히트파이프 형상 변수에 따른 Li-ion 배터리의 공랭식 냉각성능에 관한 해석적 연구

Abstract

본 연구에서 강제대류와 HP의 열전달을 이용하는 배터리 시스템을 설계하고 냉각성능을 비교하였다. 유동해석을 통해 HPr에 따른 유동특성을 분석하였고, 이를 반영한 냉각성능의 최적유량과 HPr을 제안하였다. HP를 이용한 배터리 냉각시스템 해석모델은 유량과 HP의 길이 비에 따른 열전달 및 냉각특성을 분석하기 위해 개발되었다. 해석의 유효성을 검증하기 위해 온도, 유속 및 압력강하량의 격자 의존성 테스트를 수행하였고 2.7%의 오차 범위 내에서 일치하였다. 해석모델에 적용된 HP의 열전도율은 제작된 HP의 발열량과 HPr에 따라 실험을 통해 측정되었다. HP 열전도율 실험을 통하여 해석값과 비교하였고 오차 범위 2.8% 내에서 일치하였다. 냉각시스템의 해석은 외기온도 25℃ 상태에서 HPr, 팬 풍량과 배터리 셀의 발열량을 변화시키며 성능특성을 고찰하였다. 먼저 팬 단독(fan alone) 조건의 경우, 발열량이 증가함에 따라 배터리 셀의 최고온도와 온도편차가 증가하였다. 유량조건 0.7 CMM과 발열량 4 W 기준, 최고온도 47.6℃, 14.8℃의 온도편차를 보이며 낮은 냉각성능을 나타내었다. 이러한 낮은 냉각성능을 보완하기 위해 배터리 셀 사이에 HP를 적용하여 해석을 수행하였다. HPr에 따른 내부 유동변화를 보기위해서 HP의 열전달을 적용하지 않은 결과와 열전달을 적용한 결과를 비교하였다. 두 가지 조건 모두 팬의 풍량과 HPr이 증가함에 따라 시스템 내부 위치별 유속이 증가하면서 열전달계수가 증가하여 배터리 셀의 최고온도 및 인접 배터리 셀 간의 온도편차가 감소하였다. 반면에 시스템의 압력강하량이 증가함에 따라 팬의 유량감소가 증가하였다. HPr 0.1에서 0.3 구간에서는 압력강하량의 선형적인 증가율을 보이다 HPr 0.5 구간에서 급격하게 증가하였다. 시스템 내부 압력강하량이 증가함에 따라 유량도 급격하게 감소하였다. 시스템 내 측정위치 별 유속의 경우, 팬에서 가깝고 HPr이 증가할수록 유속이 빨라졌으며 난류영역의 범위가 넓어지는 결과를 나타내었다. 배터리 셀의 발열량에 따른 유속과 시스템 압력강하량의 차이는 없었으며 온도변화에 따른 영향을 받지 않았다. 해석결과에 따라 압력강하에 의한 팬의 유량감소를 고려했을 때, 본 시스템의 최적 냉각효율을 나타내는 조건은 HPr 0.3 조건의 유량 1.2 CMM인 것으로 판단하였고, 팬 단독(fan alone) 조건 대비 최고온도 3.7℃, 온도편차 6.9℃ 저감의 냉각성능을 나타내었다. 최적조건인 HPr 0.3, 1.2 CMM 유량조건에서 HP의 열전달을 적용했을 때와 적용하지 않았을 때의 배터리 셀 온도를 비교했을 때, 열전달 적용 시 0.2~1.2℃의 최고온도 저감과 1.2~2.8℃의 온도편차 개선의 결과를 보였다. 최고온도 저감의 폭보다 온도편차 개선의 폭이 더 큰 결과를 나타내었고, 이는 HP의 열전달에 의한 온도가 높은 셀에서 낮은 배터리 셀로의 열분배 현상으로 두 열원 사이에 설치되는 HP의 경우, 열전달에 의한 열분배 효과가 더 지배적인 것으로 판단된다.