쿨링최적화 보고서
유속에 대한 기계적 고찰>
<안전한 온도 범위 내에서의 세그먼트 동작을 위한 DC팬 선정>
<세그먼트 발열 측정 실험>
을 진행하였다.
배터리 셀의 방전 특성과 실제 세그먼트 단위의 평균 온도, 최고점과 최저점을 대조해볼 수 있었다. 특히 NCT 6번 위치 'outlet fan' 근방의 온도 상승이 가장 높다는 점을 확인했다. 위 내용과 같이 변인을 제어하며 발열 특성에 대한 충분 데이터를 추출했고, 20V CD팬 PWM 제어로 배터리 박스의 온도 안정화가 가능하다는 사실을 입증했다. 이제 배터리 세그먼트의 패키지를 설계할 단계가 되었다.
위 실험 조건과 같이 배터리 박스에서 기능하는 '20W DC 팬'은 하우징 내부의 뜨거운 공기를 외부로 배출하여 내부 온도를 낮추는 역할을 맡는다. 그렇게 박스 내부의 전체적인 기온을 낮추기 위한 냉각 기능을 '케이스 쿨링'이라 한다. 물론 팬 근방의 셀에는 직접 냉각 효과가 미비하게 있을 수 있다. 하나, 전체 배터리 셀의 평균 온도가 아닌 '최고 온도'를 낮추어야 열폭주 현상을 예방할 수 있다. 공력 설계의 초점이 '케이스 쿨링'에 있어야 전체적인 냉각 시스템에서 소외되는 배터리 셀이 없을 것이다.
배터리 세그먼트 하우징의 역할은 '방수'와 '방진'이다. 실험에 사용된 '스티로폼 박스'와 내부 공간 자체는 큰 차이가 없다. 단지 방진및 방수 성능을 위해 스티로폼 대신 스틸 소재가 사용될 것이다. 또, inlet 대비 outlet의 높이가 높은 DC팬의 위치 선정도 기정된 배치였다. 열역학적 대류 현상에 따르면 뜨거운 공기는 부피가 팽창하며 밀도가 낮아지고, 차가운 공기보다 위로 상승하게 되어있다. 때문에 외부에서 가장 차가운 공기가 유입되도록 하고, 내부에서는 뜨거운 공기를 우선적으로 배출하는 쿨링 팬 위치 선정은 케이스 쿨링의 기본 원리다.
최종적으로 쿨링팬은 20W DC팬을 아웃렛에만 탑재하기로 결정했다. 선택에는 세가지 근거가 있다.
1.Inlet의 공기는 차량의 진행 방향으로 유속이 형성된 상태에서 박스 내부로 진입한다. 즉, 하우징 내부로 유입되는 유체의 양을 면적으로 변화시키는게 아니라면 다른 벡터를 지닌 인위적인 유체 흐름의 충돌은 '에너지 낭비'를 키울 수 있다. 쿨링 팬 자체도 '정면 저항'이 될 수 있다는 점을 인지해야 한다.
2. 후술할 내용은 유체 유입을 개선시키기 위한 '에어덕트' 설계이다. 배터리 박스는 차체의 질량중심 선상에 있어야 하므로, 인위적으로 에어덕트 설계를 위한 공간을 확보할 수 없다. Outlet은 그 위치가 높아 에어덕트 장비의 부피를 보다 쉽게 키울 수 있다. 하지만 정비성과 공간성을 고려하면 INLET의 덕트 부피는 제약이 분명하고, 이 유체 관에 팬의 탑재까지 고려하면 공간적 제약이 너무 심하다. 즉, DC팬이 제외된다는건 에어덕트의 설계 자유도가 높아진다는 점이다.
3. 방수목적도 있다. INLET에 DC팬을 설치한다는건 모든 유체를 흡입하는 성능이 높아진다는 사실이다. 즉, 피해야 하는 물과 같은 액체의 유입 리스크도 같이 상승한다. 반면 OUTLET 팬의 목적은 유체를 배출하는 목적이다. 반대로 말하면 OUTLET의 개구부에 유입될 수 있는 유체를 DC팬의 압력을 통해 밀어낼 수 있다는 장점이 된다.
