EV 배터리팩 케이스의 FEM 해석을 통한 냉각 및 충돌 성능에 대한 연구

Abstract

전기자동차와 관련하여 시작된 초기에는 전기자동차의 가장 큰 단점이었던 1회 충전 당 항속 거리를 늘리고, 비교적 오래 걸리는 충전시간을 단축시키고자 하는 연구들이 선행되었다. 현재 배터리 용량과 에너지 밀도를 증가시키고 고속 고압 충전을 통해 위와 같은 문제점들은 과거에 비해 충분히 개선되었다. 하지만 배터리의 열화, 열폭주와 같은 위험으로부터 충분한 안정성 확보에 대한 연구는 배터리의 소재 치환, 형태 변환 등과 같은 솔루션이 제시되었으나, 현재의 리튬이온 배터리의 에너지밀도를 따라올 수 없어 아직 상용화 되기까지 시간이 더 걸릴 것으로 파악된다. 따라서 본 연구에서는 배터리의 안정성과 성능을 향상시키기 위해 배터리팩 케이스의 성능을 평가하고 이에 대한 개선안을 도출하고자 한다.

첫번째로 배터리팩 케이스 냉각성능에 대해 고찰하고자 한다. 리튬이온 배터리의 수명을 향상시키고 안정성을 높이기 위해 배터리팩 케이스는 이에 대응되는 열관리 능력이 요구된다. 리튬이온 배터리의 열관리에서 주요 관리사항이 2가지 있다. 모든 셀을 적정온도로 유지시키는 능력이 필요하다. 높은 온도에서는 열화, 열폭주가 발생 가능하며, 이를 방지하기위해 배터리 열을 효율적으로 뺏을 수 있는 냉각시스템이 필요하다. TIM(Thermal Interface Material)을 배터리 셀과 셀 사이, 배터리 모듈/팩과 냉각 플레이트 사이에 골고루 도포하여 냉각 플레이트와 배터리의 열교환이 활발히 이뤄지도록 해야 한다. 뿐 만 아니라 리튬이온 배터리의 셀과 셀 사이의 온도 차이를 3~4℃이상 나지 않도록 해야 한다. 본 연구에서는 유한요소해석(FEM, Finite Element Method) 프로그램인 ANSYS Fluent를 사용하여 기존 동일한 유량으로 1개의 Cooling channel을 갖는 냉각시스템과 2개의 Cooling channel을 갖는 냉각시스템의 비교를 통해 기구학적 관점에서 배터리 열관리에 유리한 Cooling channel을 도출하고자 한다.

두번째로 교체형 충격흡수 사이드멤버가 적용된 배터리팩 케이스의 충돌해석을 LS-DYNA를 이용하여 진행하고자 한다. 기존 배터리팩 케이스의 경우 사이드 멤버와 기존 외곽 프레임멤버가 일체형 압출된다. 따라서 경미한 손상에도 배터리팩 케이스 전체를 교체해야하며, 이는 비용, 수단적으로 비효율적인 형상으로 제작되고 있다. 하지만 이를 교체형 멤버로 적용하고 충격흡수 사이드 멤버의 압출 형상에 따른 충돌강성에 대해 비교하고자 한다.

본 연구에서는 전기자동차의 배터리의 효율을 증대하고 수명과 안정성을 높이기 위해 배터리팩 케이스가 가져야하는 냉각성능과 충돌 성능에 대해 유한요소 해석을 수행하고, 이를 통해 그 성능을 구조적 설계 변경으로 비교 평가 및 최적설계안을 제시하고자 한다.|As environmental regulations are strengthened around Europe, the conversion of existing internal combustion engine vehicles to electric vehicles is noticeable, and the paradigm of automobiles is also changing. Electric vehicles (EVs) are classified as eco-friendly vehicles such as plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) and fuel cell electric vehicles (FCEVs). Accordingly, research and development on eco-friendly automotive parts such as batteries and motors are actively underway. Currently, the most commonly used battery for high power of EV is a lithium-ion battery. Lithium-ion batteries are high-density energy storage systems (ESSs), and have a high risk of event occurrence. So it is required active management. Recently, as electric vehicle usage has increased, battery-related accidents, including battery degradation, thermal runaway, etc., are increasing. Thermal runaway of the battery is caused by mechanical, electrical, and thermal defects, resulting in a short circuit inside the cell. The battery pack case to protect the battery from these problems was studied in this research. The EV battery pack case has two main functions. First, protect the battery from external forces. The lithium-ion battery separates the anode material and the cathode material with a thin separator. And mechanical deformation of the battery due to external force may cause an internal short circuit of the cell due to partial damage such as perforation of the separator. Second, the battery pack case must maintain the proper temperature of the battery. To this end, almost all electric vehicles have a battery thermal management system. Maintaining an appropriate temperature of the lithium-ion battery is an important function in terms of efficiency and stability. In this study, the cooling performance to maintain a proper battery temperature and the structural aspect of the battery pack case to protect the battery from external force were studied through FEM analysis.