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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 8 pp. 1-7, ISSN / eissn 김대완 1, 서재형 2, 김학민 2, 이무연 2* 1 엔티에프텍, 2 동아대학교기계공학과 Numerical Study on the Heat Transfer Characteristics of 360 Wh Li-ion Battery Pack for Personal Mobility Dae-Wan Kim 1, Jae-Hyeong Seo 2, Hak-Min Kim 2, Moo-Yeon Lee 2* 1 R&D Division, NTF Tech Co. 2 Department of Mechanical Engineering, Dong-A University 요약본논문은퍼스널모빌리티에사용되는 360 Wh급리튬이온배터리팩의성능및안정성확보를위하여리튬이온배터리팩의열전달특성에관하여상용수치해석프로그램인 ANSYS v17.0의 CFX를이용하여수치적으로연구하였다. 이를위하여퍼스널모빌리티에사용되는 360 Wh급리튬이온배터리팩의배터리셀배열을 4가지경우로변경하고, 배터리셀홀더에사용되는재질과배터리팩케이스에사용되는재질을각각 Polypropylene, Aluminium, Magnesium alloy로변경하였다. 그결과배터리평균온도는배터리셀배열이 Model 2 일때가장낮게예측되었으며, 배터리셀홀더와배터리팩케이스재질변경에따른배터리평균온도는대부분의경우 Aluminium 일때가장낮게예측되었다. 퍼스널모빌리티에사용되는 360 Wh급리튬이온배터리팩의열전달성능은배터리셀배열과배터리팩케이스재질에많은영향을받았으며, 배터리셀배열 Model 2와배터리팩케이스재질이 Aluminium 일때가장높았다. Abstract This study numerically evaluates the heat transfer characteristics of a 360-Wh Li-ion battery pack. The analysis was done in ANSYS CFXusing different cell arrangements, cell holders, and case materials for a personal mobility device program. A total of four cases of cell arrangements were considered, along with various materials for both the cell holder and the case, such as polypropylene, aluminum, and magnesium alloy. Out of the four cell arrangements, model 2 showed the best heat transfer performance, whilealuminum showed the best heat transfer performancefor the cell holder and case. Keywords : Battery thermal management system, Cell arrangement, Heat transfer, Li-ion battery, Personal mobility 1. 서론 전세계적으로과다한화석연료사용으로인한환경오염문제를해결하고자친환경이동수단인전기구동이 동수단에대한높은관심과함께관련기술개발이활발히이루어지고있다. 특히현재개인용전기구동이동수단으로각광받고있는퍼스널모빌리티는전기모터를주요동력원으로사용하며, 주요에너지원은충 방전이가 본논문은산업통상자원부의산업기술혁신사업의일환으로수행하였으며 [ , 전기자전거용 360Wh급 48V LiB 시스템및급속충전시스템개발 ], 2016년도정부 ( 교육부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된기초연구사업임 (no. 2016R1D1A1B ). 또한, 본연구는한국에너지기술연구원의주요사업으로수행한결과이며 (B7-2416), 부산과학기술기획평가원의기술개발 확산개방형연구실운영사업으로수행한결과입니다. * Corresponding Author : Moo-Yeon Lee(Dong-A Univ.) Tel: mylee@dau.ac.kr Received July 20, 2017 Accepted August 17, 2017 Revised August 2, 2017 Published August 31,

