WO2015174766A1 - 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치 및 방법 Download PDF

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battery
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battery cell
cooling system
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최용석
강달모
정승훈
남진무
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for simulating a battery cooling system, and more particularly, a battery cooling system that predicts a thermal response of a battery cell through simulation, or calculates a design variable that satisfies a target thermal response of the battery cell through simulation.
  • a simulation apparatus and method are provided.
  • the secondary battery having high applicationability and high electrical density, etc. according to the product range is not only a portable device but also an electric vehicle (EV) or a hybrid electric vehicle (HEV) driven by an electric driving source. It is applied universally.
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid electric vehicle
  • the secondary battery is attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency in that not only the primary advantage of significantly reducing the use of fossil fuels is generated, but also no by-products of energy use are generated.
  • a battery pack applied to the electric vehicle or the like typically includes a battery unit including a plurality of unit cells and a plurality of battery units, and the cell includes a positive electrode current collector, a separator, an active material, an electrolyte, and an aluminum. Including a thin film layer or the like, the structure is capable of charging and discharging by an electrochemical reaction between components.
  • the battery pack further includes a physical protection device, various sensing means, firmware to which a precise algorithm for estimating SOC (state of charge), and the like are additionally included.
  • a battery pack composed of such a collection of various chemical and electrophysical elements is inherently affected by the external environment used. Accordingly, the battery pack may suddenly change its electrochemical characteristics according to the exposed external environment, thereby greatly affecting the lifespan, stability, and driving performance of the battery pack.
  • the battery cell since the process of charging or discharging the battery cell is performed by an electrochemical reaction, the battery cell is affected by the ambient temperature condition environment, for example, a state exposed to a bad temperature condition such as a high temperature at which the optimum temperature is not maintained.
  • a bad temperature condition such as a high temperature at which the optimum temperature is not maintained.
  • the performance of the entire battery pack may be limited by the performance of some degraded battery cells.
  • the temperature of the cell increases further, which may accelerate the deterioration of the battery cell.
  • an appropriate temperature for the battery cell may vary depending on detailed conditions such as an object and environment to which the battery cell is applied. Therefore, it is necessary to cool the battery cells appropriately according to the detailed conditions such as the object, environment, etc. to which the battery cells are applied.
  • Conventional cooling methods can be largely divided into water cooling and air cooling.
  • both the water cooling method and the air cooling method may be applied to the method of cooling the battery cell.
  • the air cooling method is used as a cooling method of the battery cell.
  • a method of cooling a battery cell provided in a battery pack by using a cooling gas through a flow channel formed in the battery pack is mainly used.
  • the temperature of the battery cell is mainly determined by the flow rate of the cooling gas flowing through the flow path and the size of the flow path, it is very important to determine the flow rate of the cooling gas and the size of the flow path.
  • the temperature of the battery cell can be predicted. Through this, the thermal state of the battery cell can be identified, and the deterioration degree of the battery cell can be predicted using the thermal state.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and a battery cooling system simulation apparatus and method for predicting the thermal reaction of the battery cell in a simple manner, or to design a battery cooling system that satisfies the target thermal reaction
  • the purpose is to provide.
  • the cooling gas introduced through the inlet is passed through the flow path formed in the side wall of the at least one battery unit provided with at least one battery cell through the outlet
  • a battery cooling system simulation apparatus for estimating a thermal reaction of a battery cooling system flowing out to cool the battery unit by using a simulation comprising: a first input unit configured to receive temperature information of the inlet and temperature information of the outlet; A second input unit configured to receive calorie information generated from the battery cell; A design variable input unit configured to receive standard information of the flow path and flow rate information of the cooling gas; And a temperature estimating unit estimating a temperature of the battery cell using information received from the first input unit, the second input unit, and the design variable input unit.
  • the standard information of the flow path includes a length, a thickness, and a depth of the flow path, and the temperature estimating unit may estimate the temperature of the battery cell through the following equation.
  • mcell is the mass of the battery cell
  • Cp, a is the specific heat capacity of the cooling gas
  • Cp, c is the specific heat capacity of the battery cell
  • Tcell is the temperature of the battery cell
  • Qgen is the amount of heat generated from the battery cell
  • Tmi is the temperature of the inlet
  • Tmo is the temperature of the outlet
  • P is the rotation of the flow path
  • a is the thickness of the flow path
  • b is the length of the flow path
  • L is the depth of the flow path
  • ka is the thermal conductivity of the cooling gas
  • L * is the dimensionless length of the flow path
  • Pr is the Frantelle number
  • Dh is the repair diameter
  • Re is the Reynolds number
  • ⁇ is the kinematic viscosity of the cooling gas.
  • the temperature estimator may estimate the temperature of the battery cell through an approximation equation as follows.
  • the temperature estimator may estimate the temperature of the battery cell through an approximation equation as follows.
  • the temperature estimator may estimate the temperature of the battery cell through an approximation equation as follows.
  • the battery cooling system simulation apparatus may further include an information storage unit which stores one or more constant or coefficient information.
  • a battery cooling system simulation apparatus for calculating a design variable of a battery cooling system flowing out to cool the battery unit by using a simulation, comprising: a first input unit configured to receive temperature information of the inlet and temperature information of the outlet; A second input unit configured to receive calorie information generated from the battery cell; A temperature input unit configured to receive target temperature information; And a design variable calculator configured to calculate a design variable such that the temperature of the battery cell satisfies the target temperature using information received from the first input unit, the second input unit, and the temperature input unit. do.
  • the design variable may be a standard of the flow path and a flow rate of the cooling gas.
  • the specification of the flow path may include a thickness, a length, and a depth of the flow path.
  • the design variable calculator may calculate the design variable through the following equation.
  • mcell is the mass of the battery cell
  • Cp, a is the specific heat capacity of the cooling gas
  • Cp, c is the specific heat capacity of the battery cell
  • Tcell is the temperature of the battery cell
  • Qgen is the amount of heat generated from the battery cell
  • Tmi is the temperature of the inlet
  • Tmo is the temperature of the outlet
  • P is the rotation of the flow path
  • a is the thickness of the flow path
  • b is the length of the flow path
  • L is the depth of the flow path
  • ka is the thermal conductivity of the cooling gas
  • L * is the dimensionless length of the flow path
  • Pr is the Frantelle number
  • Dh is the repair diameter
  • Re is the Reynolds number
  • ⁇ is the kinematic viscosity of the cooling gas.
  • the design variable calculator may calculate the design variable through an approximated equation as follows.
  • the design variable calculator may calculate the design variable through an approximated equation as follows.
  • the design variable calculator may calculate the design variable through an approximated equation as follows.
  • the battery cooling system simulation apparatus may further include an information storage unit which stores one or more constant or coefficient information.
  • Battery cooling system simulation method for achieving the above object, the cooling gas introduced through the inlet through the outlet through the passage formed in the side wall of the at least one battery unit provided with at least one battery cell
  • a battery cooling system simulation method for predicting a thermal reaction of a battery cooling system that flows out and cools the battery unit using a simulation comprising: a first input step of receiving temperature information of the inlet and temperature information of the outlet; A second input step of receiving calorie information generated from the battery cell; A design variable input step of receiving specification information of the flow path and flow rate information of the cooling gas; And a temperature estimating step of estimating the temperature of the battery cell by using the information received in the first input step, the second input step and the design variable input step.
  • the standard information of the flow path includes the length, thickness, and depth of the flow path, and the temperature estimating step may estimate the temperature of the battery cell through the following equation.
  • mcell is the mass of the battery cell
  • Cp, a is the specific heat capacity of the cooling gas
  • Cp, c is the specific heat capacity of the battery cell
  • Tcell is the temperature of the battery cell
  • Qgen is the amount of heat generated from the battery cell
  • Tmi is the temperature of the inlet
  • Tmo is the temperature of the outlet
  • P is the rotation of the flow path
  • a is the thickness of the flow path
  • b is the length of the flow path
  • L is the depth of the flow path
  • ka is the thermal conductivity of the cooling gas
  • L * is the dimensionless length of the flow path
  • Pr is the Frantelle number
  • Dh is the repair diameter
  • Re is the Reynolds number
  • ⁇ is the kinematic viscosity of the cooling gas.
  • a battery cooling system simulation method for calculating a design variable of a battery cooling system flowing out to cool the battery unit by using a simulation comprising: a first input step of receiving temperature information of the inlet and temperature information of the outlet; A second input step of receiving calorie information generated from the battery cell; A temperature input step of receiving target temperature information; And a design variable calculating step of calculating a design variable such that the temperature of the battery cell satisfies the target temperature by using information received in the first input step, the second input step, and the temperature input step. It is characterized by.
  • the design variable is a specification of the flow path and the flow rate of the cooling gas, and the specification of the flow path includes a thickness, a length, and a depth of the flow path, and the calculating of the design variable is performed through an approximated equation as follows.
  • the design variable can be calculated.
  • mcell is the mass of the battery cell
  • Cp, a is the specific heat capacity of the cooling gas
  • Cp, c is the specific heat capacity of the battery cell
  • Tcell is the temperature of the battery cell
  • Qgen is the amount of heat generated from the battery cell
  • Tmi is the temperature of the inlet
  • Tmo is the temperature of the outlet
  • P is the rotation of the flow path
  • a is the thickness of the flow path
  • b is the length of the flow path
  • L is the depth of the flow path
  • ka is the thermal conductivity of the cooling gas
  • L * is the dimensionless length of the flow path
  • Pr is the Frantelle number
  • Dh is the repair diameter
  • Re is the Reynolds number
  • ⁇ is the kinematic viscosity of the cooling gas.
  • the present invention it is possible to predict the thermal reaction of the battery cell by solving a simple equation.
  • a simple equation that can be derived by treating a flow path having a substantially rectangular parallelepiped shape as a thin plate structure is solved to predict a thermal response of a battery cell or to derive a design variable that satisfies a target thermal response. can do.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a battery cooling system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of FIG. 1 as viewed from the A direction.
  • FIG. 3 is a view schematically showing a battery unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing the configuration of a battery cooling system simulation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing the configuration of a battery cooling system simulation apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view schematically showing a battery cooling system simulation method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view of a battery cooling system simulation method according to another embodiment of the present invention.
  • the battery cooling system and the battery cooling system simulation apparatus mainly relate to a battery system which is a driving source of the HEV or EV
  • the present specification will be described using HEV or EV as an example, but the present invention is not limited thereto.
  • Figure 1 is a view schematically showing a battery cooling system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of Figure 1 viewed from the A direction.
  • a battery cooling system according to an exemplary embodiment of the present invention includes a battery unit 10, and a flow channel 30 is formed on sidewalls of the battery unit 10. It is.
  • the battery cooling system may include an inlet 40 through which the cooling gas flows and an outlet 50 through which the cooling gas flows out.
  • the cooling gas may be introduced through the inlet 40, and may flow out through the outlet 50 through the flow path 30 formed on the sidewall of the battery unit 10.
  • the battery unit 10 to the battery cells BC provided in the battery unit 10 may be cooled and maintained at an appropriate temperature.
  • the inlet 40 and the outlet 50 are shown in FIG. 2, but are omitted in FIG. 1.
  • the battery unit 10 may be provided in at least one battery cooling system.
