1. 서 론
탄소중립 및 지속가능한 환경에 관한 관심이 대두되며 기존의 내연기관 자동차에서 친환경 자동차로의 전환이 가속화되고 있다. 운행 중 탄소 배출이 없고 동력효율이 높은 전기자동차는 미래 핵심 모빌리티로 주목받고 있으며, 2024년 1월부터 10월까지 세계 각국에 등록된 전기자동차 총 대수는 약 1,356만대로 전년 대비 23.7% 상승[1]하는 등 비약적으로 성장하고 있다. 리튬 이온 배터리는 에너지 밀도가 높고, 수명이 길어 전기자동차의 에너지 저장 장치로 가장 많이 사용되고 있으나[2], 항속거리 증대 및 고성능화에 따른 고용량 배터리 대량 탑재는 열적 문제를 야기할 수 있다. 충·방전 과정에서 발생하는 대량의 열을 적절히 배출하지 못할 경우 성능 감소 및 수명 단축의 원인이 될 수 있으며, 극단적일 경우 열폭주로도 이어질 수 있다[3]. 따라서 리튬 이온 배터리는 충·방전 과정에서 발생하는 열이 축적시 강제 배출이 필요하다[4].
일반적으로 배터리의 수명과 안정성을 고려한 적정 온도는 20~40℃로 알려져 있으며[5], 배터리 온도를 적정 수준으로 유지시키기 위하여 공냉 방식, 액침냉각[6] 등 유체를 이용한 다양한 냉각 방식이 연구되고 있으나, 냉각수 등의 냉매 순환을 통한 수냉 방식이 상용 전기자동차에서 보편적으로 채택되고 있다[7]. 수냉 방식은 배터리 팩의 최대 온도와 최소 온도 간의 차이를 제어하고, 배터리 온도를 균일하게 유지하고 과열을 방지하는데 효과적인 것으로 알려져 있다[8].
배터리 냉각 시스템은 전기자동차 성능 및 안전과 직결되므로, 성능 향상을 위하여 수냉 방식의 유로 설계를 위한 연구가 활발히 수행되고 있다. Jarrett 등[9]은 유로의 형상 변화를 통하여 압력 강하를 최소화하고, 평균 온도를 가장 낮게 유지하며, 온도 분포의 표준 편차를 줄이는 최적화 된 유로 형상을 찾기 위한 연구를 수행하였다. Park 등[10]은 배터리 모듈 냉각 플레이트 내부 유로에 원기둥 형태의 장애물을 설치하여 내부 표면적을 증가시키고 열전달이 증진되도록 함으로써 냉각 성능을 향상할 수 있음을 보고하였다. 하지만 상기 연구들에서 제안된 형상은 실제 시스템에 적용하기에 비교적 높은 제조 난이도 및 비용 등의 한계가 예상된다. 유로 형상 뿐 아니라 소재 변화에 따른 연구 등도 수행되고 있으나[11], 고성능 소재 사용은 비용 증가를 야기할 수 있어 본 연구에서는 고려하지 않는다.
본 논문에서는 비교적 저비용이면서도 산업현장에서 신속하게 적용이 가능한 배터리 냉각 시스템 설계를 목표로, 기존의 수냉 시스템의 형상 변화를 최소화하면서도 냉각 효율을 높이기 위한 개선 방안을 제시하고자 한다. 수냉 시스템의 냉매 유입류 및 내부 유동 구조를 분석하고, 열전달 성능 개선을 위하여 입구 및 유로 형상 변화가 배터리 내 온도 분포와 최고 온도에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 통해 향후 비용 효율적인 냉각 시스템 개선 방안 도출을 위한 체계적 연구 수행의 기틀을 마련하고자 한다.