2 한국산학기술학회논문지제 18 권제 8 호, 2017 능한 2차전지인납축전지, 리튬이온배터리, 연료전지등과같은전기에너지를사용한다. 이들 2차전지중리튬이온배터리는잦은충 방전에도성능저하가적으며, 기존납축전지와비교하여에너지밀도가높아전기자동차및전기자전거등과같은전기구동이동수단에주요에너지공급원으로사용되고있다. 그러나리튬이온배터리의높은에너지밀도와높은충 방전량으로배터리온도가매우높이올라가며, 그로인하여배터리온도에따른성능변화가발생한다. 특히전기자동차및전기자전거에서높은방전량을요구하는가혹조건에서는배터리온도가올라감에따라성능이매우떨어지는것으로연구되었으며, 특히이러한발열로인하여리튬이온배터리는최근이슈가되고있는발화및폭발로이어질수있어사용함에있어서주의가필요하다 [1]. 따라서이러한배터리발열문제를해결하기위하여배터리관리시스템 (Battery management system, BMS) 와더불어배터리열관리시스템 (Battery thermal management system, BTMS) 에대한연구가필요하다. 이러한배터리열관리시스템설계를위하여 Lee et al. 은리튬이온및리튬폴리머배터리의작동원리를연구하고, 재현실험을통하여폭발원리를검증하였으며이를통하여화재감식기법개발과안전대책을수립하기위한연구를하였고 [2], Yoon et al. 은전기-화학-열모델을하나의프로그램으로구성하여모델링하고개발된배터리열적모델을다양한용량의배터리를환경조건들을변경해가면서실험하고비교하여검증하였다 [3-4]. Kim et al. 은 2차원의전산모사를통하여리튬이온전지의동적거동을예측하기위한시뮬레이션프로그램을개발하였다 [5]. Jung et al. 은 xev에사용되는배터리시스템의작동중온도를추정하기위하여열적네트워크방법을이용하여온도추정모델을개발하였고 [6], Gu et al. 은리튬이온배터리의온도에따라달라지는내부저항으로인하여손실되는전력에대해분석하여배터리의온도가증가함에따라내부저항은증가하며, 손실되는전력또한비례하여증가하는것을확인하였다 [7]. 그리고 Eom et al. 은충방전온도와 SOC상태를고려하여내부임피던스에따른정확한수명을예측할수있는연구를하였으며 [8], Kim et al., Jeong et al. 은리튬이온배터리의열유동해석과냉각성능및특성에관한연구를하였으며 [9,10], Park et al. 은리튬이온 Table 1. Simulation condition Specification Li-ion battery BMS Battery cell holder Battery pack case Inside air Outside air Factor Aluminium Aluminium Polypropylene, Aluminium, Magnesium alloy Polypropylene, Aluminium, Magnesium alloy Air ideal gas Air ideal gas 배터리열관리가전기자동차주행거리에미치는영향에관하여연구하였다 [11]. Chen et al. 은배터리열관리시스템설계를위하여공기유로의면적변화를통하여최적화방법을연구하였다 [12,13]. 본연구에서는퍼스널모빌리티에사용되는 360 Wh 급리튬이온배터리의열관리를위하여배터리셀배열및셀홀더와배터리팩케이스재질에따른배터리팩의열전달특성에관하여수치적으로연구하였다. 2. 수치해석방법 본연구는퍼스널모빌리티에사용되는 360 Wh급리튬이온배터리팩을모델링하여크기규격이지름 18 mm, 길이 65 mm인 리튬이온배터리와배터리관리시스템 (Battery Management System, BMS) 등에서발생되는열이배터리배열, 배터리셀홀더재질및배터리팩케이스재질변경에따른방열특성을상용수치해석프로그램인 ANSYS v17.0의 CFX를이용하여수치적으로해석하였다. 수치해석에서이용한조건및변수등은 Table 1에나타내었다 리튬이온배터리및 BMS는 Aluminium 으로가정하고, Inside gas 및 Outside gas 는 Air ideal gas로가정하였다. 배터리셀홀더와배터리팩케이스재질을 Polypropylene, Aluminium 및 Magnesium alloy로변경할때그외배터리셀홀더또는배터리팩케이스재질은 Aluminium으로가정하였다. 배터리와 BMS 발열량은 25,000 W/m 2, 배터리및 BMS 초기온도는 20, 외기온도 20, 압력 1 atm 이다. 배터리팩에대한 3 차원정상상태해석을수행하 2

Battery temperature and case temperature of change cell arrangement (b) Battery (A) (B) ΔT

037 Model 4 61.920 61.876 0.044 였으며, 난류모델은 SST모델을사용하였다.

Element size 를 2mm로설정하였으며, 전체절점의수는약 60만개, 요소의수는약 180만개이다. (c) 3. 수치해석결과및고찰 3.

3 (a) (b) (a) (c) Fig. 1. Battery cell arrangement (a)model 1 (b)model 2 (c)model 3 (d)model 4 (d) Table 2. Battery temperature and case temperature of change cell arrangement (b) Battery (A) (B) ΔT (A-B) Model Model Model Model 였으며, 난류모델은 SST모델을사용하였다. 본연구에서는사면체및육면체의형태를사용하여배터리팩및외부유동장부분의 Mesh를생성하였다. Element size 를 2mm로설정하였으며, 전체절점의수는약 60만개, 요소의수는약 180만개이다. (c) 3. 수치해석결과및고찰 3.1 배터리셀배열에따른방열특성 360Wh급리튬이온배터리팩에사용되는배터리는총 39개이며, 13 series, 3 parallel 로구성된다. 리튬이온배터리팩이적용되는퍼스널모빌리티의크기를고려하여최소한의부피와최대한의방열효과를위하여배터리셀배열 4 case에대한모델을 Fig. 1에나타내었 (d) Fig. 2. Battery temperature of change cell arrangement (a)model 1 (b)model 2 (c)model 3 (d)model 4 3