  • the battery unit 10 may be provided with one or more battery cells BC. That is, the battery system may include one or more battery units 10, and the battery unit 10 may include one or more battery cells BC.
  • the battery unit 10 may be a two-cell unit having two battery cells BC.
  • the two-cell unit may be stacked in a battery system in the form of a cartridge or the like.
  • one flow path 30 is formed on both sidewalls of the battery unit 10, so that one flow path 30 is provided for each battery cell BC.
  • the wall defined by the two-cell unit corresponds to a heating surface (heat transfer surface), and the area of the heating surface per battery cell BC becomes L * b (see FIGS. 1 and 2).
  • the battery unit 10 can be treated as a heating body.
  • the heat generated in the battery cooling system is a sum of ohmic heat and electrochemical heat generated in the battery cell BC included in the battery unit 10.
  • the generated heat may be expressed by the following equation.
  • I is a current flowing through the battery cell BC
  • iRcell is a direct current internal resistance of the battery cell BC.
  • the iRcell is a function of the SOC, the temperature Tcell of the battery cell BC, the charge / discharge status (CDS), and the pulse duration ⁇ , and may be expressed by the following equation.
  • electrochemical heat is low enough to be negligible when compared with ohmic heat, so only ohmic heat may be considered. That is, the equation may be approximated as follows.
  • the flow path 30 may provide an empty space having a predetermined standard.
  • the flow path 30 may provide a rectangular parallelepiped space having a predetermined thickness (a), length (b), and depth (L).
  • the flow path 30 is rectangular when viewed from the upper or lower direction, preferably, may have a thin slit form.
  • a plurality of flow paths 30 may be formed. Since one or more battery units 10 may be provided, one or more flow paths 30 formed on sidewalls of the battery unit 10 may also be provided. When the cooling gas is introduced through the inlet 40, the cooling gas may branch along one or more flow paths 30 to cool the battery unit 10 and then flow out to the outside through the outlet 50.
  • the battery cooling system according to the present invention is analyzed on the assumption that each flow path 30 is identical to each other. Therefore, the mass flow rate of the cooling gas passing through the flow path 30 ( ) May be obtained by dividing the total flow rate flowing in or out through the battery cooling system by the number of flow paths 30.
  • heat transfer in the battery cooling system according to the present invention considers only heat transfer by convection.
  • a complete heat transfer model should consider all three heat transfer methods: conduction, radiation, and convection, but the heat transfer model can be simplified to a model that only considers heat transfer by convection with appropriate assumptions.
  • the cooling gas flows through the inlet 40 and then branches and flows out through the outlet 50 (U type flow). Heat transfer is then generated by the interaction of branched sub-streams with the blocks defining these branch flow paths 30.
  • the block defining the feeder flow path 30 is the battery unit 10 which is a heat source.
  • one battery unit 10 is composed of two battery cells BC. Thus, one surface per battery cell BC is exposed to the cooling gas by convective heat transfer.
  • the flow path 30 is a narrow passage through which the cooling gas flows, and the battery unit 10 facing and surrounding the flow path 30 is heated by the battery unit 10 facing each other.
  • the view factor for the external low temperature from the surface of the battery unit 10 is negligibly small and has a large view factor and radiation for the battery unit 10 having a large view factor. Copying from the battery unit 10 is not critical. This is because the temperature of the battery unit 10 is assumed to be about the same. Thus, heat transfer by radiation can also be ignored.
  • the heat transfer in the battery cooling system according to the present invention can be considered only heat transfer by convection. With these appropriate assumptions, the temperature estimation and design parameters to be described later can be made simply.
  • the battery cooling system simulation apparatus is used to simulate thermal reactions or design variables for the battery cooling system described above.
  • the thermal reaction to the battery cooling system means a state or a change of state based on the temperature Tcell of the battery cells BC provided in the battery units 10 to 10. Therefore, it can be said that the thermal reaction to the battery cooling system mainly means a temperature or a change in temperature of the battery cell BC.
  • the design variable for the battery cooling system information about the specification of the flow path 30 to enable the cooling of the battery cells (BC) to the battery unit 10 to the target temperature, mass flow of the cooling gas (mass flow rate) and the like.
  • the information about the standard of the flow path 30 may be the thickness (a), the length (b), the depth (L), or the wetted perimeter (P) of the flow path.
  • Information on the size of the flow path 30 and the flow rate of the cooling gas are the main factors for cooling the battery unit 10.
  • the temperature of the battery units 10 to BC may be determined. .
  • the thermal reaction of the battery cooling system can be predicted by estimating the temperature Tcell of the battery cell BC.
  • the target temperature when the target temperature is set, the size of the flow path 30 and the flow rate of the cooling gas that can satisfy the target temperature can be determined. That is, design variables for the battery cooling system can be determined.
  • the battery cooling system simulation apparatus can be largely divided into two aspects of the simulation apparatus.
  • a battery cooling system simulation apparatus is an apparatus for estimating a temperature of a battery cell provided in a battery cooling system using flow path specification information and flow rate of cooling gas.
  • a battery cooling system simulation apparatus when the target temperature of the battery cell provided in the battery cooling system is set, the device for calculating the flow rate of the flow path and the cooling gas of the flow path that meets this target temperature to be.
  • FIG. 4 is a view showing the configuration of a battery cooling system simulation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • a battery cooling system simulation apparatus includes a first input unit 110, a second input unit 120, a design variable input unit 130, and a temperature estimating unit 140. do.
  • the first input unit 110 may receive the temperature Tmi information of the inlet 40 and the temperature Tmo information of the outlet 50.
  • the second input unit 120 may receive heat quantity Qgen information generated from the battery cell BC.
  • the second input unit 120 may directly receive the amount of heat generated from the battery cell BC or may receive information about I and iRcell.
  • the heat Qgen generated from the battery cell BC is a sum of ohmic heat and electrochemical heat, of which electrochemical heat can be ignored, so that I and Through iRcell, the amount of heat generated from the battery cell BC can be obtained.
  • the design variable input unit 130 may receive standard information about the flow path 30, in particular, standard information about the size of the flow path 30 and flow rate information of the cooling gas.
  • the standard information about the size of the flow path 30 may include any one of thickness (a), length (b), depth (L) of the flow path (30), or wheel rotation (P) information of the flow path (30). Can be.
  • the flow rate information of the cooling gas is the flow rate information of the cooling gas flowing through the inlet 40 provided in the battery cooling system, the total flow rate information flowing into the battery cooling system or flow rate information passing through the individual flow path (30) Can be.
  • the total flow rate information flowing into the battery cooling system is the flow rate passing through the individual flow path 30 of the flow path 30
  • the flow rate information passing through the individual flow paths 30 may be obtained by dividing the total flow rate flowing into the battery cooling system by the number of flow paths 30.
  • the temperature estimator 140 may estimate the temperature of the battery cell BC by using information received from the first input unit 110, the second input unit 120, and the design variable input unit 130. That is, the temperature estimating unit 140 includes the standard information on the size of the flow path 30, the flow rate information of the cooling gas, the temperature information of the inlet 40, the temperature information of the outlet 50, and the battery cell BC. The temperature of the battery cell BC may be estimated using the generated calorie information.
  • the temperature estimator 140 uses the information received from the first input unit 110, the second input unit 120, and the design variable input unit 130 and the following equation and the battery cell BC. ) Can be estimated. That is, the temperature estimator 140 may calculate Tcell by substituting the received information into the following equation and solving a differential equation for time.
  • mcell is the mass of the battery cell BC, more specifically, the mass of the unit battery cell BC,
  • Cp, c is a specific heat capacity of the battery cell (BC)
  • Tcell is the temperature of the battery cell BC
  • Qgen is the amount of heat generated from the battery cell BC
  • Tmi is the temperature of the inlet 40
  • Tmo is the temperature of the outlet 50
  • a is the thickness of the flow path 30,
  • L is the depth of the flow path 30
  • ka is the thermal conductivity of air of the cooling gas
  • L * is the dimensionless length of flow channel of the flow path 30,
  • Pr is the Prandtl number
  • ⁇ is the dynamic viscosity of the cooling gas.
  • the equation may be derived by the following process.
  • the amount of heat accumulated in the battery cell BC is a value obtained by subtracting the amount of heat emitted to the outside from the amount of heat generated from the battery cell BC. And, according to the law of conservation of energy, the following equation holds in the transient state.
  • mcell, Cp, c, Tcell and Qgen are as described above, Qr is the amount of heat released to the outside.
  • the battery cooling system according to the present invention is modeled as a lumped thermal model, and the temperature gradient of the unit battery cell BC can be assumed to be relatively small, The temperature can be used to represent the temperature of the entire cell.
  • a battery cell that is a heat transfer surface ( BC) Under the condition that the surface temperature is constant, Tmo can be expressed by the equation related to Tcell as follows. Derivation of such a formula can be said to be obvious to those skilled in the art.
  • Equation 4 Substituting Equations 6 and 7 into Equation 5 results in Equation 4.
  • Tcell By integrating Equation 4 with respect to time, Tcell can be obtained.
  • a person skilled in the art will appreciate the various boundary conditions outlined in the prior art document "Shah, RK, and London, AL Laminar Flow Forced Convection in Ducts, Academic Press, 1978", which is used herein to solve such differential equations. heat transfer coefficient in the conditions may be used.
  • ka is the thermal conductivity of the cooling gas
  • Dh is the hydraulic diameter
  • the aspect ratio a / b of the rectangular flow path 30 is sufficiently small.
  • the flow path 30 can be treated as a parallel plate geometry.
  • the wheel side P can be approximated to 2b.
  • the number of nussels in a parallel plate structure Nusselt number averaged over L
  • Pr is a tangler number and L * is a dimensionless length of flow channel of the flow path 30, and can be expressed as follows.
  • Dh may be expressed as follows.
  • Dh since the wheel side P may be approximated to 2b, Dh may be approximated as follows.
  • Re is Reynolds number, can be expressed as follows.
  • u is the dynamic viscosity of the cooling gas.
  • Tcell can be obtained by integrating Equation 4 with respect to time.
  • the Tcell obtained from Equation 4 corresponds to the temperature estimation value of the battery cell BC.
  • Equation 4 when the temperature Tcell of the battery cell BC is independent of the change in time, that is, the temperature Tcell of the battery cell BC does not change despite the change in time, Equation 4 is Can be further approximated.
  • Tcell can be obtained simply by solving the algebraic equation, not the differential equation.
  • the temperature Tcell of the battery cell BC may be treated as being independent of the change in time. That is, preferably, Equation 4 may be approximated as follows.
  • Equation 8 may be further approximated as follows.
  • the nussel number Nusselt number averaged over L
  • the Nussel number Nusselt number averaged over L
  • the Nussel number (Equation 4) Nusselt number averaged over L) can be treated as a constant of 7.55. Substituting 7.55 for the Nussel number of Equation 8 leads to the following equation.
  • Equation 9 can be further approximated as in Equation below. In this case, the thickness a of the flow path 30 does not affect the temperature of the battery cell BC.
  • FIG. 5 is a view showing the configuration of a battery cooling system simulation apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • a battery cooling system simulation apparatus includes a first input unit 210, a second input unit 220, a temperature input unit 230, and a design variable calculator 240. do.
  • the first input unit 210 may receive the temperature Tmi information of the inlet 40 and the temperature Tmo information of the outlet 50, and the second input unit 220 may include a battery cell BC.