2. 전산해석 조건
본 연구에서는 냉각 시스템 형상 변화에 따른 영향 분석을 위하여 21개의 배터리 모듈(Module)로 구성된 수냉식 리튬 이온 배터리 팩(Pack)을 고려하였으며, 관련 선행 연구[12]를 참고하여 Fig. 1과 같은 배터리 팩 기준 모델(Baseline model)을 수립하였다. 배터리 팩 기준 모델을 구성하는 각 모듈은 파우치 타입의 배터리 셀(Cell) 8개, 셀 사이 완충을 위한 Compression pad 5개 및 외벽에 해당하는 End plate 2개 등으로 모델링하였으며, Fig. 1(b)와 같이 각 모듈에 번호를 부여하였다.
배터리 모듈 하부에는 내부에 냉매(Coolant) 순환 유로를 포함하는 Cooling plate로 이루어진 수냉식 냉각 시스템이 연결되며, 모듈과 냉각 시스템 사이에는 열 계면 소재(Thermal Interface Material, TIM)가 위치한다. 냉매는 내경 19 mm, 두께 2 mm 파이프 형태의 Inlet 및 Outlet을 통해 Cooling plate 내부로 출입하며, 냉매가 순환하는 유로의 두께는 3.5 mm이다. 구성된 기준 모델을 기반으로 입구(Inlet) 및 유로 형상 일부를 변경한 개선 모델 3종을 수립하였으며, 이와 관련된 구체적인 형상은 3장에서 소개한다.
배터리 팩 냉각 시스템 분석을 위하여 상용 해석 소프트웨어인 ANSYS Fluent 2023 R2를 이용한 RANS(Reynolds- Averaged Navier-Stokes) 기반 열유동 해석을 수행하였다. 기준 모델 및 모든 개선안에서 Poly-hexcore 격자를 사용하였고, 격자계의 요소(element) 수는 약 2,700만 개로 구성되었다. 배터리 팩 모델의 물리적 크기 및 전산해석을 위한 주요 물성치는 관련 선행연구[12]를 참고하여 Table 1에 정리하였으며, 모든 해석 케이스에 대하여 5 LPM의 Inlet 유량 경계조건 및 Pressure outlet 경계조건을 부여하였다. 또한 냉각 시스템 내부 벽면 근처에서 발생하는 복잡한 경계층 유동 및 열전달 현상의 정확한 예측을 위하여 SST(Shear Stress Transport) k-ω 난류 모델을 적용하였다.
Table 1.
Material properties
구성된 해석 모델의 유효성 검증을 위하여 유사 모델에 대한 선행연구[12]와 비교하였으며, 시뮬레이션 결과는 Fig. 2에 나타내었다. 기준 모델에 대한 유동해석 결과, Fig. 2(a)로부터 21번 모듈의 온도가 가장 높게 나타났으며 이는 Fig. 2(b)의 냉매 온도 분포에서 보이는 바와 같이 Outlet 부근에서의 부족한 냉각 성능 때문으로 생각된다. 이러한 현상은 Fig. 2(c)에서 보여지는 것처럼, 낮은 유속으로 인한 열전달 성능 저하에서 기인하는 것으로 판단된다. 선행연구에서도 이러한 배터리 셀 및 냉매 온도 분포, 냉매 유속의 전반적인 경향이 잘 관찰되었다. Fig. 3은 Baseline 조건에서 각 모듈의 최고 온도를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 확인할 수 있듯이, 냉각유로 후방에 위치한 18번부터 21번 모듈에서 상대적으로 높은 온도가 관측되었으며, 특히 21번 모듈의 온도가 약 46°C로 가장 높았다. Table 2는 선행연구와 본 연구 결과의 정량적인 비교를 제시하고 있으며, 특히 냉각 관련 주요 지표인 배터리 셀 온도가 5% 이내로 일치함을 보여주고 있다.
Table 2.
