Innovation and design of the battery box for electric vehicles

본 요약은 "[Faculty of Mechanical Engineering TUL]"에서 발행한 석사 학위 논문 "[Innovation and design of the battery box for electric vehicles]"을 기반으로 합니다.

1. 개요:

• 논문 제목: Innovation and design of the battery box for electric vehicles (전기 자동차용 배터리 박스의 혁신 및 설계)
• 저자: Bc. Chyva Hout
• 발행 연도: 2024
• 발행 학술지/학회: Faculty of Mechanical Engineering TUL
• 키워드: Battery box (배터리 박스), design and innovation (설계 및 혁신), electric vehicles (전기 자동차), thermal management systems (열 관리 시스템), concepts (콘셉트), AHP (계층 분석법)

2. 초록:

본 석사 학위 논문은 전기 자동차용 신규 배터리 박스의 혁신과 설계에 중점을 둡니다. 논문의 첫 부분은 리튬 이온 배터리를 사용하는 전기 자동차의 현재 주제를 개괄하기 위한 문헌 검토로 시작하여, 열 관리 시스템 및 배터리 박스 구성 재료 선택에 대한 포괄적인 이해를 제공합니다. 또한, 첫 부분에서는 특허 및 비특허 데이터베이스에서 발견된 배터리 박스와 관련된 현재 상태 및 아이디어에 대한 정보를 조사하고 검토하는 과정도 포함합니다. 이후, 다섯 가지 개념적 설계가 개발되었으며, 각 설계에는 기술 시스템을 상세히 설명하는 설명과 스케치가 첨부되었습니다. 최종 콘셉트는 3D 모델 생성을 용이하게 하기 위해 AHP(계층 분석법) 방법을 사용하여 특정 기준에 따라 선택되었습니다. 마지막 부분에서는 인클로저 내 프리즘형 배터리 셀에 의해 생성되는 온도를 계산하기 위해 수치 시뮬레이션을 활용합니다. 본 논문에는 최종 콘셉트의 도면과 선택된 시스템 구성 요소의 부품 도면도 포함되어 있습니다.

3. 서론:

전기 자동차(EV) 산업 육성에 대한 투자는 원유 수입을 줄이고 CO2 배출을 억제하여 환경 부담을 최소화하려는 많은 정부의 주요 초점이었습니다. 정부의 광범위한 정책 지원으로 EV 산업의 성장률과 전기 자동차의 연간 생산율은 해를 거듭하며 크게 증가했습니다. 화석 연료 자동차의 내연 기관(ICE)에서 벗어나는 이러한 일반적인 추세는 전기 이동성이 가장 성숙한 대안 추진 기술이기 때문에 전기 자동차(EV)에 대한 높은 수요를 초래할 것입니다. 이러한 변화의 이면에는 EV의 변속기 시스템을 구동하는 주요 동력원인 배터리 팩과 같은 에너지 저장 시스템의 개발이 있습니다. 전기 자동차는 직렬 또는 병렬로 연결된 수천 개의 셀로 구성된 배터리 모듈로 이루어진 배터리 팩에 에너지를 저장합니다. 가장 일반적으로 사용되는 배터리는 리튬 이온 충전식 배터리입니다. 배터리 모듈 조립체로 구성된 배터리 팩은 전기 자동차의 주요 동력 전달원입니다. 전기 자동차의 실제 작동 중에 배터리 팩과 그 인클로저는 다양한 도로 경사로 인한 외부 진동 및 충격과 같은 가혹한 환경 조건에 노출됩니다. 이는 다양한 정도의 응력과 변형을 초래할 것입니다. 차량 안전은 배터리 팩의 안전에 크게 좌우되며, 이는 다시 변형 및 진동 충격에 저항하는 능력과 같은 기계적 특징에 따라 달라집니다. 또한, 차량의 주행 가능 거리를 늘리고 배터리 팩의 수명을 연장할 수 있기 때문에 경량 차량이 선호됩니다[1]. 최근에는 차량 설계 및 도로 안전 강화를 위한 배터리 팩 개발이 신중하게 검토되었습니다. R&D(연구 개발) 셀 전극 재료 및 설계, 배터리 팩의 열 설계, 새로운 충전 구성, 충전 인프라, 충전 상태(SOC) 및 건강 상태(SOH)와 같은 배터리 상태 추정을 위한 배터리 모델링 방법에 더 큰 중점을 두었습니다[2]. 기존 연구는 단락, 열 폭주 등과 같은 예기치 않은 사건을 예방하여 운전자, 차량 및 도로의 안전을 저해할 수 있는 상황을 방지하는 것을 목표로 합니다[3]. 배터리 및 배터리 팩의 주요 적은 온도입니다. 배터리의 내부 저항 반응에서 발생하는 줄 효과와 배터리의 화학 반응에 의해 생성되는 반응열로 인해 배터리 팩에 큰 열 부하가 발생합니다. 주행 중 전기 자동차에서 열을 제거할 수 없다면 배터리 성능과 수명 주기에 확실히 영향을 미치며 안전에 심각한 위험을 초래할 수도 있습니다[4]. 기존 배터리 팩 냉각 문제에 대해 연구자들은 공랭식, 액랭식, 상변화 물질 냉각 방식 등 일련의 배터리 열 관리 솔루션을 만들었습니다. 안전한 작동을 위해 배터리 온도를 50°C 미만으로 유지해야 한다고 제안되었습니다[5], [6].