  • the amount of heat generated (Qgen) information can be received from.
  • the second input unit 220 may directly receive the amount of heat generated from the battery cell BC or may receive information about I and iRcell.
  • the heat Qgen generated from the battery cell BC is a sum of ohmic heat and electrochemical heat, of which electrochemical heat can be ignored, so that I and Through iRcell, the amount of heat generated from the battery cell BC can be obtained.
  • the first input unit 210 and the second input unit 220 are the same as the configuration of the battery cooling system simulation apparatus (temperature estimation of the battery cell) according to an embodiment of the present invention described above.
  • the temperature input unit 230 may receive target temperature information.
  • the target temperature information may be a specific temperature and / or a change in temperature.
  • the apparatus for simulating a battery cooling system according to another exemplary embodiment of the present invention is a device for calculating a design parameter such that the temperature of a battery cell BC satisfies a target temperature. Calculate satisfactory design variables. Therefore, the design variable calculator 240 to be described later calculates a design variable corresponding to the target temperature information received from the temperature input unit 230.
  • the design variable calculator 240 may calculate a design variable using information received from the first input unit 210, the second input unit 220, and the temperature input unit 230. That is, the design variable calculator 240 uses the temperature information of the inlet 40, the temperature information of the outlet 50, the calorie information generated from the battery cell BC, and the target temperature information. A design variable can be calculated such that the temperature satisfies the target temperature.
  • the design variable may be a specification of a flow path 30, which is a main variable for determining the temperature of the battery cell BC, and a flow rate of the cooling gas passing through the flow path 30 in the battery cooling system.
  • the size of the flow path 30 may include a thickness a of the flow path 30, a length b of the flow path 30, and a depth L of the flow path 30.
  • the design variable calculation unit 240 the information received from the first input unit 210, the second input unit 220 and the temperature input unit 230 and the following equation (Equation 4 described above)
  • the design variable may be calculated such that the temperature of the battery cell BC satisfies the target temperature and / or the target temperature change amount. That is, the design variable calculator 240 may calculate the design variable by substituting the received information into the following equation and solving the equation below.
  • Equation 4 the equation (Equation 4) can be approximated as the following equation (Equation 8).
  • Equation 8 The equation (Equation 8) can be further approximated as shown in Equation 9 below.
  • Equation 9 may be further approximated as shown in Equation 10 below.
  • the thickness a of the flow path 30 does not affect the temperature of the battery cell BC.
  • the battery cooling system simulation apparatus may further include an information storage.
  • the information storage unit may store one or more constant or coefficient information.
  • the constant or coefficient may be various constant or coefficient information that may be used to estimate the temperature of the battery cell BC and / or calculate a design variable of the battery cooling system. More specifically, Cp, a, Cp, c, ka, Pr, ⁇ , and the like used in Equation 4 may be stored.
  • the temperature estimator 140 or the design variable calculator 240 receives constant or coefficient information stored in the information storage unit and information received from the first input unit 110 or 210 and the second input unit 210 or 220. By using the E can estimate the temperature of the battery cell (BC), or calculate a design variable of the battery cooling system.
  • BC battery cell
  • the temperature estimator 140 and / or the design variable calculator 240 may include a processor, an application-specific integrated circuit (ASIC), another chipset, a logic circuit, a register, and a communication unit for executing various control logics. It may optionally include a modem, a data processing device and the like.
  • the control logic when the control logic is implemented in software, the temperature estimator 140 and / or the design variable calculator 240 may be implemented as a set of program modules.
  • the program module may be stored in a memory and executed by a processor.
  • the memory may be internal or external to the processor and may be coupled to the processor by a variety of known means.
  • the memory may be included in the information storage unit of the present invention.
  • the memory refers to a device that stores information regardless of the type of device, and does not refer to a specific memory device.
  • control logic of the temperature estimator 140 and / or the design variable calculator 240 may constitute a process of a battery cooling system simulation method according to the present invention, which will be described later.
  • control logic of the temperature estimator 140 and / or the design variable calculator 240 may be written in a computer readable code system and stored in a computer readable recording medium.
  • the recording medium is not particularly limited as long as it is accessible by a processor included in the computer.
  • the recording medium includes at least one selected from the group consisting of a ROM, a RAM, a register, a CD-ROM, a magnetic tape, a hard disk, a floppy disk, and an optical data recording device.
  • the code system may be modulated into a carrier signal to be included in a communication carrier at a specific point in time, and may be distributed and stored and executed in a networked computer.
  • functional programs, code and code segments for implementing the combined control logics can be easily inferred by programmers in the art to which the present invention pertains.
  • the information storage unit stores a program necessary for the temperature estimator 140 and / or the design variable calculator 240 to execute the algorithm and data calculated in the process of executing the algorithm.
  • the information storage unit is not particularly limited as long as it is a device that can store information such as DRAM, SRAM, ROM, EEPROM, Flash Memory, Register, and the like.
  • FIGS. 6 and 7 a battery cooling system simulation method according to the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7.
  • the subject of each step may be each component of the above-described battery cooling system simulation apparatus, and thus descriptions overlapping with the above description will be omitted.
  • FIG. 6 is a view schematically showing a battery cooling system simulation method according to an embodiment of the present invention.
  • a battery cooling system simulation method is a method of estimating a temperature of a battery cell BC included in a battery cooling system through simulation.
  • the method may receive the temperature information of the inlet 40 and the temperature information of the outlet 50 (first input step, S610).
  • the method may receive the calorie information generated from the battery cell BC (second input step S620).
  • the method may receive the standard information of the flow path 30 and the flow rate information of the cooling gas (design parameter input step S630).
  • the standard information of the flow path 30 may include a length b of the flow path 30, a thickness a of the flow path 30, and a depth L of the flow path 30.
  • first input step S610, the second input step S620, and the design variable input step S630 may not necessarily be performed in the above order. That is, the first input step S610, the second input step S620, and the design variable input step S630 may be performed in a different order, or each step may be performed simultaneously.
  • the method may estimate the temperature of the battery cell BC using the information received in the first input step S610, the second input step S620, and the design variable input step S630. (Temperature estimation step, S640).
  • the method uses a battery cell by using the information received in the first input step (S610), the second input step (S620) and the design variable input step (S630) and the following equation (Equation 4).
  • the temperature of (BC) can be estimated.
  • Equation 4 the equation (Equation 4) can be approximated as the following equation (Equation 8).
  • Equation 8 The equation (Equation 8) can be further approximated as shown in Equation 9 below.
  • Equation 9 may be further approximated as shown in Equation 10 below.
  • the thickness a of the flow path 30 does not affect the temperature of the battery cell BC.
  • FIG. 7 is a schematic view of a battery cooling system simulation method according to another embodiment of the present invention.
  • a method for simulating a battery cooling system may include calculating a design variable such that a temperature of a battery cell BC included in the battery cooling system satisfies a target temperature through simulation. It is a way.
  • the method may receive the temperature information of the inlet 40 and the temperature information of the outlet 50 (first input step, S710).
  • the method may receive the calorie information generated from the battery cell BC (second input step S720).
  • a battery cooling system simulation method is a method of calculating a design variable such that a temperature of a battery cell BC satisfies a target temperature, and satisfies target temperature information received from the target temperature input step. Calculate the design variable. Therefore, the design variable calculation step to be described later may calculate a design variable corresponding to the target temperature information received in the target temperature input step.
  • the first input step S710, the second input step S720, and the target temperature input step S730 are not necessarily performed in the above order. That is, the first input step S710, the second input step S720, and the target temperature input step S730 may be performed in a different order, or each step may be performed simultaneously.
  • the method may calculate a design variable using the information received in the first input step S710, the second input step S720, and the target temperature input step S730 (design variable calculation step). , S740). That is, the method may be configured such that the temperature of the battery cell BC satisfies the target temperature by using the information received in the first input step S710, the second input step S720, and the target temperature input step S730.
  • the design variable can be calculated.
  • the design variable may be a standard of the flow path 30 and a flow rate of the cooling gas. This is because the size of the flow path 30 and the flow rate of the cooling gas are the main factors that determine the temperature of the battery cell BC. More specifically, the size of the flow path 30 may include a thickness a of the flow path 30, a length b of the flow path 30, and a depth L of the flow path 30.
  • the method the battery cell using the information received in the first input step (S710), the second input step (S720) and the target temperature input step (S730) and the following equation (Equation 4).
  • the temperature of (BC) can be estimated.
  • Equation 4 the equation (Equation 4) can be approximated as the following equation (Equation 8).
  • Equation 8 The equation (Equation 8) can be further approximated as shown in Equation 9 below.
  • Equation 9 may be further approximated as shown in Equation 10 below.
  • the thickness a of the flow path 30 does not affect the temperature of the battery cell BC.
  • the battery cooling system simulation method according to the present invention may further include an information storage step.
  • the information storing step may store one or more constant or coefficient information.
  • the constant or coefficient may be various constant or coefficient information that may be used to estimate the temperature of the battery cell BC and / or calculate a design variable of the battery cooling system. More specifically, Cp, a, Cp, c, ka, Pr, ⁇ , and the like used in Equation 4 may be stored.
  • the temperature estimation step or the design variable calculation step may use the constant or coefficient information stored in the information storage step and information received in the first input step, the second input step, and the like.
  • the temperature of the battery cell BC can be estimated or a design variable of the battery cooling system can be calculated.
  • each component may be selectively integrated with other components or each component may be divided into subcomponents for efficient execution of control logic (s).
  • control logic control logic
  • the integrated or divided components should also be interpreted as being within the scope of the present invention, provided that the functional identity can be recognized even if the components are integrated or divided.

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Abstract

본 발명은 시뮬레이션을 통해 배터리 셀의 열반응을 예측하거나, 시뮬레이션을 통해 배터리 셀의 목표 열반응을 만족하는 설계 변수를 도출하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치 및 방법을 개시한다.

Description

배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치 및 방법
본 발명은 배터리 냉각 시스템을 시뮬레이션하는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시뮬레이션을 통해 배터리 셀의 열반응을 예측하거나, 시뮬레이션을 통해 배터리 셀의 목표 열반응을 만족하는 설계 변수를 산출하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2014년 05월 16일 자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2014-0058995호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 전기 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
상기 전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 통상적으로 단위 셀(cell)이 복수 개 구성되는 배터리 유닛과 상기 배터리 유닛이 복수 개로 이루어지는 구성으로 이루어지며, 상기 셀은 양극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액, 알루미늄 박막층 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 충방전이 가능한 구조가 된다.
이러한 충방전을 위한 기본적 구조에 더하여, 상기 배터리 팩은 물리적인 보호 장치, 다양한 센싱 수단, SOC(State Of Charge) 등의 추정을 위한 정밀한 알고리즘이 적용된 펌웨어 등이 추가적으로 포함되어 구성된다.
이렇게 다양한 화학적 소자와 전기 물리적 소자의 집합체로 구성되는 배터리 팩은, 본질적으로 사용되는 외부 환경에 영향을 받게 된다. 따라서, 배터리 팩은, 노출되는 외부 환경에 따라 전기 화학적 특성이 급변하기도 하며, 이에 따라 배터리 팩의 수명이나 안정성, 구동 성능은 크게 영향을 받게 된다.