그리고 위 세그먼트 발열 실험 결과 메인터넌스 플러그와 인접한 OUTLET 부근 배터리 셀의 발열량이 가장 높다고 했다. 때문에 주변 열교환을 가속시켜야할 필요가 있다. OULET에 팬을 설치하면 근방 배터리 셀의 직접 냉각을 통해 '최고온도'를 낮출 수 있다는 가정도 있다. 이런 방향으로 배터리 박스 하우징 설계를 구체화 했고, 실험 데이터를 효과적으로 응용할 수 있었다.
다만 inlet 위치에 쿨링 팬이 없을 경우 우려되는 문제점은 차량 속력에 의존하여 공기를 유입시킬 때 불균형 문제가 생길 수 있다는 점이다. 즉, 격벽으로 분할된 1,2,3,4,5번 세그먼트의 냉각 효율이 전부 달라질 수 있다. 이를 보완하기 위하여 'PWM' 제어 테스트 과정을 거친 것이다. 한정된 LV 용량에서 PWM 제어는 가장 냉각이 불안정한 세그먼트 공간의 RPM을 높인다. 반대로 차량 주행 속력으로 온전한 냉각 성능이 확보된다면 팬을 가동시키지 않아 LV 전력량을 절약할 수 있다.
하지만 실제 배터리 박스의 공기 순환과 스티로폼 박스 실험은 불일치 하는 부분이 있다. 근본적으로 배터리 전압이 인가된다는건 전기자동차가 움직인다는 사실을 방증한다. 즉, 스티로폼 박스는 inlet이 완전 개방된 정적 상태이지만, 실제 배터리 박스는 '방수'처리와 함께 동적인 환경에서 원활한 유체 흐름을 구현할 수 있어야 한다.
문제 인식에 대해서 CFD 프로그램의 도움을 받았다. 해석프로그램은 래티스 볼츠만 격자 생성을 활용하는 altair의 UFX, GPU 장비를 활용하며 전문 엔지니어의 도움을 받아 mesh를 부가했다. 지난 2020 'FULL CAR' 해석의 조건과 결과는 다음과 같다.
위 CFD 데이터와 같이 주행시의 차량 후방부에는 일시적인 물리학적 '진공' 영역이 발생한다. 이를 'wake' 현상이라 표현하는데, 대기압보다 낮은 실험 조건에서 위 '스티로폼 박스' 실험과 같은 공기 순환이 이뤄질 수 없다. 쿨링 팬을 비롯해 인위적인 유동을 형성하는 장비는 유체의 '압력 구배'를 통제하는 원리이고, 부피, 면적, 온도 등의 외부 조건을 변화시킴으로써 냉각 효율을 향상시키기 때문이다. 하지만 wake가 발생하는 실주행 차량은 실효성이 생기는 압력 구배를 형성 시키기 어렵다.
실제 3D 프린팅 에어덕트에 10W DC팬을 결합하고 서플라이를 연결하여 작동시켜보았다. 당연히 쿨링 팬에 전압을 인가하면 차가운 공기와 함께 인위적인 유동이 발생한다. 여기서 유동 흐름의 진행방향과 반대되는 면을 밀폐하면, 쿨링팬이 동작함에도 원래 차가운 바람이 흐르던 OUTLET에 아예 유동이 생기지 않는다는 사실을 실제 실험으로 확인하기도 했다.
지난 배터리 하우징 설계의 치명적인 문제점은 따로 있기도 하다. '진공' 영역이 전혀 고려되지 않았음과 동시에 실질적인 '흡기'가 이뤄지지 않는다. 배터리 박스가 운전석과 배터리를 분리하는 '방화벽'에 가려져 있기 때문이다. 자동차의 주행방향과 공기의 흐름은 반대인데, 배터리 셀 냉각의 흡기를 위한 'inlet'부분이 철제 금속판에 의해 아예 가려져 있다는 뜻이다. 그렇다고 배터리 박스를 차체 전방으로 옮기는건 FULL CAR 상태에서 모든 동역학적 균형을 무너뜨리기 때문에 불가능하다.
