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본 연구의 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀은 Fig. 3에 나타난 것처럼 타입은 파우치 타입이다. 배터리 셀의 전체 크기는 180 × 105 × 3.5 mm이며, 한 개의 모듈에 8개의 셀이 조립되고 총 9 모듈이 하나의 배터리 팩을 구성한다. Fig. 4와 같이 본 연구에서 고려하는 배터리 팩은 총 72개의 셀이 사용되었다.

Fig. 3 
Schematic diagram of battery cell

Fig. 4 
Assembled cell in the battery pack

리튬-이온 배터리 팩과 모듈 모델은 Fig. 5와 같은 형상이며, Fig. 5(b)의 Section A에서 채널과 채널 사이에 2개의 셀이 조립됨을 알 수 있다. 해당 배터리 팩은 풀 하이브리드 차량에 사용되며, 배터리 팩의 정격 에너지는 약 1.4 kWh이다. 수치해석에 사용된 파우치 셀의 물성은 Table 1에 표기하였다.

Fig. 5 
Schematic diagram of (a) battery pack and (b) battery module

Aic-channel(공기채널)의 형태는 모듈 내부 공간, 모듈과 모듈 사이, 배터리 팩 내부 형상을 고려하며, 이러한 공간 사이에서 형성되는 냉각 공기에 대한 열 유동 수치 해석을 진행하였다. 채널의 번호는 블로워와 가장 가까운 공기 채널이 1번을 시작으로 수평 방향으로 37번까지 구성된다. 채널은 폭과 길이의 비, a:b = 1:1.23의 비율을 가진다. 자세한 치수 정보와 형상은 Fig. 6에 나타냈다.

Fig. 6 
Fluid domain of air channels (a) Iso view, (b) Front view(Reference Fig. 5(b))

플레넘(Plenum)은 적절한 압력 형성을 통해 각 공기 채널 사이로의 유동량을 균일하게 제어해야 한다. 이 때 내부 압력과 공기 흐름은 플레넘의 형상에 따라 지배적으로 변한다.

공랭식 배터리 팩에서 플레넘은 역할에 따라 유동공기가 공기채널로 공급하는 Divergence plenum과 공기 채널로부터 공기가 유입되는 Convergence plenum으로 분류할 수 있다. Fig. 7에서 (a)는 Z-type의 Base 플레넘이며, (b)는 U-type의 Base 플레넘을 보여주고 있다. 두 타입의 플레넘의 자세한 치수는 Table 2에 표시하였다.

Fig. 7 
Fluid domain of design (a) Z-type, (b) U-type

플레넘 공간 형태에 따른 Z-type과 U-type의 배터리 팩 형상 설계의 대상을 냉각 효율 향상에 적용하기 위해 가능한 설계 대상을 Fig. 8과 Fig. 9에 설정하였다.

Fig. 8 
Z-type parameter design (a) Base (b) Case 1 (c) Case 2 (d) Case 3

Fig. 9 
U-type parameter design (a) Base (b) Case 1 (c) Case 2 (d) Case 3

Fig. 8과 Fig. 9는 Z-type과 U-type의 설계 Case를 보여주고 있다. 각 Case는 Fig. 10과 같이 공기 유동 통로를 위하여 변형된 플레넘을 적용하여 배터리팩 유동 형태 및 플레넘 공간 형상이 배터리 팩 냉각 성능에 미치는 영향을 살펴보았다.

Fig. 10 
Schematic diagram of transformed plenum (a) Z-type (b) U-type

변형된 플레넘의 L_x/L의 비율은 2.00, 2.67, 4.00으로 설정하였다. L_x/L의 비율을 각 타입의 Case에 반영하여 최적 설계를 찾을 수 있도록 하였다. Lx는 플레넘의 전체 길이 L의 50 %를 넘지 않도록 하였으며 Table 3에 플레넘 설계 파라미터에 대한 비율을 표기하였다.