특히, 배터리 셀의 충전 또는 방전의 과정은, 전기 화학적 반응에 의하여 이루어지므로 배터리 셀은 주변 온도 조건 환경에 영향을 받게 되는데, 예를 들어 최적 온도가 유지되지 않는 고온 등의 온도 악조건에 노출된 상태에서 충방전 과정이 진행되게 되면, 배터리 셀이 퇴화되어 충방전 효율성이 낮아지게 되며 이에 따라 정상 구동에 대한 성능 보장이 어려운 문제점이 발생할 수 있다.
뿐만 아니라, 복수 개의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩에 있어서, 일부의 배터리 셀이 퇴화되면 배터리 팩 전체의 성능은, 일부의 퇴화된 배터리 셀의 성능에 의해 제한될 수 있다. 또한, 퇴화된 셀은 내부 저항이 증가하므로, 해당 셀의 온도는 더욱 높아지게 되어 배터리 셀의 성능 저하가 가속화될 우려가 있다.
더욱 문제가 되는 것은, 배터리 셀의 온도가 더 높아질 경우, 배터리 셀이 과열되어 폭발할 우려가 있다는 점이다. 이는 배터리 셀 내지 배터리 팩의 성능 저하와는 비교할 수 없을 정도로 심각한 문제가 될 수 있다. 즉, 배터리 셀의 온도가 상당히 높아지게 되면, 배터리 셀 내부의 전해질은 기화하게 되고, 배터리 셀 내부의 압력이 증가함으로써 셀 내부의 가스가 분출될 수 있고, 더욱 심각하게는 폭발이 일어날 수 있다.
따라서, 배터리 셀을 적정 온도로 유지하는 것은 매우 중요하다. 그런데, 배터리 셀에 대한 적정 온도는, 배터리 셀이 적용되는 대상, 환경 등의 세부 조건에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 배터리 셀이 적용되는 대상, 환경 등의 세부 조건에 따라 배터리 셀을 적절하게 냉각시킬 필요가 있다.
기존의 냉각 방식은 수냉 방식과 공냉 방식으로 크게 구분될 수 있다. 배터리 셀을 냉각시키는 방식에도 이와 같은 수냉 방식과 공냉 방식이 모두 적용될 수 있음은 물론이다. 다만, 수냉 방식의 경우 단락의 위험이 있다는 점에서 배터리 셀의 냉각 방식으로는 공냉 방식이 많이 사용되고 있다. 특히, 배터리 팩 내부에 형성된 유로(flow channel)를 통해 냉각 기체를 유입시켜 배터리 팩 내부에 구비된 배터리 셀을 냉각시키는 방식이 주로 사용되고 있다.
이와 같은 공냉 방식에서, 배터리 셀의 온도는 유로를 통해 유입되는 냉각 기체의 유량 및 유로의 사이즈에 의해 주로 결정되므로, 냉각 기체의 유량 및 유로의 사이즈를 결정하는 것은 매우 중요하다. 다른 측면에서 보면, 냉각 기체의 유량 및 유로의 사이즈가 결정되면 배터리 셀의 온도를 예측할 수 있다. 이를 통해, 배터리 셀의 열적 상태를 파악할 수 있고, 이러한 열적 상태를 이용하여 배터리 셀의 퇴화도를 예측할 수 있다.
그런데, 종래 기술에 의하면, 냉각 기체의 유량 및 유로의 사이즈를 이용하여 배터리 셀의 온도를 예측하거나, 이와 반대로 목표하는 배터리 셀의 온도를 만족시키는 냉각 기체의 유량 및 유로의 사이즈를 설계하기 위해서는 매우 복잡한 과정을 거쳐야 한다. 예를 들어, 배터리 팩 설계자는, CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 시뮬레이션 내지 실험적 접근을 통해서, 배터리 셀의 온도를 예측하거나 냉각 기체의 유량 및 유로의 사이즈와 같은 설계 변수의 값을 산출할 수 있다. 그런데, 이러한 시뮬레이션 방법은, 매우 복잡한 과정을 거치게 되므로 고성능의 컴퓨터가 요구될 뿐만 아니라, 고성능의 컴퓨터를 이용하더라도 장시간이 소요되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 간단한 방법으로 배터리 셀의 열반응을 예측하거나, 목표하는 열반응을 만족하는 배터리 냉각 시스템을 설계할 수 있도록 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치는, 유입구를 통해 유입된 냉각 기체가 하나 이상의 배터리 셀이 구비된 하나 이상의 배터리 유닛의 측벽에 형성된 유로를 통과하여 유출구를 통해 유출되어 상기 배터리 유닛을 냉각시키는 배터리 냉각 시스템에 대한 열반응을 시뮬레이션을 이용하여 예측하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치로서, 상기 유입구의 온도 정보 및 상기 유출구의 온도 정보를 입력받는 제1입력부; 상기 배터리 셀로부터 발생된 열량 정보를 입력받는 제2입력부; 상기 유로의 규격 정보 및 상기 냉각 기체의 유량 정보를 입력받는 설계 변수 입력부; 및 상기 제1입력부, 상기 제2입력부 및 상기 설계 변수 입력부로부터 입력받은 정보를 이용하여 상기 배터리 셀의 온도를 추정하는 온도 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 유로의 규격 정보는, 상기 유로의 길이, 두께, 깊이를 포함하며, 상기 온도 추정부는 하기의 수학식을 통해 상기 배터리 셀의 온도를 추정할 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000001
(여기서,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000002
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000003
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000004
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000005
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000006
이고, mcell은 배터리 셀의 질량, Cp,a는 냉각 기체의 특정 열용량, Cp,c는 배터리 셀의 특정 열용량, Tcell은, 배터리 셀의 온도, Qgen은 배터리 셀로부터 발생된 열량,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000007
는 각 채널을 통과하는 냉각 기체의 유량, Tmi는 유입구의 온도, Tmo는 유출구의 온도, P는 유로의 윤변, a는 유로의 두께, b는 유로의 길이, L은 유로의 깊이,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000008
는 대류 열전달 계수, ka는 냉각 기체의 열 전도도,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000009
는 뉘셀 넘버, L*는 유로의 무차원 길이, Pr은 프란틀 넘버, Dh는 수리 직경, Re는 레이놀즈 넘버 및 μ는 냉각 기체의 동점성 계수)
또한, 상기 온도 추정부는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 배터리 셀의 온도를 추정할 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000010
또한, 상기 온도 추정부는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 배터리 셀의 온도를 추정할 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000011
또한, 상기 온도 추정부는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 배터리 셀의 온도를 추정할 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000012
상기 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치는, 하나 이상의 상수 또는 계수 정보를 저장하는 정보 저장부를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치는, 유입구를 통해 유입된 냉각 기체가 하나 이상의 배터리 셀이 구비된 하나 이상의 배터리 유닛의 측벽에 형성된 유로를 통과하여 유출구를 통해 유출되어 상기 배터리 유닛을 냉각시키는 배터리 냉각 시스템의 설계 변수를 시뮬레이션을 이용하여 산출하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치로서, 상기 유입구의 온도 정보 및 상기 유출구의 온도 정보를 입력받는 제1입력부; 상기 배터리 셀로부터 발생된 열량 정보를 입력받는 제2입력부; 목표 온도 정보를 입력받는 온도 입력부; 및 상기 제1입력부, 상기 제2입력부 및 상기 온도 입력부로부터 입력받은 정보를 이용하여 상기 배터리 셀의 온도가 상기 목표 온도를 만족하도록 하는 설계 변수를 산출하는 설계 변수 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 설계 변수는, 상기 유로의 규격 및 상기 냉각 기체의 유량일 수 있다.
상기 유로의 규격은, 상기 유로의 두께, 길이, 깊이를 포함할 수 있다.
상기 설계 변수 산출부는, 하기의 수학식을 통해 상기 설계 변수를 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000013
(여기서,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000014
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000015
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000016
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000017
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000018
이고, mcell은 배터리 셀의 질량, Cp,a는 냉각 기체의 특정 열용량, Cp,c는 배터리 셀의 특정 열용량, Tcell은, 배터리 셀의 온도, Qgen은 배터리 셀로부터 발생된 열량,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000019
는 각 채널을 통과하는 냉각 기체의 유량, Tmi는 유입구의 온도, Tmo는 유출구의 온도, P는 유로의 윤변, a는 유로의 두께, b는 유로의 길이, L은 유로의 깊이,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000020
는 대류 열전달 계수, ka는 냉각 기체의 열 전도도,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000021
는 뉘셀 넘버, L*는 유로의 무차원 길이, Pr은 프란틀 넘버, Dh는 수리 직경, Re는 레이놀즈 넘버 및 μ는 냉각 기체의 동점성 계수)
또한, 상기 설계 변수 산출부는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 상기 설계 변수를 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000022
또한, 상기 설계 변수 산출부는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 상기 설계 변수를 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000023
또한, 상기 설계 변수 산출부는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 상기 설계 변수를 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000024
상기 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치는, 하나 이상의 상수 또는 계수 정보를 저장하는 정보 저장부를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법은, 유입구를 통해 유입된 냉각 기체가 하나 이상의 배터리 셀이 구비된 하나 이상의 배터리 유닛의 측벽에 형성된 유로를 통과하여 유출구를 통해 유출되어 상기 배터리 유닛을 냉각시키는 배터리 냉각 시스템에 대한 열반응을 시뮬레이션을 이용하여 예측하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법으로서, 상기 유입구의 온도 정보 및 상기 유출구의 온도 정보를 입력받는 제1입력단계; 상기 배터리 셀로부터 발생된 열량 정보를 입력받는 제2입력단계; 상기 유로의 규격 정보 및 상기 냉각 기체의 유량 정보를 입력받는 설계 변수 입력단계; 및 상기 제1입력단계, 상기 제2입력단계 및 상기 설계 변수 입력단계에서 입력받은 정보를 이용하여 상기 배터리 셀의 온도를 추정하는 온도 추정단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 유로의 규격 정보는, 상기 유로의 길이, 두께, 깊이를 포함하며, 상기 온도 추정단계는 하기의 수학식을 통해 배터리 셀의 온도를 추정할 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000025
(여기서,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000026
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000027
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000028
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000029
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000030
이고, mcell은 배터리 셀의 질량, Cp,a는 냉각 기체의 특정 열용량, Cp,c는 배터리 셀의 특정 열용량, Tcell은, 배터리 셀의 온도, Qgen은 배터리 셀로부터 발생된 열량,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000031
는 각 채널을 통과하는 냉각 기체의 유량, Tmi는 유입구의 온도, Tmo는 유출구의 온도, P는 유로의 윤변, a는 유로의 두께, b는 유로의 길이, L은 유로의 깊이,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000032
는 대류 열전달 계수, ka는 냉각 기체의 열 전도도,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000033
는 뉘셀 넘버, L*는 유로의 무차원 길이, Pr은 프란틀 넘버, Dh는 수리 직경, Re는 레이놀즈 넘버 및 μ는 냉각 기체의 동점성 계수)
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법은, 유입구를 통해 유입된 냉각 기체가 하나 이상의 배터리 셀이 구비된 하나 이상의 배터리 유닛의 측벽에 형성된 유로를 통과하여 유출구를 통해 유출되어 상기 배터리 유닛을 냉각시키는 배터리 냉각 시스템의 설계 변수를 시뮬레이션을 이용하여 산출하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법으로서, 상기 유입구의 온도 정보 및 상기 유출구의 온도 정보를 입력받는 제1입력단계; 상기 배터리 셀로부터 발생된 열량 정보를 입력받는 제2입력단계; 목표 온도 정보를 입력받는 온도 입력단계; 및 상기 제1입력단계, 상기 제2입력단계 및 상기 온도 입력단계에서 입력받은 정보를 이용하여 상기 배터리 셀의 온도가 상기 목표 온도를 만족하도록 하는 설계 변수를 산출하는 설계 변수 산출단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 설계 변수는, 상기 유로의 규격 및 상기 냉각 기체의 유량이고, 상기 유로의 규격은, 상기 유로의 두께, 길이, 깊이를 포함하며, 상기 설계 변수 산출단계는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 상기 설계 변수를 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000034
(여기서,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000035
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000036
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000037
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000038
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000039
이고, mcell은 배터리 셀의 질량, Cp,a는 냉각 기체의 특정 열용량, Cp,c는 배터리 셀의 특정 열용량, Tcell은, 배터리 셀의 온도, Qgen은 배터리 셀로부터 발생된 열량,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000040
는 각 채널을 통과하는 냉각 기체의 유량, Tmi는 유입구의 온도, Tmo는 유출구의 온도, P는 유로의 윤변, a는 유로의 두께, b는 유로의 길이, L은 유로의 깊이,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000041
는 대류 열전달 계수, ka는 냉각 기체의 열 전도도,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000042
는 뉘셀 넘버, L*는 유로의 무차원 길이, Pr은 프란틀 넘버, Dh는 수리 직경, Re는 레이놀즈 넘버 및 μ는 냉각 기체의 동점성 계수)
본 발명에 의하면, 간단한 수학식을 풀이하여 배터리 셀의 열반응을 예측할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 간단한 수학식을 풀이하여 목표하는 열반응을 만족하는 설계 변수를 도출할 수 있다.