Comparison of the baseline model with the reference[12]
| Max. cell temperature | Min. cell temperature | Average cell temperature | |
| Baseline | 45.82°C | 30.61°C | 39.559°C |
| Reference | 47.28°C | 32.19°C | 41.53°C |
| Difference | 3.09% | 4.91% | 4.75% |
3. 전산해석 결과
3.1 입구 형상 변경에 따른 영향
본 연구에서는 수냉식 배터리 팩의 전체적인 형상 및 재질 변화를 최소화하면서 냉각 성능을 향상시키기 위한 방안을 모색하고자 하며, 우선 냉매가 Cooling plate로 유입되는 부분인 Inlet 형상의 영향성을 분석하였다. 냉매 유입 시 난류를 유발하여 열전달 효율을 높이고자 Inlet 외곽에 단순한 형태의 난류 유발 장치를 추가하는 형태를 고려하였으며, 이를 위하여 다양한 산업 분야에 응용되는 대표적인 장치들인 와류 발생기(Vortex Generator, VG) 및 그리드 난류 발생기(Grid Turbulence Generator, GTG)를 부착한 개선안을 적용하고, 유동 형태 및 열전달 효과를 기준 모델과 비교하였다.
Fig. 4(b)는 직경 4 mm, 높이 5 mm의 원뿔 형태를 60도 간격으로 배열한 VG를 적용한 것으로, VG는 소용돌이 와류를 생성하여 경계층의 두께를 감소시키고 열전달 효율을 향상할 수 있는 것으로 알려져 있다[13]. GTG는 두께 0.5 mm, 간격 3.25 mm의 정사각형 Grid 형태로 Fig. 4(c)와 같이 적용하였으며, Grid 형태의 막은 난류 강도를 향상하여 Nusselt 수를 증가시키는 효과가 있다[14]. 모든 개선안에서 추가 부착 장치를 제외한 형상은 기준 모델과 동일하다.
Fig. 5는 입구부의 난류 운동에너지(Turbulence Kinetic Energy, TKE)를 보여준다. 기준 모델의 결과인 Fig. 5(a)와 비교했을 때, Fig. 5(b)와 (c)에서는 냉매 입구 영역에 각각 부착된 VG 및 GTG 형상으로 인해 발생한 후류 및 변화된 TKE 분포를 확인할 수 있다. 즉, 이러한 VG와 GTG의 배치를 통해 입구 영역에서의 난류 유동을 강화할 수 있고, 이는 냉매의 혼합 및 열전달 효율을 개선하여 궁극적으로 냉각 효과를 향상시킬 수 있다[15,16].
VG의 경우 GTG에 비하여 상대적으로 초기 TKE는 낮지만, 하류 영역에 강한 난류가 지속되는 경향을 보인다. 이는 VG에 의해 형성되는 와류 유동에서 비등방성 난류의 특성이 유지되며 흐름에 지속적으로 영향을 미치기 때문으로 보이며, 이에 따라 VG에서는 일관적인 유동 구조가 더 오래 지속되고, 비교적 높은 TKE가 장시간 유지되는 경향을 보인다[17]. 이에 반해 Grid 형상 뒤에서 생성되는 난류는 보통 등방성 난류의 특성을 보이며, 경계층과의 상호작용이 이루어지기 전까지 이러한 특성은 지속된다. Grid로 인해 생성된 난류의 세기는 초반에 강하지만, 입구에서 멀어질수록 이러한 난류 에너지는 빠르게 소산된다[18]. 이로 인해 GTG에서 생성되는 난류는 VG에 비하여 초기에 높은 TKE를 갖는 영역이 나타나지만, 이후 급격히 감소하는 경향을 보인다.
각 개선안의 해석 결과로부터, 기준 모델과 비교한 배터리 모듈 별 최고 온도 편차를 Fig. 6에 도시하였다. GTG의 경우 초기의 TKE 증가가 유지되지 못함에 따라 기준 모델 대비 뚜렷한 개선 효과를 보이지 못하였으나, VG의 경우 모듈 전반에 대해 최고 온도가 감소하였으며 평균적으로 약 0.2℃ 개선 효과를 보였다. 기준 모델에서 상대적으로 높은 온도가 형성되었던 18번부터 21번 모듈에서 최대 약 0.6℃의 온도 감소가 확인되었으며, 특히 최고 온도를 기록한 21번 모듈에서는 약 0.35℃의 개선이 이루어졌다. 이처럼, 온도가 높은 Outlet 영역에 위치한 모듈들에서 더 큰 냉각 정도를 보임에 따라, 배터리 팩 형상 변경 없이 입구에 VG 추가하는 것만으로도 배터리 모듈 최고 온도 감소 및 모듈 간 열적 균일성 향상에 유의미한 효과를 가짐을 확인하였다.