배터리 팩 내부 유체의 열 유동 해석은 상용 CFD 프로그램인 ANSYS FLUENT를 이용하여 수행했다. 연속 방정식(Continuity equation) (1)과 운동량 보존 방정식(Momentum conservation equations) (2)를 계산하여 각 채널의 유량 편차 및 압력을 분석하였다.⁹⁾

발열원과 냉각 유체인 공기와의 열전달 현상을 분석하기 위하여 식 (3)인 에너지 방정식(Energy Equation)을 이용하여 계산하였다.¹⁰⁾

모든 해석 조건에 대해서, 동일한 발열량과 토출구 공기 유량을 설정하였고 중력을 고려하여 비압축성 유동에 대한 정상상태 해석을 진행하였다. 내부 유동의 경우, 실제 배터리 팩 내부 유동을 모사하기 위하여 난류 모델 SST k-ω으로 선정했고 셀과 공기의 대류 열전달과 셀 내부 열 전도를 해석하기 위해 에너지 방정식을 계산하였다.

셀의 발열은 전기화학 반응과 줄(Jule) 열로 인해 셀 내에서 단위 부피당 발열이 발생하는 것으로 볼 수 있으며, 본 연구에서 셀의 단위 부피당 발열은 공간적으로 균일하다고 가정하였다.^11,12) 각 셀의 초기 온도와 유입 공기 온도는 상온인, 25 ^oC로 설정했으며, 블로워의 공기 토출 유량은 100 CMH(m³/h)로 설정하였다. 또한 각 Case는 각 Plenum의 냉각 효과 비교를 위해서, 입구 면적, 채널 형상 및 크기, 출구 면적을 동일하게 설정하였다. Fig. 11과 같이, 상대적으로 협소한 공기채널에 3개의 Hexahedral 격자를 구성하여 격자의 개수를 절약했으며, 플레넘이 변형되면서 생기는 좁은 공간에 4개 이상의 Tetrahedral 격자를 적용하여 정확도를 확보하고자 했다. 해석에 사용된 격자 수는 약 35,057,690개가 사용되었다.

Fig. 11 
Mesh configured in air channel, narrow space and cells

Z-type 배터리 팩에 대한 플레넘 형상에 따른 배터리 팩 내부 셀 온도 해석 결과에서 Z-type의 최대 온도 중 Base 모델이 가장 큰 온도 값인 90.15 ^oC이였으며 Case 2의 L/L_x=2.67에서 가장 낮은 온도인 49.75 ^oC를 보였다. Z-type Base 모델의 플레넘 전압 분포를 Fig. 12에 나타냈다. Base 플레넘은 유동 경로에 부적절한 압력이 형성되어 28번부터 34번 채널까지 역류가 발생했다. Fig. 13과 같이, 역류가 발생한 구간의 셀(약 50 ~ 68번)의 온도는 역류가 발생하지 않은 구간보다 크게 상승함을 해석을 통해 확인했다. 이와 다르게 가장 낮은 최대 온도를 보인 Z-type Case 2의 L_x/L=2.67에서는 Z-type base보다 개선된 압력이 플레넘에 형성되었고 어떤 채널에도 역류는 일어나지 않았다. 그 결과 최대 셀 온도는 Base 모델보다 약 40 ^oC 하락하였다. Z-type Case 2 L_x/L=2.67의 압력 분포와 셀 온도 및 채널에 유입되는 유량은 Fig. 14와 Fig. 15에 표시하였다.

Fig. 12 
Non-uniform total pressure inside the battery pack of Z-type base model

Fig. 13 
Effect of mass flow on cell temperature in Z-type base model

Fig. 14 
total pressure inside Z-type case2 L_x/L=2.67

Fig. 15 
Effect of mass flow on cell temperature in Z-type case2

U-type 배터리 팩에 대한 케이스들의 온도 결과에서 가장 높은 셀 최대 온도를 보인 케이스는 U-type Case 3 L_x/L=2.00으로, 최대 온도는 약 156 ^oC이였으며, U-type base가 약 34 ^oC로 가장 낮은 셀 최대 온도를 보였다. Fig. 16과 Fig. 17에 U-type Case 3 L_x/L=2.00의 내부 전압과 유량에 따른 온도 그래프를 표시하였다. Case 3은 플레넘 공간이 최대로 줄어드는 채널 18번 이후로 유량 공급이 원활하지 못하기 때문에 셀의 온도가 급격히 상승한 것으로 보인다. 반면, 가장 낮은 최대 온도를 보인 U-type base의 경우, 유동 경로의 변화로 인해 Fig. 18과 같이 적절한 압력이 형성되어 Fig. 19와 같이 균일한 유량 공급되었다. 각 유동 경로 타입 별 Case의 셀 온도 분포는 Fig. 20과 Fig. 21에 표시하였고 Fig. 22와 Fig. 23은 Z-type과 U-type에서 각 Case 별 플레넘 형상에 따른 최대온도를 비교해서 나타내었다.