이와 같이 공간적인 제약으로 배터리 박스 내부에는 충분한 질량 유량이 확보되지 못한다. 또, 방수 처리를 위해서 배터리 세그먼트와 보호회로를 최대한 밀폐시킨 점도 있긴 하다. 그래서, 이번 쿨링 시스템 최적화의 목표는 방수 성능 확보와 양립하는 쿨링 성능에 있다. 이에 대한 솔루션이 '에어덕트'를 디자인 하는 것이다.
모델링은 솔리드웍스 프로그램을 통해 진행했다. 그리고 에어덕트의 효과와 형상 최적화를 위해 AUTOMESH 기능으로 빠른 해석과 피드백이 가능한 자체 'FLOW SIMULATION' CFD 프로그램을 통해 유동 경향성을 파악하고자 했다. 에어덕트는 OUTLET과 INLET 두 부분으로 나뉜다. 사실 냉각 성능 개선을 위해서 outlet 덕트는 중요하지 않을 수 있지만, 본질적으로 원활한 공기 배출에 앞서 '방수'가 확보되어야 한다는 점을 인지한다. 그 외 포뮬러 차량의 주행성능과 경제성을 위한 부피, 무게, 가격, 정비 시간및 용이성 등을 힘께 고려한다.
Inlet 에어덕트는 앞서 언급한 '방화벽'을 회피하기 위해 배터리 박스 옆으로 유체 '흡입 통로'를 형성했다. 여러번의 CFD 해석과 무게, 디자인 등을 비교하며 모델링 수정을 반복했다. 또, 'wake' 현상을 최소화하기 위해 최대한 개구부의 위치를 뒷바퀴쪽에 배치했다. 이는 부피 간소화와 경량화의 이점도 있겠지만, 지난 fullcar 해석 결과 디퓨져의 벤츄리 관 작용과 앞 위시본에 의한 wake 형성의 영향을 최소화할 수 있기 때문이다. 다음 해석 결과 자료를 참고하면 된다.
또한 에어덕트를 부착한 상태에서는 배터리 박스를 프레임에 설치할 수 없으므로, 배터리 박스를 먼저 마운팅 한 뒤 에어덕트를 부착하는 방식으로 방향성을 정립했다. 때문에 정비 용이성을 따져보며 마운트 위치를 선정했고, 고무 패킹과 방수천 작업, 가니시 형상 등을 통한 방수 처리를 구상했다. 또한 강성 확보를 위해 부분부분 밀도 보강과 서포트 형상을 덧붙였다.
Outlet 에어덕트는 방수 성능을 확보하면서, 최대한 공기 배출를 방해하지 않는 형상으로 컨셉을 지정했다. 그래서 오히려 형상은 간결하다. 상단 면과 측면이 전부 막혀있는 형태이기 때문에 우천시의 방수 성능은 기본적으로 확보되어 있다. 다만 튀긴 물이 유입될 수 있다는 점을 고려하여 유체 배출구에 공기는 흐르되 물은 역류하기 어려운 '단'을 구현했다. 실제 하나의 팬에 결합될 수 있는 outlet 에어덕트 형상을 교내 3d 프린터로 출력해 보고, 배기 및 방수 성능에 대한 실효성을 검증했다.
에어덕트는 단일 생산 제품이므로 생산성이 중요하지 않다. 때문에 3d 프린터를 활용하여 제작하는게 가장 유리한 방법이다. 소재 선정에 있어서는 배터리 셀의 한계 온도인 60도 이상의 내열성을 지닌 소재, 구체적으로 유리 전이 온도가 60도를 상회하는 소재를 확인했다. 외력에 대해서는 유체에 대한 마찰 저항과 압력저항만이 존재하는데, 덕트 자체의 강성도 무리가 없고 디퓨져가 하중을 지지해주기 때문에 안전하다고 판단했다.