4 한국산학기술학회논문지제 18 권제 8 호, 2017 으며, 각케이스에대한수치해석결과를 Fig. 2, Fig. 3 및 Table 2에나타내었다. 배터리셀배열과배터리셀홀더형상에따른배터리평균온도및케이스평균온도를비교하면배터리평균온도는 Model 2에서가장낮은 이며, 케이스평균온도도 Model 2에서가장낮은 로나타났다. Model 1과 Model 2에서배터리팩중심과배터리팩케이스와의거리가가장짧고, 특히 Model 2는배터리배열을엇갈리게배치하여배터리에서발생되는열이쉽게빠져나갈수있어배터리평균온도가가장낮게나타났다. (a) 3.2 배터리셀홀더재질에따른방열특성배터리셀홀더재질을 Polypropylene, Aluminium, Magnesium alloy 등총 3 case로변경하여수치해석한결과를 Fig. 4 및 Table 3, Table 4, Table 5에각각나타내었다. 배터리셀홀더재질에따른배터리평균온도및케이스평균온도를비교하면배터리셀홀더재질이 Polypropylene일경우배터리평균온도는 Model 2에서가장낮은 이며, 케이스평균온도도 Model 2 에서가장낮은 로나타났다. 배터리셀홀더재질이 Aluminium일경우배터리평균온도는 Model 2에서가장낮은 이며, 케이스평균온도도 Model 2에서가장낮은 로나타났다. 배터리셀홀더재질이 Magnesium alloy일경우배터리평균온도는 Model 2에서가장낮은 이며, 케이스평균온도도 Model 2에서가장낮은 로나타났다. (b) (c) 3.3 배터리팩케이스재질에따른방열특성배터리팩케이스재질을 Polypropylene, Aluminium, Magnesium alloy 등총 3 case로변경하여수치해석한결과를 Fig. 5 및 Table 6, Table 7, Table 8에각각나타내었다. 배터리팩케이스재질에따른배터리평균온도및케이스평균온도를비교하면배터리팩케이스재질이 Polypropylene일경우배터리평균온도는 Model 2에서가장낮은 이며, 케이스평균온도도 Model 2 에서가장낮은 로나타났다. (d) Fig. 3. temperature of change cell arrangement (a)model 1 (b)model 2 (c)model 3 (d)model 4 4

5 Temperature ( o C) Polypropylene Aluminium Magnesium alloy Material Model 1 Battery Temperature Model 1 Temperature Model 2 Battery Temperature Model 2 Temperature Model 3 Battery Temperature Model 3 Temperature Model 4 Battery Temperature Model 4 Temperature Fig. 4. Battery temperature and case temperature of change cell holder material by polypropylene, aluminium and magnesium alloy Temperature ( o C) Polypropylene Aluminium Magnesium alloy Material Model 1 Battery Temperature Model 1 Temperature Model 2 Battery Temperature Model 2 Temperature Model 3 Battery Temperature Model 3 Temperature Model 4 Battery Temperature Model 4 Temperature Fig. 5. Battery temperature and case temperature of change case material by polypropylene, aluminium and magnesium alloy Table 3. Battery temperature and case temperature of change cell holder material by polypropylene Battery (A) (B) ΔT (A-B) Model Model Model Model Table 6. Battery temperature and case temperature of change case material by polypropylene Battery (A) (B) ΔT (A-B) Model Model Model Model Table 4. Battery temperature and case temperature of change cell holder material by aluminium Battery (A) (B) ΔT (A-B) Model Model Model Model Table 7. Battery temperature and case temperature of change case material by aluminium Battery (A) (B) ΔT (A-B) Model Model Model Model Table 5. Battery temperature and case temperature of change cell holder material by magnesium alloy Battery (A) (B) ΔT (A-B) Model Model Model Model Table 8. Battery temperature and case temperature of change case material by magnesium alloy Battery (A) (B) ΔT (A-B) Model Model Model Model

