Design and Analysis of Phase Change Material-based Battery Thermal Management System With Various Cell Configurations

기술 요약: 다양한 셀 구성을 이용한 상변화 물질 기반 배터리 열 관리 시스템의 설계 및 분석

문제 정의
전기 자동차 및 그리드 저장 장치에서 리튬 이온 배터리의 채택이 증가함에 따라 견고한 열 관리 시스템(BTMS)이 필수적으로 요구되고 있다. 리튬 인산철(LiFePO₄) 셀은 우수한 안정성을 제공하지만, 높은 방전율(≥2C)은 표면 온도를 안전 작동 임계값인 333 K(60°C) 이상으로 높이는 체적 열을 발생시킨다. 이는 급격한 용량 감소, 전해질 분해, 그리고 다중 셀 모듈 간의 열적 불균일성($\Delta T_{max}$)을 초래하여 차별적인 노화를 유발한다. 기존의 능동 냉각 방식은 기계적 복잡성과 부가적인 에너지 소비를 유발한다. 패러핀 왁스를 사용하는 수동형 상변화 물질(PCM) 시스템은 높은 잠열 덕분에 해결책을 제시하지만, 낮은 열전도율로 인해 국부적인 용융 및 PCM 부피의 미활용 문제를 겪을 수 있다. 본 연구는 외부 치수나 총 PCM 부피를 변경하지 않고도 열 분산과 열 완충 능력을 향상시키기 위해 PCM 인클로저 내의 셀 기하학적 배치를 최적화하는 과제를 다룬다.

연구 방법론
본 연구는 종합적인 수치 해석 및 실험적 접근 방식을 채택하였다:

• 수치 시뮬레이션: ANSYS Fluent 2021 R2를 사용하여 과도 상태의 전산유체역학(CFD) 모델을 개발하였다. 연구에서는 파라핀 왁스에 둘러싸인 16개의 원통형 18650 LiFePO₄/Graphite 셀(직경 18 mm, 높이 65 mm)의 4×4 배열을 시뮬레이션하였다.
• 상변화 모델링: 엔탈피-다공성법(enthalpy-porosity method)을 사용하여 고체-액체 상전이를 모델링하였으며, 반용융 구역(mushy zone)을 다공성 매질로 취급하였다. 고체 영역에서의 투과율은 Carman-Kozeny 관계식에 의해 제어되었다.
• 기하학적 변형: CREO Parametric 12를 사용하여 7가지의 뚜렷한 PCM 인클로저 기하 구조를 설계하였다. 모델 1은 일반 참조 인클로저 역할을 하며, 모델 2~7은 셀 사이의 간격, 오프셋, 채널 여유 공간 등을 변화시켜 셀과 PCM 사이의 유효 열 전달 면적을 극대화하도록 설계되었다.
• 검증 및 수렴: 엄격한 격자 독립성(196,380개 요소에서 수렴) 및 시간 단계 독립성(1.0 s) 연구를 수행하였다. 시뮬레이션 프레임워크는 발표된 벤치마크 데이터와 비교 검증되었으며, 피크 온도에서 최대 0.056%의 편차를 보였다.
• 실험적 검증: 참조 모델(모델 1)과 최적 성능 모델(모델 6)에 대해 K-타입 열전대, 배터리 사이클러, 적외선 열화상 카메라를 사용하여 물리적 실험실 테스트를 수행하였다. 테스트에는 3C 방전/1C 충전 사이클, 반복 사이클링(5 사이클), 구조적 무결성/누출 테스트가 포함되었다.

주요 기여

1. 체계적인 기하학적 최적화: 본 연구는 7가지 인클로저 구성을 체계적으로 평가하여, 외부 치수와 PCM 부피가 동일할 때도 내부 셀 배치가 열 성능에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인하였다.
2. 최적 구성 식별: 최대 유효 PCM 접촉 면적을 갖는 최적화된 배치인 모델 6을 우수한 기하 구조로 식별하였다.
3. 포괄적인 성능 지표: 분석은 피크 온도뿐만 아니라 온도 불균일성($\Delta T_{max}$), 유효 완충 지속 시간, 방전 종료 시의 고체 PCM 잔류량($\phi_{avg}$)을 평가하는 단계로 확장되었다.
4. 강건성 검증: 모델 6의 기하학적 이점이 넓은 작동 범위(1C ~ 4C 방전율)와 반복적인 충방전 사이클 전반에 걸쳐 유지됨을 확인하였다.

결과

• 열 성능: 3C 방전율에서 모델 6은 피크 셀 온도($T_{max}$)를 358.14 K로 낮추었으며, 이는 참조 모델 1(364.22 K) 대비 6.1 K(1.68%) 감소한 수치이다.
• 균일성 및 완충: 모델 6은 온도 불균일성을 11.7% 개선하였고($\Delta T_{max}$가 4.88 K에서 4.31 K로 감소), 유효 PCM 완충 지속 시간을 70초 연장하였다(240 s에서 310 s로).
• PCM 활용도: 방전 종료 시, 모델 6은 16.9%의 고체 PCM 분율($\phi_{avg} = 0.831$)을 유지하여 열적 예비량을 보유한 반면, 참조 모델은 거의 완전히 용융되었다($\phi_{avg} = 0.980$).
• 민감도 분석: 모델 6의 성능 이점은 방전율이 높아질수록 증가하였으며, 1C에서 3.0 K의 온도 감소를, 4C에서 8.9 K의 온도 감소를 달고 달성하였다.
• 실험적 검증: 모델 6에 대한 실험실 결과는 피크 온도, 불균일성 및 재응고 시간에 대한 시뮬레이션 예측값과 2.63% 미만의 편차를 보였다. 3C에서의 열 관리 효율은 베어 셀(bare cells) 대비 80.2%에 달했다.
• 내구성: 반복 사이클링(5 사이클) 결과 모델 6의 온도 상승은 1.02 K로 미미하였으며, 구조적 무결성 테스트 결과 누출이나 0.12 g을 초과하는 질량 손실이 없음을 확인하였다.

의의
본 논문은 내부 PCM 인클로저의 기하학적 구조를 최적화하는 것이 고율 리튬 이온 배터리 적용을 위한 실행 가능하고 효과적인 수동형 열 관리 전략임을 입증한다. 셀 표면으로부터 벌크 PCM으로의 열 분산을 개선함으로써, 최적의 구성(모델 6)은 피크 온도를 낮추는 동시에 열적 균일성을 높이고 열 보호 지속 시간을 연장한다. 본 연구는 이러한 기하학적 수정이 시스템 부피나 복잡성을 증가시키지 않고도 구현될 수 있음을 확인하며, 이는 다양한 방전율과 반복적인 운전 사이클 전반에 걸쳐 열적 안정성을 유지하는 저비용, 유지보수 불필요 솔루션을 제공한다. 본 연구의 결과는 재료의 수정 대신 기하학적 최적화를 통해 패러핀 왁스의 고유한 한계인 낮은 열전도율 문제를 해결하는 검증된 수동형 BTMS 설계 프레임워크를 제공한다.