100V 전기 포뮬러 배터리 팩 최적 설계 및 SST K-Epsilon 난류 모델에 기반한 공냉 성능 수치해석

국문 초록 (Abstract)

최근 내연 기관 차량의 탄소 배출에 따른 환경 문제가 대두되어, 모빌리티 동력원으로써 전동화 파워트레인의 채택이 증가하고 있다. 이러한 시대적 흐름에 발맞추어 한국자동차공학회 (이하 KSAE) 주관 Formula Student Korea (이하 FSK) 대회 또한 전동화 파워트레인을 채택하는 팀의 빈도가 증가하고 있다. 이를 안정적으로 운용하기 위해서는, 전기 시스템 전반의 안전성 확보 및 성능적인 부분에 대한 기술력이 담보되어야 한다. 본 연구에서는, 2024 FSK 대회 출전용 차량을 제작함에 있어서 사용하는 100V 배터리팩의 최적 설계를 수행하였다. 또한, Hausen-Grimison 실험식을 이용하여 열적 안전성 측면에서의 이론적 타당성을 검증한 결과, 기준 방열량 대비 약 2배의 냉각 성능을 보임을 확인하였다. 그러나 COMSOL Multiphysics를 활용한 모듈 및 배터리팩 단계에서의 다중물리해석을 통해 수치해석적 타당성을 검증한 결과 모듈 후면의 발열 관리에 애로사항이 있을 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로, 실차 검증 이후 수정 사항 식별 및 향후 고출력 파워트레인 채용에 대응하기 위한 배터리 팩 설계 시 원활한 발열 관리를 위해 셀 간 간격 확보, 엇갈림 배열 등 배터리 팩 모듈 형상 설계 측면에서의 방향성을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract
• 1. 서론
• 2. 18650 배터리팩 다중스케일 최적설계
• 3. Hausen-Grimison 실험을 이용한 외부 유동 방열량 이론적 계산
• 4. SST K-Epsilon 해석 모델을 이용한 수치해석적 검증
• 5. 전계-열-유동 다물리해석 결과 및 차세대 고출력 배터리팩 시 반영 사항
• 6. 결론
• References