특히, 본 발명에 의하면, 대략 직육면체 형상을 갖는 유로를 얇은 판 구조로 취급함으로 인해 도출될 수 있는 간단한 수학식을 풀이하여 배터리 셀의 열반응을 예측하거나 목표하는 열반응을 만족하는 설계 변수를 도출할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과 및 다른 효과들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는, 도 1을 A방향에서 바라본 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 유닛을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템 및 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치는, 주로 HEV 또는 EV의 구동원이 되는 배터리 시스템에 관한 것이므로 본 명세서에서는 HEV 또는 EV를 예로 들어 설명하겠으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는, 도 1을 A방향에서 바라본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템은, 배터리 유닛(10)을 포함하며, 상기 배터리 유닛(10)의 측벽에는 유로(flow channel)(30)가 형성되어 있다.
또한, 상기 배터리 냉각 시스템은, 냉각 기체가 유입되는 유입구(40) 및 냉각 기체가 유출되는 유출구(50)를 포함할 수 있다. 상기 냉각 기체는 상기 유입구(40)를 통해 유입되어, 배터리 유닛(10)의 측벽에 형성된 유로(30)를 통과하여 상기 유출구(50)를 통해 유출될 수 있다. 이러한 과정을 통해 배터리 유닛(10) 내지 이러한 배터리 유닛(10)에 구비된 배터리 셀(BC)은 냉각되어 적정 온도로 유지될 수 있다. 한편, 이러한 유입구(40) 및 유출구(50)는 도 2에는 도시되어 있지만, 도 1에는 생략되어 있다.
상기 배터리 유닛(10)은, 배터리 냉각 시스템에 하나 이상 구비될 수 있다. 또한, 상기 배터리 유닛(10)에는, 배터리 셀(BC)이 하나 이상 구비될 수 있다. 즉, 배터리 시스템은 하나 이상의 배터리 유닛(10)을 구비하고, 상기 배터리 유닛(10)은 하나 이상의 배터리 셀(BC)을 구비할 수 있다. 일 예로, 상기 배터리 유닛(10)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 배터리 셀(BC)을 구비한 2-셀 유닛일 수 있다. 이때, 상기 2-셀 유닛은, 카트리지 등의 형태로 배터리 시스템에 적층될 수 있다. 이러한 경우, 배터리 유닛(10)의 양 측벽에 각각 하나의 유로(30)가 형성되어, 하나의 배터리 셀(BC) 마다 하나의 유로(30)가 구비된 형태가 될 수 있다. 여기서, 2-셀 유닛에 의해 정의되는 벽은 가열 표면(열전달 표면)에 해당하며, 배터리 셀(BC)당 가열 표면의 면적은 L*b가 된다(도 1 및 도 2 참조).
상기 배터리 냉각 시스템에서, 배터리 유닛(10)은 열원(heating body)으로 취급될 수 있다. 그리고, 배터리 냉각 시스템에서 발생된 열은, 배터리 유닛(10)에 구비된 배터리 셀(BC)에서 발생한 저항성 열(ohmic heat)과 전기화학적 열(electrochemical heat)의 합계로서, 배터리 셀(BC)로부터 발생한 열은 다음과 같은 수학식으로 표현될 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2015004862-appb-M000001
여기서, I는 배터리 셀(BC)을 통해 흐르는 전류이고, iRcell은 배터리 셀(BC)의 직류 내부 저항이다.
iRcell은 SOC, 배터리 셀(BC)의 온도(Tcell), 충방전 상태(charge/discharge status: CDS) 및 펄스 듀레이션(pulse duration, τ)의 함수로서, 다음과 같은 수학식으로 표현될 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2015004862-appb-M000002
한편, 배터리 셀(BC)로부터 발생한 열 중에서 전기화학적 열(electrochemical heat)은 저항성 열(ohmic heat)과 비교할 때 무시할 수 있을 정도로 충분히 중요성이 낮으므로, 저항성 열(ohmic heat)만 고려될 수 있다. 즉, 상기 수학식은 다음과 같이 근사화될 수 있다.
수학식 3
Figure PCTKR2015004862-appb-M000003
상기 유로(30)는, 소정의 규격을 가지는 빈 공간을 제공할 수 있다. 일 예로, 상기 유로(30)는, 소정의 두께(a), 길이(b), 깊이(L)를 갖는 직육면체 형상의 공간을 제공할 수 있다. 이때, 상기 유로(30)는, 상부 또는 하부 방향에서 바라볼 경우, 직사각형태이며, 바람직하게는, 얇은 슬릿 형태를 띌 수 있다.
상기 유로(30)는, 복수 개가 형성될 수 있다. 상기 배터리 유닛(10)이 하나 이상 구비될 수 있으므로, 배터리 유닛(10)의 측벽에 형성되는 유로(30) 또한 하나 이상 구비될 수 있다. 상기 냉각 기체가 유입구(40)를 통해 유입되면, 냉각 기체는 하나 이상의 유로(30)를 따라 분기되어 배터리 유닛(10)을 냉각시킨 다음 유출구(50)를 통해 외부로 유출될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템은, 각각의 유로(30)가 서로 동일하다는 가정하에 분석된다. 따라서, 상기 유로(30)를 통과하는 냉각 기체의 유량(mass flow rate)(
Figure PCTKR2015004862-appb-I000043
)은, 배터리 냉각 시스템을 통해 유입 또는 유출되는 총 유량을 유로(30)의 개수로 나눈 것에 의해 구해질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템에서의 열전달은 대류에 의한 열전달만을 고려한다.
완벽한 열전달 모델은 전도, 복사, 대류의 3가지 열전달 방식이 모두 고려되어야하나, 열전달 모델은 적절한 가정을 통해 대류에 의한 열전달만을 고려한 모델로 간소화될 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 냉각 기체는 유입구(40)를 통해 유입된 후 분기되어 유출구(50)를 통해 유출된다(U type flow). 그리고, 열 전달은 분기된 지류(sub-streams)와 이러한 지류 유로(30)를 정의하는 블록의 상호 작용에 의해 발생한다. 여기서, 지류 유로(30)를 정의하는 블록은 열원인 배터리 유닛(10)이다. 도 1 및 도 2에서 하나의 배터리 유닛(10)은 2개의 배터리 셀(BC)로 구성된다. 따라서, 배터리 셀(BC) 당 하나의 표면이 대류성 열 전달에 의해 냉각 기체에 노출된다.
이러한 블록은 프레임(20)과 거의 접촉하지 않고, 접촉하더라도 프레임(20)을 통한 전도에 의해 배터리 유닛(10)으로부터 외부로 전달되는 열량은 무시할 수 있을 정도이므로 전도는 고려되지 않는다.
또한, 유로(30)는 냉각 기체가 흐르는 좁은 통로이고, 이러한 유로(30)를 둘러싸고 마주보는 배터리 유닛(10)은 마주보는 배터리 유닛(10)에 의해 가열된다고 가정된다. 이러한 환경에서, 배터리 유닛(10)의 표면으로부터 외부의 낮은 온도에 대한 뷰 팩터(view factor)는 무시할 수 있을 정도로 작고, 큰 뷰 팩터를 가지는 배터리 유닛(10)에 대한 복사 및 큰 뷰 팩터를 가지는 배터리 유닛(10)으로부터의 복사는 중요하지 않다. 왜냐하면 배터리 유닛(10)의 온도는 거의 같다고 가정되기 때문이다. 따라서, 복사에 의한 열 전달도 무시될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템에서의 열전달은 대류에 의한 열전달만이 고려될 수 있다. 이러한 적절한 가정에 의해 후술할 온도 추정 및 설계 변수의 산출이 간단하게 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치는, 상술한 배터리 냉각 시스템에 대한 열반응 내지 설계 변수를 시뮬레이션하는데 사용된다.
여기서, 배터리 냉각 시스템에 대한 열반응은, 배터리 유닛(10) 내지 배터리 유닛(10)에 구비된 배터리 셀(BC)의 온도(Tcell)를 기초로 한 상태 또는 상태의 변화를 의미한다. 따라서, 배터리 냉각 시스템에 대한 열반응은, 주로 배터리 셀(BC)의 온도 또는 온도의 변화를 의미한다고 할 수 있다.
또한, 여기서, 배터리 냉각 시스템에 대한 설계 변수는, 배터리 셀(BC) 내지 배터리 유닛(10)을 목표 온도로 냉각시킬 수 있도록 하는 유로(30)의 규격에 관한 정보, 냉각 기체의 유량(mass flow rate) 등을 포함한다. 여기서, 유로(30)의 규격에 관한 정보는, 유로의 두께(a), 길이(b), 깊이(L) 또는 윤변(wetted perimeter: P) 등일 수 있다.
유로(30)의 규격에 관한 정보 및 냉각 기체의 유량은 배터리 유닛(10)을 냉각시키는 주된 요소로서, 이러한 변수가 결정되면, 배터리 유닛(10) 내지 배터리 셀(BC)의 온도가 결정될 수 있다.
따라서, 유로(30)의 규격에 관한 정보 및 냉각 기체의 유량 정보가 설정되면, 배터리 셀(BC)의 온도(Tcell)를 추정함으로써, 배터리 냉각 시스템의 열반응을 예측할 수 있다. 이와 반대로, 목표 온도가 설정되면, 이러한 목표 온도를 충족할 수 있도록 하는 유로(30)의 규격 및 냉각 기체의 유량이 결정될 수 있다. 즉, 배터리 냉각 시스템에 대한 설계 변수가 결정될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치는, 크게 두 가지 측면의 시뮬레이션 장치로 구분될 수 있다.