형상별 압력 강하를 비교한 결과, Baseline, VG, GTG의 경우 각각 3957.66 Pa, 4076.07 Pa, 4511.65 Pa로 나타났다. GTG 형상에서는 다소 무시할 수 없는 수준의 압력 강하가 발생한 반면, 냉각 성능과 열적 균일성 향상 측면에서 큰 효과를 보였던 VG 형상에서는 오히려 압력 강하가 미미하였다. 이러한 결과들을 바탕으로, 향후 VG의 세부 형상 및 배열에 따른 파라미터 연구를 수행하여 냉각 성능을 더욱 향상시킬 계획이다.
3.2 유로 형상 변경에 따른 영향
Fig. 2에서 보이는 바와 같이 입구에서 멀어질수록 냉매 온도가 높아짐에 따라, 냉각 유로 후방에 위치할수록 배터리 모듈 온도가 증가하는 경향을 보인다. 기준 모델에서 가장 높은 온도를 보였던 21번 모듈의 온도는 전체 모듈의 평균 대비 3.45℃ 높았다. 최고 온도를 갖는 모듈로 인하여 배터리 팩 전체 성능에 병목 현상이 야기될 수 있으므로, 국소 과열 문제 해결을 위한 유로 형상 변경을 제안하였다.
기준 모델의 경우를 보면, 유로 형상이 급격히 변하는 부근에서 유동 박리 현상이 나타나 유속이 급격히 줄어들었고(Fig. 2(c)), 이로 인해 냉각 효과가 감소되어 온도가 증가하는 현상이 관측되었다(Fig. 2(b)). 이러한 경향은 Outlet 부근의 영역에서 두드러졌고, 이로 인해 21번 배터리 모듈의 온도가 가장 높아진 것으로 판단된다. 해당 영역의 열전달 성능 개선을 위하여, 21번 모듈 근처 영역의 유선 곡률을 계산하여 이를 유로 형상에 반영하였다. 즉, 21번 모듈이 위치한 유로 중앙부의 형상을 Fig. 7(b)와 같이 곡률이 있는 형태(Curved Channel, CC)로 변경하여 냉각 개선을 유도하였다. 이처럼 유선 방향을 고려한 곡률이 적용된 유로 벽면에서는 난류 혼합이 증가하여 열전달 성능이 향상될 수 있다. 또한, 유로 형상에 곡면 형태가 적용된 경우, 병목지점에서 냉각수의 평균 체류 시간이 감소하고, 공급 유량 대비 냉각 효율이 향상될 수 있다[19,20]. 이러한 유로 형상 변경으로 인한 효과의 직접적인 비교를 위하여, 곡률이 적용된 21번 모듈 하부 유로를 제외한 형상은 기준 모델과 동일하게 설정하였다.
Fig. 8 및 Fig. 9는 각각 21번 모듈 근처에서의 냉매 유속과 온도 분포 해석 결과를 비교한 그림이다. Fig. 8에서 CC의 경우 기준 모델에 비하여 유동 박리 및 저속 영역이 확연히 감소한 것을 볼 수 있으며, 이로부터 해당 영역에서의 열전달 성능이 향상되어 국소적인 고온 영역이 감소하였음을 Fig. 9에서 확인할 수 있다. 이는 유로 상부에 위치한 배터리 모듈의 발열을 더욱 효과적으로 개선하였음을 의미한다.
