전기차 리튬이온 배터리 팩용 간접수냉식 열관리 시스템의 동적 모델 개발 및 주행사이클에서의 온도 변화 특성 분석

Abstract

전 세계 자동차 생산 업체는 환경문제와 에너지 고갈로 인해 강화되고 있는 배기가스와 연비규제에 대응하고 있다. 따라서 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 전기 자동차(EV: Electric Vehicle)등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 전기자동차는 비교적 간단한 시스템 구조로 인 해 주목받고 있다. 전기자동차는 1회 충전 주행거리를 늘리기 위해 수백 개의 셀이 직렬 혹은 병렬로 연결되어있는 대용량 리튬이온 배터리 팩을 주로 사용한다. 이러한 배터리 팩은 열관리 하는 것이 중 요하다. 배터리팩 내 셀들의 평균 온도를 적절히 유지하고, 셀 간 온도 편차를 줄이지 못한다면 높은 온도로 인한 폭발이나 충?방전 효율저하, 셀 간 내부저항 불균형이 생기기 때문이다. 따라서 다양한 운전조건과 과도적인 출력 상황에서도 배터리를 적절한 온도로 유지하며 셀 간 온도 편차를 줄일 수 있는 배터리 열관리 시스템은 중요하다. 본 연구에서는 수백 개의 파우치 셀로 구성된 간접수냉식 대용량 리튬이온 배터리 팩을 연구대상으 로 선정하였으며, BTMS(Battery Thermal management System)의 열적 모델을 Matlab/Simulink를 이용해 개발 및 검증하였다. 배터리 팩은 배터리 셀, 냉각핀, EPDM패드, TIM(Thermal interface material), 그리고 냉각 채널로 구성되어 있으며, 각각의 컴포넌트들은 BTMS 모델에서 여러 개의 요소로 나뉘며 에너지 방정식을 통해 온도나 열전달률이 계산된다. 또한, 배터리 팩의 기하학적 디자인이나 물성치를 반영할 수 있는 모델로 개발되었으며, 셀의 온도 분포를 예측하고 차량 운전 조건 변화에 따른 온도 변화를 예측할 수 있는 동적 모델로 개발되었다. BTMS 모델의 검증은 Fig. 1과 같이 실험 데이터와 비 교하였으며, 모델에 전류, 냉각수 온도, 외기 온도 등과 같은 운전 조건을 입력 후 배터리 셀과 냉각 수 온도 변화를 통해 확인하였다. 개발된 BTMS 모델을 이용하여 차량 주행 사이클 동안 셀 최고 온도, 최저온도, 셀 간 최대 온도 편차의 변화를 예측하였고, 배터리팩의 기하학적 디자인이나 운전조건이 배터리 팩의 온도 변화에 미치는 영향을 분석하였다.