8
Table 5. Experimental result for air temp. in battery pack, Unit:℃
있다. 전반적인 해석결과로 냉각효과는 2 Fan Alter- nate 조건에서 배터리팩 내부 공기온도가 22.1℃로서 가장 바람직하였다. 또한, Fig. 5에서 9까지의 계산결 과를 보면 배터리팩 내부 공기온도보다는 배터리 모듈 에 대한 온도편차가 상대적으로 크게 나타남을 알 수 있는데 이는 공기와 배터리 모듈을 비교할 때, 비열의 차이에서 기인한 것으로 판단된다. 또한, 패터리팩 내 부공기의 평균유동속도는 1 Fan Rear, 평균난류강도 는 1 Fan Rear 및 2 Fan Alt 조건에서 가장 크게 나타 났음에도 불구하고 2 Fan Alternate 조건에서 냉각효 과가 가장 크게 나타나는 현상은 2 Fan Alternate 조건 이 냉각팬을 교대로 동작함으로서 전․후면 송풍기에 서 생성되는 유체의 흐름에서 생성되는 관성을 가능 한 유지시키며 유동을 원활하게 해주었기 때문이라고 판단되며 Table. 4에서 유동속도를 비교하면서 다시 한 번 확인할 수 있다. 이러한 원활한 유체흐름에 의해 Table. 4에서와 같이 난류강도 상승과 함께 배터리 모 듈과 냉각공기와의 온도편차가 2,0℃로서 5가지 조건 중에서 최소값으로 냉각효율이 가장 양호함을 알 수 있 다. 이러한 조건에서 냉각팬의 교대하는 각각의 작동 에 소요되는 시간은 2.5, 3.5초 2가지로 해석을 진행한 바 냉각효율에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 그 리고 내부 공기에 의한 배터리팩의 팽창을 방지하기 위해 계산된 내부공기의 압력값의 크기가 미비하여 큰 우려가 되지 않는다고 볼 수 있다.
3-2. 수치해석 결과 검증
해석결과에 따라 2 Fan Alternate를 적용하여 전자 제어 알고리즘을 통해 Fig. 10과 같이 온도측정에 대한 실험을 수행하였다. 실험조건은 해석결과와 동일한 조 건을 적용하여 전동스쿠터용 3kW용량의 배터리에서 전 부하인 40A의 운전조건으로 외기온도 15℃, 외부 공기 의 풍속 30km/h을 기준으로 하였다. 실험횟수는 10회를 기준으로 하였으며 검증은 평균값을 기준으로 비교 평 가하였다. 실험결과는 Table 5에서 보여주고 있으며 2 Fan Alternate 방식으로 적용하였을 때 배터리팩 내부
공기온도의 평균치가 23.8℃로서 수치해석 결과와 거의 유사하게 나타났다.
4. 결 론
배터리팩 냉각성능 향상을 위한 최적화 설계를 위 해 상용 프로그램인 ANSYS v17.0을 사용하여 냉각 팬 동작방법에 따른 5가지 냉각방식으로 시뮬레이션 을 수행하여 냉각효율을 향상시킬 수 있는 방안을 찾 도록 하였다.
(1) 해석결과, 냉각효과는 2 Fan Alternate 조건에서 배터리팩 내부 공기온도가 22.1℃로서 가장 바람직하 였다.
(2) 패터리팩 내부공기의 유동속도는 1 Fan Rear, 난류강도는 1 Fan Rear 및 2 Fan Alt 조건에서 상대 적으로 가장 크게 나타난 반면에 2 Fan Alternate 조 건에서 냉각효과가 가장 크게 나타난 것은 냉각팬을 교대로 동작함으로서 전․후면 송풍기에서 생성되는 유체의 흐름을 방해하지 않고 원활하게 해주었기 때 문이라고 판단된다.
(3) 해석결과에 따라 2 Fan Alternate를 적용하여 전자제어 알고리즘의 구성을 통해 실험을 수행한 결과 배터리팩 내부공기온도가 23.8℃로서 수치해석 결과
와 거의 유사함을 확인하여 해석을 검증하였다.
References
1. Kim, H. S., Han, B. Y. and Park, H. K., 2011, Flow analysis around the battery pack for a NEV, Journal of the KSOFE, Vol. 1, pp. 135-140 2. Ahmad, A. P., 2001, Battery Thermal Manage-
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3. Riza, K., Rami, S., Robert, S. J. and Al-Hallaj, S., 2009, An Aterative Cooling System to Enhance the Safety of Li-ion Battery Packs, Journal of Power Sources, Vol 194, pp. 1105-1112
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5. Thorsten J. M., Ruben, S., Choopong S. and Rolf R., 2008, pment of a Numerical Simulation Tool for the Cooling of Batteries, SAE Technical Paper Series NO. 2008-01-0239
6. Sung, C. R., et al., 2010, Numerical Study on Improvement of The Cooling Performance for the Battery Formation Equipment, Journal of KSME, pp. 3146-3151