먼저, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치는, 유로의 규격 정보 및 냉각 기체의 유량을 이용하여 배터리 냉각 시스템에 구비된 배터리 셀의 온도를 추정하는 장치이다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치는, 배터리 냉각 시스템에 구비된 배터리 셀의 목표 온도가 설정되면, 이러한 목표 온도를 충족시키는 유로의 규격 및 냉각 기체의 유량을 산출하는 장치이다.
이하에서는 먼저 시뮬레이션을 통해 배터리 셀의 온도를 추정하는 장치에 대해 설명하고, 시뮬레이션을 통해 설계 변수를 산출하는 장치에 대해 설명하도록 한다.
<배터리 셀의 온도 추정>
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치는, 제1입력부(110), 제2입력부(120), 설계 변수 입력부(130) 및 온도 추정부(140)를 포함한다.
상기 제1입력부(110)는, 유입구(40)의 온도(Tmi) 정보 및 유출구(50)의 온도(Tmo) 정보를 입력받을 수 있다.
상기 제2입력부(120)는, 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량(Qgen) 정보를 입력받을 수 있다. 이때, 제2입력부(120)는, 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량을 직접 입력받을 수도 있고, I 및 iRcell에 관한 정보를 입력받을 수도 있다. 전술한 바와 같이, 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량(Qgen)은, 저항성 열(ohmic heat)과 전기화학적 열(electrochemcal heat)의 합인데, 이 중에서 전기화학적 열은 무시될 수 있으므로, I 및 iRcell을 통해 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량을 구할 수 있다.
상기 설계 변수 입력부(130)는, 유로(30)의 규격 정보, 특히, 유로(30)의 크기에 관한 규격 정보 및 냉각 기체의 유량 정보를 입력받을 수 있다. 여기서, 유로(30)의 크기에 관한 규격 정보는, 유로(30)의 두께(a), 길이(b), 깊이(L) 또는 유로(30)의 윤변(P) 정보 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 냉각 기체의 유량 정보는 배터리 냉각 시스템에 구비된 유입구(40)를 통해 유입되는 냉각 기체의 유량 정보로서, 배터리 냉각 시스템으로 유입되는 총 유량 정보이거나 개별 유로(30)를 통과하는 유량 정보일 수 있다. 이때, 개별 유로(30)를 통과하는 유량은 모든 유로(30)에서 동일한 것으로 취급될 수 있으므로, 배터리 냉각 시스템으로 유입되는 총 유량 정보는 개별 유로(30)를 통과하는 유량에 유로(30)의 개수를 곱하여 구할 수 있으며, 반대로, 개별 유로(30)를 통과하는 유량 정보는 배터리 냉각 시스템으로 유입되는 총 유량을 유로(30)의 개수로 나누어 구할 수 있다.
상기 온도 추정부(140)는, 상기 제1입력부(110), 제2입력부(120) 및 설계 변수 입력부(130)로부터 입력받은 정보를 이용하여 배터리 셀(BC)의 온도를 추정할 수 있다. 즉, 상기 온도 추정부(140)는, 유로(30)의 크기에 대한 규격 정보, 냉각 기체의 유량 정보, 유입구(40)의 온도 정보, 유출구(50)의 온도 정보, 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량 정보를 이용하여 배터리 셀(BC)의 온도를 추정할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 온도 추정부(140)는, 상기 제1입력부(110), 제2입력부(120) 및 설계 변수 입력부(130)로부터 입력받은 정보 및 하기의 수학식을 이용하여 배터리 셀(BC)의 온도를 추정할 수 있다. 즉, 상기 온도 추정부(140)는, 상기 입력받은 정보를 아래의 수학식에 대입한 다음, 시간에 대한 미분방정식을 풀이함으로써 Tcell을 구할 수 있다.
수학식 4
Figure PCTKR2015004862-appb-M000004
여기서,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000044
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000045
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000046
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000047
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000048
이다.
그리고,
mcell은 배터리 셀(BC)의 질량, 보다 구체적으로는 단위 배터리 셀(BC)의 질량이고,
Cp,a는 냉각 기체의 특정 열용량(specific heat capacity of gas)이고,
Cp,c는 배터리 셀(BC)의 특정 열용량(specific heat capacity of battery cell)이고,
Tcell은 배터리 셀(BC)의 온도이고,
Qgen은 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량이고,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000049
는 각 채널을 통과하는 냉각 기체의 유량(mass flow rate)이고,
Tmi는 유입구(40)의 온도이고,
Tmo는 유출구(50)의 온도이고,
P는 유로(30)의 윤변(wetted perimeter)이고,
a는 유로(30)의 두께이고,
b는 유로(30)의 길이이고,
L은 유로(30)의 깊이이고,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000050
는 대류 열전달 계수(convective heat transfer coefficient)이고,
ka는 냉각 기체의 열 전도도(thermal conductivity of air)이고,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000051
는 뉘셀 넘버(Nusselt number averaged over L)이고,
L*는 유로(30)의 무차원 길이(dimensionless length of flow channel)이고,
Pr은 프란틀 넘버(Prandtl number)이고,
h는 수리 직경(hydraulic diameter)이고,
Re는 레이놀즈 넘버(Reynolds number)이고,
μ는 냉각 기체의 동점성 계수(dynamic viscosity)이다.
상기 수학식은 다음과 같은 과정에 의해 도출될 수 있다.
배터리 셀(BC)에 누적된 열량은, 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량에서 외부로 방출된 열량을 뺀 값이다. 그리고, 에너지 보존 법칙에 따르면, 과도 상태(transient state)에서 다음과 같은 수학식이 성립한다.
수학식 5
Figure PCTKR2015004862-appb-M000005
여기서, mcell, Cp,c, Tcell 및 Qgen은 상술한 바와 같으며, Qr은 외부로 방출된 열량이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템에서는 대류성 열전달만 고려되고, 전도 및 복사에 의한 열전달은 무시될 수 있으므로, Qr은 다음과 같은 수학식으로 표현될 수 있다.
수학식 6
Figure PCTKR2015004862-appb-M000006
한편, 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템은 집중 열 모델(Lumped thermal model)로 모델링되고, 단위 배터리 셀(BC)의 온도 그래디언트(gradient)는 비교적 작은 것으로 가정할 수 있으므로, 단위 배터리 셀(BC)의 온도는 셀 전체의 온도를 나타내는 것으로 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 원용되는 선행문헌인 "Incropera,F.P., and Dewitt,D.P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 4th Ed., John Wiley & Sons, 1996"의 내용 등을 참조하면, 열전달 표면인 배터리 셀(BC) 표면의 온도가 상수인 조건 하에서, Tmo는 아래와 같이 Tcell과 관련된 수학식으로 표현될 수 있다. 이러한 수식의 유도는 통상의 기술자에게는 자명한 사항이라고 할 수 있다.
수학식 7
Figure PCTKR2015004862-appb-M000007
상기 수학식 6 및 수학식 7을 수학식 5에 대입하면, 수학식 4가 도출된다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000052
상기 수학식 4를 시간에 대해 적분하면, Tcell을 구할 수 있다. 통상의 기술자는 이러한 미분방정식의 해를 구하기 위해, 본 명세서에서 원용되는 선행문헌인 "Shah, R.K., and London, A.L. Laminar Flow Forced Convection in Ducts, Academic Press, 1978"에 정리된 다양한 경계 조건(boundary condition)에서의 열 전달 계수(heat transfer coefficient)를 이용할 수 있을 것이다.
그리고, 여기서,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000053
는 대류 열전달 계수(convective heat transfer coefficient)으로서, 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000054
여기서, ka는 냉각 기체의 열전도도(thermal conductivity)이고,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000055
는 뉘셀 넘버(Nusselt number averaged over L)이며, Dh는 수리 직경(hydraulic diameter)이다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템에서, 직사각형태의 유로(30)의 종횡비(a/b)는 충분히 작다. 따라서, 상기 유로(30)는 평행한 판 구조(geometry)로 취급될 수 있다. 따라서, 윤변(P)은 2b로 근사화될 수 있다. 그리고, 배터리 유닛(10)에 의해 정의되는 벽은 상수의 온도 조건 하에 있으므로, 평행한 판 구조에서의 뉘셀 넘버(
Figure PCTKR2015004862-appb-I000056
: Nusselt number averaged over L)는 아래와 같은 클로즈드 폼(closed form)으로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000057
여기서, Pr은 프란틀 넘버이고, L*은 유로(30)의 무차원 길이(dimensionless length of flow channel)로서, 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000058
여기서, Dh는, 다음과 같이 표현될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 윤변(P)은 2b로 근사화될 수 있으므로, Dh는 아래와 같이 근사화될 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000059
상기 Re는 레이놀즈 넘버로서, 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000060
여기서, u는 냉각 기체의 동점성 계수(dynamic viscosity)이다.
이와 같이 수학식 4를 시간에 대해 적분함으로써, Tcell의 구할 수 있다. 상기 수학식 4로부터 구해진 Tcell은 배터리 셀(BC)의 온도 추정값에 해당한다.
한편, 배터리 셀(BC)의 온도(Tcell)가 시간의 변화와 무관한 경우, 즉 시간의 변화에 불구하고 배터리 셀(BC)의 온도(Tcell)가 변화하지 않는 경우에는, 상기 수학식 4는 더욱 근사화될 수 있다. 이로 인해, 미분방정식이 아닌 대수방정식을 풀이하는 것만으로 Tcell을 구할 수 있게 된다. 일 예로, 배터리 냉각 시스템이 HEV(Hybrid Electric vehicle)에 적용되는 경우, 배터리 셀(BC)의 온도(Tcell)는 시간의 변화와 무관한 것으로 취급될 수 있다. 즉, 바람직하게는, 상기 수학식 4는 다음과 같이 근사화될 수 있다.
수학식 8
Figure PCTKR2015004862-appb-M000008
그리고, 상기 수학식 8은 아래와 같이 더욱 근사화될 수 있다. 유로(30)의 두께(a)가 충분히 작은 경우, 뉘셀 넘버(
Figure PCTKR2015004862-appb-I000061
: Nusselt number averaged over L)는 상수로 취급될 수 있다. 즉, 수학식 4의 뉘셀 넘버(
Figure PCTKR2015004862-appb-I000062
: Nusselt number averaged over L)는, 7.55의 상수로 취급될 수 있다. 수학식 8의 뉘셀 넘버에 7.55를 대입하면 아래와 같은 수학식이 도출된다.
수학식 9
Figure PCTKR2015004862-appb-M000009
더욱 극단적으로 a -> 0인 경우 수학식 9의 지수부분이 무시되므로, 수학식 9는 아래의 수학식과 같이 더욱 근사화될 수 있다. 이 경우, 유로(30)의 두께(a)는 배터리 셀(BC)의 온도를 결정하는데 영향을 미치지 못하게 된다.
수학식 10
Figure PCTKR2015004862-appb-M000010
<배터리 냉각 시스템의 설계 변수 산출>
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치는, 제1입력부(210), 제2입력부(220), 온도 입력부(230) 및 설계 변수 산출부(240)를 포함한다.