에어덕트와 별개로 배터리 쿨링 성능을 최적화 할 수 있는 방안을 구상해보았다. 이는 '스티로폼 박스' 실험에서 또 하나의 변인을 추가하는 내용으로 앞선 실험보다 더 나은 공력 성능 데이터를 추출할 수 있는 부분이다. 구체적으로 배터리 세그먼트 상단에 가이드 역할을 맡는 '커버'를 추가 설계, 가공하는 것이다.
실제 공랭식 배터리 모듈 하우징에서도 무게및 단가 상승을 감안하여 내부 '가이드' 형상을 추가하고 쿨링 성능을 개선하여 에너지 효율을 향상시키는 사례가 있었다.
참고문헌:
https://m.earticle.net/Article/A402235
우선 스티로폼 박스를 비롯해 실제 배터리 하우징에서 쿨링 성능을 저하시키는 원인을 파악해야 한다. 배터리 세그먼트에는 배터리 셀과 홀더 뿐만 아니라 BMS, 퓨즈 PCB, NTC 전선 등 각종 센싱 장비들이 함께 연결되어있다. 때문에 하우징 내부 공간은 세그먼트보다 크기가 커져야 한다. 결과적으로 배터리 셀과 마찰 저항을 받는 INLET 유체들은 OUTLET 방향이 아닌 하우징 상단 방향으로 흐르게 되고, 당연히 뜨거운 공기도 함께 상단부에 밀집되면서 유체 흐름이 원만해지지 않는 현상이 발생한다.
이에 대한 증명은 마찬가지로 SOLIDWORKS FLOW SIMULATION 기능을 활용해서 확인할 수 있었다. 그래서 직관적으로 배터리 세그먼트 상단부에 셀과 셀 사이 빈틈을 막는 가이드 형상의 커버를 설계하면 자연스러운 공기 흐름을 유도할 수 있게 된다. 형상 모델링을 진행한 후 시뮬레이션을 실행한 결과 확실히 전반적인 유속이 상승하고, 불균일한 유동이 감소하는 모습을 확인할 수 있다.
이 가이드 형상의 본질은 배터리 셀 내부의 유동을 개선하는 것이므로 셀과 셀 사이 간격을 완전히 '밀폐' 시기는 것에 있다. 다만 오히려 3D 프린팅 소재 자체가 발열에는 취약할 수 있다는 제약이 있으므로 배터리 셀과 가이드 커버와의 접촉면적은 되도록 최소화하였다. 3D 프린팅은 여타 절삭가공대비 오차율이 굉장히 큰 편이므로, 셀과 셀가이의 형상은 의도하는 수치보다 미세하게 크게 출력하고 그 외의 부분은 크기를 키워 열이 통과될 수 있도록 했다. 상단부를 가로지르는 개방 면적은 배터리 셀 자체의 발열 문제를 해결하기 위한 목적이다.
교내 3D 프린팅에서 PLA소재로 미리 출력해보는 검증과정을 거쳤다. 가공된 홀더에 배터리 셀을 끼우고 DC팬에 전원을 공급한 경우 실제 세그먼트 반대쪽에 형성되는 유속은 매우 약하다. 반면, 가이드 커버를 부착한 뒤 DC팬을 작동시키면 세그먼트를 가로지는 유속이 확실히 강해진다는 걸 확인했다. 실제 얇은 종이를 메달았을 때 가이드 커버가 있는 경우 종이의 들뜨는 각도가 훨씬 높아졌다.
3D프린팅 소재는 '나일론'으로 결정하였고, 가격에 대비한 유리전이 온도가 가장 높은 편이다. 스펙시트 상에는 180도까지 내열성을 지닌다. 실제 출력물을 가지고 열풍기를100도로 설정한뒤 집중시켜 열을 가하는 실험을 거쳤다. 나일론 소재는 열전도성 자체가 낮았기 때문에 큰 형상변화는 발견되지 않았다. 또 연성이 매우 높은 소재이므로 배터리 셀과 셀 사이에 완전밀착이 가능했다.
지금 까지 배터리 하우징과 세그먼트의 쿨링 성능을 최적화할 수 있는 방안과 데이터를 축적했고, 실제 실험을 통해 실효성을 입증할 수 있었다. 이 외에도 (세그먼트 형상)