Fig. 16 
Total pressure inside U-type case3 Lx/L=2.00

Fig. 17 
Effect of mass flow on cell temperature in U-type case3 Lx/L=2.00

Fig. 18 
Total pressure inside U-type base

Fig. 19 
Effect of mass flow on cell temperature in U-type base

Fig. 20 
Cell temperature distribution of Z-type battery pack according to the plenum shape of each case

Fig. 21 
Cell temperature distribution of U-type battery pack according to the plenum shape of each case

Fig. 22 
Cell temperature of Z-type according to each case

Fig. 23 
Cell temperature of U-type according to each case

배터리 팩 내부의 각 셀의 균일한 냉각은 각 공기채널에 균등한 냉각 공기가 공급됨으로써 이루어질 수 있다. 플레넘 형상이 각 공기 채널로의 유량 편차 감소에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위해 유동 경로 타입에 따른 각 채널의 유량 편차를 Fig. 24에 나타냈다. Fig. 24의 (a)에서 Z-type의 배터리 팩의 경우, Divergence plenum만 형상 변경이 이루어진 Case 2가 상대적으로 낮은 유량 편차를 보였다. 이를 통해, Z-type 배터리 팩 설계에서 Divergence plenum의 설계 변경은 유량 편차를 줄이는데 큰 효과를 보일 수 있음을 확인하였다. Fig. 24의 (b)는 U-type 배터리 팩의 플레넘 형상에 따른 유량 편차 그래프이며 Base 모델이 균일한 유량을 채널에 공급했다. U-type 배터리 팩에서 플레넘의 형상 변경은 오히려 불균일한 유량 공급을 불러올 수 있음을 알 수 있다.

Fig. 24 
Results of flow deviation according to the plenum shape of each case (a) Z-type (b) U-type

배터리 팩의 압력 강하는 블로워의 부하와 직결된다. 따라서 배터리 팩 냉각 설계 시, 압력 강하는 중요한 설계 요소이다. 공랭식 배터리 팩의 압력 강하 값을 산출하기 위해 인렛과 아웃렛 면에서의 평균 전압(Total pressure)의 차이를 계산하였다.

유동 경로 타입 별 Case의 압력 강하는 Fig. 25에 나타냈다. 플레넘의 공간이 작아질수록 압력 강하가 상승하는 경향을 Fig. 25의 (a)와 (b)에서 확인할 수 있다. Fig. 25의 (a)에서 Z-type base와 비교했을 때, Case 3에서 유독 큰 압력강하가 일어난 것을 알 수 있다. Case 3의 경우, Convergence plenum과 Divergence plenum 모두 변형되어 협소한 유동 공간을 가지고 있다. 따라서 협소한 유동공간의 특성으로 인해 Fig. 24의 (a)와 같이 Case 3은 상대적으로 큰 유량편차를 보였다. 큰 유량편차에 의해 좁은 공간에서 다량의 공기를 움직이기 위해서 유독 큰 압력 강하가 발생한 것으로 보인다. 이러한 이유로 가장 협소한 유동 공간을 가지는 Case 3 L_x/L=2.00에서 높은 압력 강하가 일어났다. Fig. 25의 (b)에서 U-type base와 가장 큰 압력강하 값과 비교했을 때, 약 4 Pa에서 약 22 Pa의 상승이 있었다.

Fig. 25 
Results of pressure drop according to the plenum shape of each case (a) Z-type (b) U-type

큰 압력강하는 공기에 운동량을 부여하는 블로워에 더 많은 동력을 요구하게 된다. 이는 결국, 에너지 효율 관리가 중요한 HEV(Hybrid Electric Vehicle)혹은 BEV(Battery Electric Vehicle)에서 손실로 이어짐으로 압력 강하를 줄이려는 설계가 필요하다.