상기 제1입력부(210)는, 유입구(40)의 온도(Tmi) 정보 및 유출구(50)의 온도(Tmo) 정보를 입력받을 수 있고, 상기 제2입력부(220)는, 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량(Qgen) 정보를 입력받을 수 있다. 이때, 제2입력부(220)는, 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량을 직접 입력받을 수도 있고, I 및 iRcell에 관한 정보를 입력받을 수도 있다. 전술한 바와 같이, 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량(Qgen)은, 저항성 열(ohmic heat)과 전기화학적 열(electrochemcal heat)의 합인데, 이 중에서 전기화학적 열은 무시될 수 있으므로, I 및 iRcell을 통해 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량을 구할 수 있다.
즉, 상기 제1입력부(210) 및 제2입력부(220)는 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치(배터리 셀의 온도 추정)의 구성과 같다.
상기 온도 입력부(230)는, 목표 온도 정보를 입력받을 수 있다. 여기서, 목표 온도 정보는, 특정 온도 및/또는 온도의 변화량일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치는, 배터리 셀(BC)의 온도가 목표 온도를 만족하도록 하는 설계 파라미터를 산출하는 장치로서, 상기 온도 입력부(230)로부터 입력받은 목표 온도 정보를 만족하는 설계 변수를 산출한다. 따라서, 후술할 설계 변수 산출부(240)는, 상기 온도 입력부(230)로부터 입력받은 목표 온도 정보에 상응하는 설계 변수를 산출한다.
상기 설계 변수 산출부(240)는, 상기 제1입력부(210), 제2입력부(220) 및 온도 입력부(230)로부터 입력받은 정보를 이용하여 설계 변수를 산출할 수 있다. 즉, 상기 설계 변수 산출부(240)는, 유입구(40)의 온도 정보, 유출구(50)의 온도 정보, 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량 정보 및 목표 온도 정보를 이용하여 배터리 셀(BC)의 온도가 목표 온도를 만족하도록 하는 설계 변수를 산출할 수 있다.
여기서, 상기 설계 변수는, 배터리 냉각 시스템에서 배터리 셀(BC)의 온도를 결정하는 주요 변수인 유로(30)의 규격 및 유로(30)를 통과하는 냉각 기체의 유량일 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 유로(30)의 규격은, 유로(30)의 두께(a), 유로(30)의 길이(b), 유로(30)의 깊이(L)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 설계 변수 산출부(240)는, 상기 제1입력부(210), 제2입력부(220) 및 온도 입력부(230)로부터 입력받은 정보 및 하기의 수학식(전술한 수학식4)을 이용하여 배터리 셀(BC)의 온도가 목표 온도 및/또는 목표 온도 변화량을 만족하도록 하는 설계 변수를 산출할 수 있다. 즉, 상기 설계 변수 산출부(240)는, 상기 입력받은 정보를 아래의 수학식에 대입한 다음, 아래의 방정식을 풀이함으로써 설계 변수를 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000063
여기서,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000064
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000065
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000066
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000067
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000068
이다.
바람직하게는, 상기 수학식(수학식 4)은 다음의 수학식(수학식 8)과 같이 근사화될 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000069
그리고, 상기 수학식(수학식 8)은 아래의 수학식(수학식 9)과 같이 더욱 근사화될 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000070
더욱 극단적으로 상기 수학식(수학식 9)은 아래의 수학식(수학식 10)과 같이 더욱 근사화될 수 있다. 이 경우, 유로(30)의 두께(a)는 배터리 셀(BC)의 온도를 결정하는데 영향을 미치지 못하게 된다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000071
상기 수학식의 도출 과정 및 근사화에 대한 설명은 배터리 셀의 온도 추정을 설명함에 있어서 설명된 내용이 그대로 적용될 수 있으므로 반복적은 설명은 생략하도록 한다. 즉, 배터리 셀의 온도 추정과 목표 온도를 만족하는 설계 변수의 산출은 실질적으로 동일한 기술을 다른 측면에서 바라본 것이므로 배터리 셀의 온도 추정에 설명된 내용이 설계 변수의 산출에 그대로 적용될 수 있다.
한편, 바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치는 정보 저장부를 더 포함할 수 있다. 상기 정보 저장부는 하나 이상의 상수 또는 계수 정보를 저장할 수 있다. 여기서, 상수 또는 계수는 배터리 셀(BC)의 온도 추정 및/또는 배터리 냉각 시스템의 설계 변수를 산출하는데 이용될 수 있는 다양한 상수 또는 계수 정보일 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 수학식 4 등에 사용되는 Cp,a, Cp,c, ka, Pr,μ 등을 저장할 수 있다.
상기 온도 추정부(140) 또는 상기 설계 변수 산출부(240)는 상기 정보 저장부에 저장된 상수 또는 계수 정보와 제1입력부(110, 210), 제2입력부(210, 220) 등으로부터 입력받은 정보를 이용하여 배터리 셀(BC)의 온도를 추정하거나, 배터리 냉각 시스템의 설계 변수를 산출할 수 있다.
그리고, 상기 온도 추정부(140) 및/또는 상기 설계 변수 산출부(240)는, 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 온도 추정부(140) 및/또는 상기 설계 변수 산출부(240)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 본 발명의 정보 저장부에 포함될 수도 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
또한, 상기 온도 추정부(140) 및/또는 상기 설계 변수 산출부(240)의 제어 로직은, 후술할 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법의 프로세스를 구성할 수 있음은 자명하다.
또한, 상기 온도 추정부(140) 및/또는 상기 설계 변수 산출부(240)의 제어 로직은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 수록될 수 있다. 상기 기록 매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 캐리어 신호로 변조되어 특정한 시점에 통신 캐리어에 포함될 수 있고, 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
상기 정보 저장부는, 상기 온도 추정부(140) 및/또는 상기 설계 변수 산출부(240)가 상기 알고리즘을 실행하는데 필요한 프로그램과 상기 알고리즘이 실행되는 과정에서 계산되는 데이터들이 저장된다. 상기 정보 저장부는 DRAM, SRAM, ROM, EEPROM, Flash Memory, Register 등과 같이 정보가 저장될 수 있는 디바이스라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
이하에서는, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법을 설명하도록 한다. 도 6 및 도 7에서, 각 단계의 주체는 상술한 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치의 각 구성요소일 수 있으므로, 전술한 내용과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
<배터리 셀의 온도 추정>
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법은, 시뮬레이션을 통해 배터리 냉각 시스템에 구비된 배터리 셀(BC)의 온도를 추정하는 방법이다.
먼저, 상기 방법은, 유입구(40)의 온도 정보 및 유출구(50)의 온도 정보를 입력받을 수 있다(제1입력단계, S610).
이어서, 상기 방법은, 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량 정보를 입력받을 수 있다(제2입력단계, S620).
다음으로, 상기 방법은, 유로(30)의 규격 정보 및 냉각 기체의 유량 정보를 입력받을 수 있다(설계 변수 입력단계, S630). 여기서, 유로(30)의 규격 정보는, 유로(30)의 길이(b), 유로(30)의 두께(a), 유로(30)의 깊이(L)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제1입력단계(S610), 제2입력단계(S620) 및 설계 변수 입력단계(S630)는, 반드시 상기의 순서로 수행되어야 하는 것은 아니다. 즉, 상기 제1입력단계(S610), 제2입력단계(S620) 및 설계 변수 입력단계(S630)는 이와 다른 순서로 수행될 수도 있고, 각 단계가 동시에 수행될 수도 있다.
그 다음으로, 상기 방법은, 제1입력단계(S610), 제2입력단계(S620) 및 설계 변수 입력단계(S630)에서 입력받은 정보를 이용하여 배터리 셀(BC)의 온도를 추정할 수 있다(온도 추정단계, S640).
바람직하게는, 상기 방법은, 제1입력단계(S610), 제2입력단계(S620) 및 설계 변수 입력단계(S630)에서 입력받은 정보와 하기의 수학식(수학식 4)을 이용하여 배터리 셀(BC)의 온도를 추정할 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000072
여기서,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000073
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000074
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000075
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000076
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000077
이다.
바람직하게는, 상기 수학식(수학식 4)은 다음의 수학식(수학식 8)과 같이 근사화될 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000078
그리고, 상기 수학식(수학식 8)은 아래의 수학식(수학식 9)과 같이 더욱 근사화될 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000079
더욱 극단적으로 상기 수학식(수학식 9)은 아래의 수학식(수학식 10)과 같이 더욱 근사화될 수 있다. 이 경우, 유로(30)의 두께(a)는 배터리 셀(BC)의 온도를 결정하는데 영향을 미치지 못하게 된다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000080
상기 수학식의 도출 과정 및 근사화에 대한 설명은 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치를 설명함에 있어서 설명된 내용이 그대로 적용될 수 있으므로 반복적은 설명은 생략하도록 한다. 즉, 상술한 방법은, 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치를 방법적 측면에서 기술한 것이므로, 전술한 설명이 그대로 적용될 수 있다.
<배터리 냉각 시스템의 설계 변수 산출>
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법은, 시뮬레이션을 통해 배터리 냉각 시스템에 구비된 배터리 셀(BC)의 온도가 목표 온도를 만족할 수 있도록 하는 설계 변수를 산출하는 방법이다.
먼저, 상기 방법은, 유입구(40)의 온도 정보 및 유출구(50)의 온도 정보를 입력받을 수 있다(제1입력단계, S710).
이어서, 상기 방법은, 배터리 셀(BC)로부터 발생된 열량 정보를 입력받을 수 있다(제2입력단계, S720).
다음으로, 상기 방법은, 목표 온도 정보를 입력받을 수 있다(목표 온도 입력단계, S730). 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법은, 배터리 셀(BC)의 온도가 목표 온도를 만족하도록 하는 설계 변수를 산출하는 방법으로서, 상기 목표 온도 입력단계로부터 입력받은 목표 온도 정보를 만족하는 설계 변수를 산출한다. 따라서, 후술할 설계 변수 산출단계는, 목표 온도 입력단계에서 입력받은 목표 온도 정보에 상응하는 설계 변수를 산출할 수 있다.
한편, 상기 제1입력단계(S710), 제2입력단계(S720) 및 목표 온도 입력단계(S730)는, 반드시 상기의 순서로 수행되어야 하는 것은 아니다. 즉, 상기 제1입력단계(S710), 제2입력단계(S720) 및 목표 온도 입력단계(S730)는 이와 다른 순서로 수행될 수도 있고, 각 단계가 동시에 수행될 수도 있다.
그 다음으로, 상기 방법은, 제1입력단계(S710), 제2입력단계(S720) 및 목표 온도 입력단계(S730)에서 입력받은 정보를 이용하여 설계 변수를 산출할 수 있다(설계 변수 산출단계, S740). 즉, 상기 방법은, 제1입력단계(S710), 제2입력단계(S720) 및 목표 온도 입력단계(S730)에서 입력받은 정보를 이용하여 배터리 셀(BC)의 온도가 상기 목표 온도를 만족하도록 하는 설계 변수를 산출할 수 있다. 여기서, 설계 변수는, 유로(30)의 규격 및 냉각 기체의 유량일 수 있다. 이는 상기 유로(30)의 규격 및 냉각 기체의 유량이 배터리 셀(BC)의 온도를 결정하는 주된 요소이기 때문이다. 보다 구체적으로 상기 유로(30)의 규격은 유로(30)의 두께(a), 유로(30)의 길이(b) 및 유로(30)의 깊이(L)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 방법은, 제1입력단계(S710), 제2입력단계(S720) 및 목표 온도 입력단계(S730)에서 입력받은 정보와 하기의 수학식(수학식 4)을 이용하여 배터리 셀(BC)의 온도를 추정할 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000081
여기서,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000082
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000083
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000084
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000085
,
Figure PCTKR2015004862-appb-I000086
이다.
