Heating characteristics are one of the most important considerations in recent battery pack designs as the performance of electric vehicles improves rapidly and the energy density of batteries increases. The electric vehicle introduces the battery thermal management system to manage the impact of life deterioration and safety problems due to high temperature. It will reduce the overall performance of electric vehicles because the cooling system uses non-negligible power. So, it is necessary to conduct research on designing and operating a cooling system that uses optimal power to achieve the target temperature. Related researchers use computational fluid dynamics for precise analysis of the heat flow and prediction of temperature distribution in general. Nevertheless, it is not suitable for design space exploration due to the time complexity and hard level of system-level simulation. In this paper, we introduce the vehicle-level simulation environment based on a lumped-parameter model, which allows us to perform the above analysis for the design space exploration quickly and efficiently. We use the commercial vehicle simulator to model electrical and thermal characteristics according to the battery residual capacity. And then, we sequentially construct the compact thermal RC model for predicting temperature from cell-level to pack-level that takes into account actual physical structures. Modeled cooling systems can analyze the change in heat exchange rate according to the flow rate of the cooling medium by using a variable resistance based on a control volume which is used to examine the fluid flow. We carry out application examples of optimization at the battery pack design stage and the cooling system operation stage respectively to show the effectiveness of the integrated simulation environment.
전기자동차의 고성능화 및 배터리 에너지의 고밀도화가 진행됨에 따라, 최근 배터리 팩 설계에 있어 발열 특성은 가장 중요하게 고려되어야 할 사항 중 하나이다. 전기자동차는 높은 온도에 의한 배터리의 수명 감소의 영향과 안전성의 문제를 줄이기 위하여 배터리 열 관리 시스템을 도입하여 온도를 관리한다. 하지만 냉각 시스템 역시 무시하지 못 할 만큼의 전력을 사용하며 적절하게 설계하고 운용하지 못한다면 전기자동차의 전체적인 성능을 저하시키는 요인으로 작용하므로, 목표 온도 값을 달성하기 위해 최적의 전력을 사용하는 냉각 시스템을 설계하고 운용하는 것에 대한 연구를 진행할 필요가 있다. 일반적으로 관련 연구를 진행하는 과정에서 정밀한 열 유동 해석 및 온도 분포 예측을 위해 전산유체역학 시뮬레이션을 이용하지만, 검증 시간에 걸리는 시간과 비용이 매우 크고 전체 차량 시스템에 대한 종합적인 고려가 힘들기 때문에 초기 설계 공간 탐색에는 적합하지 않다. 본 논문에서는 다양한 설계 공간 탐색을 위해 이와 같은 분석을 빠르고 효율적으로 수행할 수 있는 전체 차량 수준의 시뮬레이션 환경을 집중 변수 모델을 기반으로 개발한다. 상용 차량 시뮬레이터를 통해 배터리 잔존 용량에 따른 전기적 특성 및 발열 특성을 모델링하고, 배터리 내부 온도 예측을 위해 실제 물리적 구조를 고려한 열 RC 모델을 셀 수준부터 팩 수준으로 순차적으로 제작한다. 또한, 냉각 시스템은 유체의 유동을 해석하기 위하여 사용하는 검사 체적 방법을 기반으로 냉각 매질의 유속에 따른 열교환량 변화의 분석이 가능하도록 가변 저항을 사용하여 모델링한다. 개발한 통합 시뮬레이션 환경의 효용성을 보이기 위하여 배터리 팩의 설계 단계 및 냉각 시스템 운용 방법 탐색 단계에서 응용 가능한 최적화 예시를 진행한다.