해석 결과로부터 기준 모델과 CC 개선안의 배터리 모듈 별 최고 온도 편차를 비교하여 Fig. 10에 제시하였다. 다른 모듈에서는 유의미한 차이를 보이지 않았으나, 유로 형상 변경이 이루어진 21번 모듈에서는 최고 온도가 약 0.33℃ 감소하였다. 이러한 점은 유로 형상 변경을 통한 국부적인 냉각 개선 효과를 입증하며, 향후 냉각 성능 향상을 위한 유로 형상 최적화 연구의 필요성을 시사한다.
4. 결 론
본 연구에서는 전기자동차 배터리의 열관리 성능 향상을 목적으로, 수냉식 리튬 이온 배터리 팩의 전체적인 형상 변화를 최소화하면서 냉각 성능 증대를 위한 방안을 탐색하였다. 이를 위하여, 입구 및 유로 형상을 변형한 다양한 개선안을 제시하고 전산해석을 수행하였으며, 기준 모델과의 비교를 통해 그 영향을 분석하였다.
우선, 냉매 유입류에 난류를 유발하여 열전달 효율을 높이고자 입구에 난류 유발 장치를 추가하였다. VG의 경우 소용돌이 형태의 비등방성 난류 유동 구조가 오래 지속됨에 따라 배터리 모듈 평균 온도를 낮추는 결과를 보였다. 또한 모듈 간 온도 편차가 감소하여 시스템의 열적 균일성이 개선되었다. 반면, GTG의 경우 등방성 난류의 특성상 일관된 유동 구조가 오랫동안 지속되지 않고, 이로 인해 난류 에너지가 급격히 감소하여 개선 효과가 미비하였다.
또한, 본 연구에서는 유로 후방에 위치한 배터리 모듈들의 국소 과열 문제 개선을 위해, 유로 형상 변경에 따른 영향도 조사하였다. 유로 형상의 급격한 변화로 인한 유동 박리 영역에서의 낮은 유속을 개선하고자 최고 온도를 갖는 모듈 하부 유로의 일부를 곡률을 가진 형상으로 변경하였다. 유선의 곡률이 반영된 유로 형상에서 냉매는 변경된 유로를 따라 흐르며 기준 형상 대비 감소된 유동 박리 영역을 보였고, 이로부터 열전달 성능 향상 및 국부적인 냉각 개선 효과를 보였다.
이러한 본 연구의 결과는 유입구 형상 및 유로 구조의 전략적 개선만으로도 배터리 팩 전체 형상을 크게 변경하지 않고 배터리 모듈의 열관리 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 보여준다. 특히, 유입구 형상 변경을 통해 모듈 전체의 평균 온도 감소가 감소하였으며, 유로 형상 변경은 국부적인 냉각 성능 향상에 기여한 것으로 확인되었다. 이는 향후 와류 발생기 구조의 최적화와 유로 형상의 곡률 조절을 병행함으로써, 배터리 팩 내 최고 온도 저감과 모듈 간 온도 균일성 향상이라는 두 가지 과제를 동시에 달성할 수 있는 상호보완적 전략이 될 수 있음을 시사한다.
또한 본 연구는 열적 성능 개선뿐만 아니라, 배터리 시스템의 설계 단순화와 제조 현실성 측면에서도 충분한 실용 가능성을 갖는다. 이에 따라 후속 연구에서는 유입구 형상, 와류 발생기의 크기·배열·위치, 유로 곡률 등 주요 설계 인자를 대상으로 한 정량적 매개변수 연구를 단계적으로 수행할 계획이다. 구체적으로는 설계 인자의 민감도 분석, 다변량 실험계획법 및 최적화 기법 등을 적용하여 각 변수의 열전달 기여도와 상호작용 효과를 체계적으로 분석하고자 한다. 이를 통해 단일 요소의 효과뿐만 아니라, 복합 설계 변수 조합에 따른 냉각 성능 및 유동 특성 변화를 정량적으로 비교·분석하고, 나아가 실제 배터리 팩 제작 및 운용 조건을 반영한 현실적인 설계 제약 조건 하에서의 최적 대안을 도출할 계획이다.