6 한국산학기술학회논문지제 18 권제 8 호, 2017 배터리팩케이스재질이 Aluminium일경우배터리평균온도는 Model 2에서가장낮은 이며, 케이스평균온도도 Model 2에서가장낮은 로나타났다. 배터리팩케이스재질이 Magnesium alloy일경우배터리평균온도는 Model 2에서가장낮은 이며, 케이스평균온도도 Model 2에서가장낮은 로나타났다. 각재질의열전도도는 Polypropylene이 0.2 W/m K, Aluminium은 205 W/m K, Magnesium alloy는 145 W/m K으로 Polypropylene은다른재질에비하여열전도도가낮아배터리팩케이스재질로사용할경우방열에매우취약하여배터리평균온도가가장높게나타났으며, Aluminium일경우가장낮게나타났다. 나타났다. Aluminium일경우배터리평균온도및배터리케이스평균온도는해석 Model 2에서가장낮게나왔으며, 각각 와 로나타났다. Magnesium alloy일경우배터리평균온도및배터리케이스평균온도는해석 Model 2 에서가장낮게나왔으며, 각각 와 로나타났다. 4. 각재질의열전도도는 Aluminium이가장높고 Polypropylene이가장낮아 Aluminium이방열에가장효과적이며, 배터리평균온도가가장낮게나타나배터리팩케이스로적합하다. 5. 배터리팩케이스재질이 Polypropylene일경우를제외한모든조건에서해석 Model 2가배터리평균온도가가장낮게나타났다. 4. 결론본연구에서는퍼스널모빌리티에사용되는 360 Wh 급리튬이온배터리팩의열전달특성에관하여상용수치해석프로그램인 ANSYS v17.0의 CFX를이용하여수치적으로해석하였고다음과같은결과를도출하였다. 1. 배터리셀배열변경시배터리평균온도및배터리케이스평균온도는해석 Model 2에서가장낮게나왔으며, 각각 와 로나타났다. 2. 배터리셀홀더재질변경시배터리셀홀더재질이 Polypropylene일경우배터리평균온도및배터리케이스평균온도는해석 Model 2에서가장낮게나왔으며, 각각 와 로나타났다. Aluminium일경우배터리평균온도및배터리케이스평균온도는해석 Model 2에서가장낮게나왔으며, 각각 와 로나타났다. Magnesium alloy일경우배터리평균온도및배터리케이스평균온도는해석 Model 2 에서가장낮게나왔으며, 각각 와 로나타났다. 3. 배터리팩케이스재질변경시배터리팩케이스재질이 Polypropylene일경우배터리평균온도및배터리케이스평균온도는해석 Model 2에서가장낮게나왔으며, 각각 와 로 References [1] D. W. Kim, J. H. Seo, H. M. Kim, M. Y. Lee, "Cooling Performance Characteristics on 48V Li-ion Power Supply Device with Cell Arrangement and Cell Holder Material for an Electric Bicycle", Proc. of The Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea 2017 Spring Annual Meeting, pp , April, [2] B. J. Lee, G. J. Choi, S. H. Lee, Y. M. Jeong, Y. Park, D. U. Cho, "A Study on Explosion and Fire Risk of Lithium-Ion and Lithium-Polymer Battery", The Journal of The Korean Institute of Communication Sciences, vol. 42, no. 4, pp , April, DOI: [3] J. H. Yoon, K. S. Lee, "Thermal Modeling for Lithium-Ion Battery Pack System", Proc. of The Korean Society of Mechanical Engineers 2013 Autumn Annual Meeting, pp , Dec [4] Dohee Kim, Hyokyung Bahn, "An Adaptive Location Detection Scheme for Energy-Efficiency of Smartphones", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (IIBC), vol. 15, no. 3, pp , Jun. 30, DOI: [5] U. S. Kim, C. B. Shin, T. Y. Han, S. Y. Park, "Dynamic modeling of lithium-ion battery for automotive applications", Proc. of Korean Society for Energy 2012 Autumn Annual Meeting, pp , October, [6] D. B. Jung, D. K. Sohn, J. Y. Jeon, "Study on the development of temperature estimation model for eev thermal management", Proc. of The Korean Society of Automotive Engineers 2016 Spring Annual Meeting, pp , May, [7] T. H. Eom, M. H. Shin, J. M. Kim, J. Lee, Y. R. Kim, C. Y. Won, "Analysis of internal resistance according to temperature of Li-ion battery", Proc. of KIIEE Annual 6

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<35335FBCDBC7D1C1A42DB8E2B8AEBDBAC5CDC0C720C0FCB1E2C0FB20C6AFBCBA20BAD0BCAE2E687770> Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 2 pp. 1051-1058, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.2.1051 멤리스터의 전기적 특성 분석을 위한 PSPICE 회로 해석 김부강 1, 박호종 2, 박용수 3, 송한정 1*