PHEV 리튬이온 배터리 모듈의 간접 수냉식 열관리 시스템 설계 인자 영향 분석 :Effects of design parameters of cooling battery thermal management system for a PHEV battery module

현재규

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자료유형: 학위논문

저자정보: 현재규 (홍익대학교, 홍익대학교 대학원)

지도교수: 박성진

발행연도: 2021

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이용수73

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

전기 자동차 배터리 팩 간접 수냉식 열관리 시스템 1-D 모델 개발 및 냉각 특성 분석

현재규 , 장윤상 , 김태우 외 3명 한국자동차공학회 춘계학술대회 2021.06 학술대회자료

PHEV 리튬이온 배터리 모듈의 간접 수냉식 열관리 시스템 설계 인자 영향 분석

현재규 기계공학과 2021.01 학위논문

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전 세계의 자동차 업계들은 화석 에너지 고갈로 인한 강화된 연비와 배기가스 규제에 대응하기 위해 수소연료전지자동차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle), 전기자동차(EV: Electirc Vehicle), 하이브리드자동차(HEV: Hybrid Electirc Vehicle) 개발에 몰두하고 있다.1,2) 최근에 고용량, 경량화에 대한 필요성이 증가하고 있으며, 낮은 자가 방전율, 높은 기전력과 에너지 밀도 등의 장점을 가지고 있는 리튬이온 배터리가 차세대 전기자동차용 배터리로 주목받고 있다.3) 리튬이온 배터리 같은 경우 과충전, 과전류충전, 외부열과 같은 가혹한 조건이나 충?방전시에 의한 반응열과 전기 저항의 열로 인한 발열에 의해 발화 및 발연이 일어날 수 있는 안정성의 문제를 띄고 있다. 특히 전기자동차에 필요한 용량 및 출력을 감당하기 위해서는 제한된 공간 내에 수십개에서 수백개까지의 셀을 직렬, 병렬로 연결하여야 한다. 이때 배터리의 열 발생에 의해 열 폭주현상이나 배터리 팩의 비정상적인 온도 분포로 인한 여러 문제가 다른 휴대용 장치의 리튬이온 배터리와 비교 할 수 없을 만큼 크다.4,5) 특히 배터리 팩의 비정상적인 온도 분포는 전지의 성능과 수명을 제대로 활용하지 못하고, 전기자동차의 실용화를 앞당기기 위해서 체계적인 배터리 팩의 열관리 기술이 필요하다.
본 논문에서는 수십개의 파우치 셀로 구성된 PHEV용 리튬이온 배터리 팩의 2개의 모듈을 이용하여 간접 수냉식 열관리 시스템 설계 인자 영향 분석을 하였다. 모델은 Matlab/Simulink를 이용해 CFD결과로 검증하였으며, 배터리 팩은 셀, Cooling plate, Cold plate, TIM, 냉각 채널, Pad 등으로 구성되어 있다. 따라서 이 모델을 이용해 배터리 모듈의 열관리 시스템 Cooling plate, Cold plate의 두께, 재질, 외기온, TIM의 두께 및 열전도도에 따른 배터리 모듈의 부피 및 무게의 변화, 셀의 최고?최저 온도, 배터리 모듈의 온도 분포 등의 냉각 특성을 비교 분석하였다

국문 요약 i
그림 목차 v
표 목차 vii
기호약속 viii
제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.1.1 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle) 3
1.1.1.1 회생제동 5
1.1.2 EV(Electirc Vehicle) 6
1.1.3 PHEV(Plug-in Hybrid Electirc Vehicle) 8
1.1.4 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 8
1.2 연구 목적 9
제 2 장 배터리 열관리 시스템 11
2.1 2차 배터리의 종류 11
2.2 배터리 발열 16
2.2.1 열 폭주(Thermal runaway) 17
2.2.2 가역 열 18
2.2.3 비가역 열 18
2.3 배터리 열관리 시스템 종류 19
2.3.1 직접냉각방식과 간접냉각방식 20
2.4 배터리 냉각매체의 종류 22
2.4.1 TIM(Thermal Interface Material) 22
제 3 장 배터리 팩 열관리 시스템 모델 24
3.1 배터리 팩 열관리 시스템(BTMS) 모델 24
3.1.1 BTMS 모델링 방법 25
3.1.2 BTMS 모델 검증 30
3.2 BTMS 시뮬레이션 및 결과 33
3.2.1 Cooling plate, Cold plate의 두께에 따른 셀 온도 영향 34
3.2.2 Cooling plate, Cold plate의 재질인 Al, Cu, Graphite의 따른 셀 온도 영향 분석 41
3.2.3 외기온에 따른 셀 온도 영향 분석 43
3.2.4 TIM 두께 및 열전도도의 따른 영향 45
제 4 장 결론 51
참고문헌 52
영문 요약(Abstract) 57

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