바람직하게는, 상기 수학식(수학식 4)은 다음의 수학식(수학식 8)과 같이 근사화될 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000087
그리고, 상기 수학식(수학식 8)은 아래의 수학식(수학식 9)과 같이 더욱 근사화될 수 있다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000088
더욱 극단적으로 상기 수학식(수학식 9)은 아래의 수학식(수학식 10)과 같이 더욱 근사화될 수 있다. 이 경우, 유로(30)의 두께(a)는 배터리 셀(BC)의 온도를 결정하는데 영향을 미치지 못하게 된다.
Figure PCTKR2015004862-appb-I000089
상기 수학식의 도출 과정 및 근사화에 대한 설명은 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치를 설명함에 있어서 설명된 내용이 그대로 적용될 수 있으므로 반복적은 설명은 생략하도록 한다. 즉, 상술한 방법은, 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치를 방법적 측면에서 기술한 것이므로, 전술한 설명이 그대로 적용될 수 있다.
한편, 바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법은 정보 저장단계를 더 포함할 수 있다. 상기 정보 저장단계는 하나 이상의 상수 또는 계수 정보를 저장할 수 있다. 여기서, 상수 또는 계수는 배터리 셀(BC)의 온도 추정 및/또는 배터리 냉각 시스템의 설계 변수를 산출하는데 이용될 수 있는 다양한 상수 또는 계수 정보일 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 수학식 4 등에 사용되는 Cp,a, Cp,c, ka, Pr,μ 등을 저장할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법은, 상술한 온도 추정단계 또는 상술한 설계 변수 산출단계는 상기 정보 저장단계에서 저장된 상수 또는 계수 정보와 제1입력단계, 제2입력단계 등에서 입력받은 정보를 이용하여 배터리 셀(BC)의 온도를 추정하거나, 배터리 냉각 시스템의 설계 변수를 산출할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (18)

  1. 유입구를 통해 유입된 냉각 기체가 하나 이상의 배터리 셀이 구비된 하나 이상의 배터리 유닛의 측벽에 형성된 유로를 통과하여 유출구를 통해 유출되어 상기 배터리 유닛을 냉각시키는 배터리 냉각 시스템에 대한 열반응을 시뮬레이션을 이용하여 예측하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치에 있어서,
    상기 유입구의 온도 정보 및 상기 유출구의 온도 정보를 입력받는 제1입력부;
    상기 배터리 셀로부터 발생된 열량 정보를 입력받는 제2입력부;
    상기 유로의 규격 정보 및 상기 냉각 기체의 유량 정보를 입력받는 설계 변수 입력부; 및
    상기 제1입력부, 상기 제2입력부 및 상기 설계 변수 입력부로부터 입력받은 정보를 이용하여 상기 배터리 셀의 온도를 추정하는 온도 추정부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유로의 규격 정보는, 상기 유로의 길이, 두께, 깊이를 포함하며,
    상기 온도 추정부는 하기의 수학식을 통해 상기 배터리 셀의 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000090
    (여기서,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000091
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000092
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000093
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000094
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000095
    이고, mcell은 배터리 셀의 질량, Cp,a는 냉각 기체의 특정 열용량, Cp,c는 배터리 셀의 특정 열용량, Tcell은, 배터리 셀의 온도, Qgen은 배터리 셀로부터 발생된 열량,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000096
    는 각 채널을 통과하는 냉각 기체의 유량, Tmi는 유입구의 온도, Tmo는 유출구의 온도, P는 유로의 윤변, a는 유로의 두께, b는 유로의 길이, L은 유로의 깊이,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000097
    는 대류 열전달 계수, ka는 냉각 기체의 열 전도도,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000098
    는 뉘셀 넘버, L*는 유로의 무차원 길이, Pr은 프란틀 넘버, Dh는 수리 직경, Re는 레이놀즈 넘버 및 μ는 냉각 기체의 동점성 계수)
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도 추정부는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 배터리 셀의 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000099
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도 추정부는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 배터리 셀의 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000100
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도 추정부는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 배터리 셀의 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000101
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 상수 또는 계수 정보를 저장하는 정보 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
  7. 유입구를 통해 유입된 냉각 기체가 하나 이상의 배터리 셀이 구비된 하나 이상의 배터리 유닛의 측벽에 형성된 유로를 통과하여 유출구를 통해 유출되어 상기 배터리 유닛을 냉각시키는 배터리 냉각 시스템의 설계 변수를 시뮬레이션을 이용하여 산출하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치에 있어서,
    상기 유입구의 온도 정보 및 상기 유출구의 온도 정보를 입력받는 제1입력부;
    상기 배터리 셀로부터 발생된 열량 정보를 입력받는 제2입력부;
    목표 온도 정보를 입력받는 온도 입력부; 및
    상기 제1입력부, 상기 제2입력부 및 상기 온도 입력부로부터 입력받은 정보를 이용하여 상기 배터리 셀의 온도가 상기 목표 온도를 만족하도록 하는 설계 변수를 산출하는 설계 변수 산출부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 설계 변수는, 상기 유로의 규격 및 상기 냉각 기체의 유량인 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유로의 규격은, 상기 유로의 두께, 길이, 깊이를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 설계 변수 산출부는, 하기의 수학식을 통해 상기 설계 변수를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000102
    (여기서,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000103
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000104
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000105
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000106
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000107
    이고, mcell은 배터리 셀의 질량, Cp,a는 냉각 기체의 특정 열용량, Cp,c는 배터리 셀의 특정 열용량, Tcell은, 배터리 셀의 온도, Qgen은 배터리 셀로부터 발생된 열량,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000108
    는 각 채널을 통과하는 냉각 기체의 유량, Tmi는 유입구의 온도, Tmo는 유출구의 온도, P는 유로의 윤변, a는 유로의 두께, b는 유로의 길이, L은 유로의 깊이,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000109
    는 대류 열전달 계수, ka는 냉각 기체의 열 전도도,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000110
    는 뉘셀 넘버, L*는 유로의 무차원 길이, Pr은 프란틀 넘버, Dh는 수리 직경, Re는 레이놀즈 넘버 및 μ는 냉각 기체의 동점성 계수)
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 설계 변수 산출부는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 상기 설계 변수를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000111
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 설계 변수 산출부는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 상기 설계 변수를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000112
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 설계 변수 산출부는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 상기 설계 변수를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000113
  14. 제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 상수 또는 계수 정보를 저장하는 정보 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 장치.
  15. 유입구를 통해 유입된 냉각 기체가 하나 이상의 배터리 셀이 구비된 하나 이상의 배터리 유닛의 측벽에 형성된 유로를 통과하여 유출구를 통해 유출되어 상기 배터리 유닛을 냉각시키는 배터리 냉각 시스템에 대한 열반응을 시뮬레이션을 이용하여 예측하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법에 있어서,
    상기 유입구의 온도 정보 및 상기 유출구의 온도 정보를 입력받는 제1입력단계;
    상기 배터리 셀로부터 발생된 열량 정보를 입력받는 제2입력단계;
    상기 유로의 규격 정보 및 상기 냉각 기체의 유량 정보를 입력받는 설계 변수 입력단계; 및
    상기 제1입력단계, 상기 제2입력단계 및 상기 설계 변수 입력단계에서 입력받은 정보를 이용하여 상기 배터리 셀의 온도를 추정하는 온도 추정단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 유로의 규격 정보는, 상기 유로의 길이, 두께, 깊이를 포함하며,
    상기 온도 추정단계는 하기의 수학식을 통해 배터리 셀의 온도를 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법.
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000114
    (여기서,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000115
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000116
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000117
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000118
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000119
    이고, mcell은 배터리 셀의 질량, Cp,a는 냉각 기체의 특정 열용량, Cp,c는 배터리 셀의 특정 열용량, Tcell은, 배터리 셀의 온도, Qgen은 배터리 셀로부터 발생된 열량,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000120
    는 각 채널을 통과하는 냉각 기체의 유량, Tmi는 유입구의 온도, Tmo는 유출구의 온도, P는 유로의 윤변, a는 유로의 두께, b는 유로의 길이, L은 유로의 깊이,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000121
    는 대류 열전달 계수, ka는 냉각 기체의 열 전도도,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000122
    는 뉘셀 넘버, L*는 유로의 무차원 길이, Pr은 프란틀 넘버, Dh는 수리 직경, Re는 레이놀즈 넘버 및 μ는 냉각 기체의 동점성 계수)
  17. 유입구를 통해 유입된 냉각 기체가 하나 이상의 배터리 셀이 구비된 하나 이상의 배터리 유닛의 측벽에 형성된 유로를 통과하여 유출구를 통해 유출되어 상기 배터리 유닛을 냉각시키는 배터리 냉각 시스템의 설계 변수를 시뮬레이션을 이용하여 산출하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법에 있어서,
    상기 유입구의 온도 정보 및 상기 유출구의 온도 정보를 입력받는 제1입력단계;
    상기 배터리 셀로부터 발생된 열량 정보를 입력받는 제2입력단계;
    목표 온도 정보를 입력받는 온도 입력단계; 및
    상기 제1입력단계, 상기 제2입력단계 및 상기 온도 입력단계에서 입력받은 정보를 이용하여 상기 배터리 셀의 온도가 상기 목표 온도를 만족하도록 하는 설계 변수를 산출하는 설계 변수 산출단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 설계 변수는, 상기 유로의 규격 및 상기 냉각 기체의 유량이고,
    상기 유로의 규격은, 상기 유로의 두께, 길이, 깊이를 포함하며,
    상기 설계 변수 산출단계는, 아래와 같이 근사화된 수학식을 통해 상기 설계 변수를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉각 시스템 시뮬레이션 방법.
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000123
    (여기서,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000124
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000125
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000126
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000127
    ,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000128
    이고, mcell은 배터리 셀의 질량, Cp,a는 냉각 기체의 특정 열용량, Cp,c는 배터리 셀의 특정 열용량, Tcell은, 배터리 셀의 온도, Qgen은 배터리 셀로부터 발생된 열량,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000129
    는 각 채널을 통과하는 냉각 기체의 유량, Tmi는 유입구의 온도, Tmo는 유출구의 온도, P는 유로의 윤변, a는 유로의 두께, b는 유로의 길이, L은 유로의 깊이,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000130
    는 대류 열전달 계수, ka는 냉각 기체의 열 전도도,
    Figure PCTKR2015004862-appb-I000131
    는 뉘셀 넘버, L*는 유로의 무차원 길이, Pr은 프란틀 넘버, Dh는 수리 직경, Re는 레이놀즈 넘버 및 μ는 냉각 기체의 동점성 계수)
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ZHU, CONG ET AL.: "Development of a theoretically based thermal model for lithium ion battery pack", JOURNAL OF POWER SOURCES, vol. 223, 2013, pages 155 - 164, XP055236330, ISSN: 0378-7753 *

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