배터리 팩 설계의 또 다른 기준은 가격입니다. 주요 비용은 배터리 셀과 조립 공정입니다. 배터리 셀은 실제로 배터리 제조업체에 의해 가격이 책정되는 반면, 조립 비용은 배터리 팩 설계에 따라 달라집니다. 배터리 팩 설계자는 전체 비용을 가능한 한 저렴하게 만들어야 하지만 여전히 고성능과 안전성이 요구됩니다. 재료 선택 및 부품 설계와 같은 조립 방법은 배터리 모듈 및 배터리 팩의 비용 효율성을 결정하는 데 중요합니다[7].

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

전기 자동차(EV)의 채택이 증가함에 따라 배터리 기술, 특히 배터리 박스의 설계 및 혁신에 대한 발전이 요구됩니다. 배터리 박스는 리튬 이온 배터리 팩을 수용하고 다양한 작동 조건에서 안전성, 열 안정성 및 구조적 무결성을 보장하는 중요한 구성 요소입니다. 효과적인 열 관리는 과열 및 열 폭주를 방지하는 데 가장 중요하며, 재료 선택은 무게, 비용 및 내구성에 영향을 미칩니다.

이전 연구 현황:

문헌 검토에서는 열 관리 시스템(능동 및 수동 냉각, 가열), 배터리 팩용 재료 선택(강철 및 알루미늄과 같은 금속, 플라스틱 및 복합 재료), 열 폭주 현상 및 완화(모듈 및 셀 수준의 열 장벽), 진동 절연 및 배터리 팩 배치 전략을 다루었습니다.
특허 연구에 따르면 복합 부품 사용, 유기 재료 사용, 밀봉재 및 접착 기술 사용, 폭발/충격 저항성 향상, 냉각 하위 시스템 통합, 도난 방지(고가) 배터리 개발과 같은 분야에서 활발한 개발이 이루어지고 있음이 나타났습니다. 특허에서 확인된 주요 혁신 잠재력에는 섬유 사용, 투명성, 파편화, 자동화, 맥동 및 대칭성이 포함됩니다. 중국은 EV 배터리 박스 특허 출원의 선두 국가입니다.
비특허 연구에서는 시장에 나와 있는 다양한 배터리 박스 개념과 재료가 있으며, 무게를 줄이기 위해 올바른 위치에 올바른 (종종 비금속) 재료를 사용하는 다중 재료 접근 방식이 증가하는 추세임을 보여주었습니다. 커버 및 전체 배터리 하위 시스템을 위한 모듈식 솔루션도 널리 퍼져 있습니다. 배터리 박스와 전기 자동차용 인클로저는 잠재적 성장과 안전 문제의 가장 중요한 영역 중 하나로 간주되므로 테스트 시설 개발도 중요한 혁신 기회입니다.

연구 목적:

본 석사 학위 논문의 목표는 경량 설계를 달성하는 데 주안점을 두고 전기 자동차용 신규 배터리 박스를 위한 혁신적인 설계 전략을 탐색하는 것입니다. 이는 가벼운 배터리 박스를 개발하기 위해 재료를 철저히 탐색하여 구조적 무결성이나 안전성을 저해하지 않으면서 전체 무게를 최적화하는 것을 목표로 합니다. 본 연구는 전기 자동차용 배터리 박스의 현황에 대한 심층 조사를 수행하여 기존 설계, 사용 중인 재료, 문제 영역 및 제조 공정을 탐색합니다. 이 정보를 종합하여 개선을 위한 과제와 기회를 식별하고, 배터리 박스에 대한 다섯 가지 혁신적인 개념 설계를 생성하며, 상세한 3D 모델을 만들기 위한 최상의 최종 개념을 선택하고, 최종 배터리 박스 개념의 3D 모델 내 온도 분포를 계산하고 분석하기 위해 수치 시뮬레이션 기술을 활용합니다.

핵심 연구:

핵심 연구는 여러 단계로 진행되었습니다.

1. EV 배터리 박스, 리튬 이온 배터리, 열 관리 시스템 및 재료 선택에 대한 포괄적인 문헌 검토.
2. 현재 배터리 박스 설계, 재료, 과제 및 혁신에 관한 특허 및 비특허 데이터베이스 정보 조사 및 분석.
3. EV 배터리 박스에 대한 다섯 가지 독특한 개념 설계 개발, 각 설계는 구성 설계, 재료 선택, 열 관리 전략 및 예시 스케치로 상세화.
4. 사전 정의된 기준(경량, 전기 절연, 안전성, 비용, 모듈식 설계)을 기반으로 계층 분석법(AHP)을 사용하여 최적의 개념(콘셉트 2) 선택.
5. 선택된 배터리 박스 개념(콘셉트 2)의 상세 3D 모델 생성. 이 모델은 복합 탄소 섬유 구조, 액체 냉각 기능을 갖추고 있으며 12개의 배터리 모듈(각각 10개의 삼성 SDI 94Ah 프리즘형 셀 포함)을 수용.
6. 지정된 열 경계 조건 하에서 최종 배터리 박스 개념의 3D 모델 내 온도 분포를 분석하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 사용한 유한 요소법(FEM) 수치 시뮬레이션 수행.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 다단계 과정으로 설계되었습니다.

1. 문헌 검토: EV 배터리 박스, 리튬 이온 배터리 특성, 열 관리 원리 및 재료 선택 기준에 대한 기초적인 이해를 확립합니다.
2. 현황 분석: 특허 데이터베이스(ESPACENET, USPTO, WIPO, Patent Inspiration, Google Patents, Global Dossier, Google Scholar) 및 비특허 출처(Google 검색, 제조업체 웹 페이지, 기술 기사)를 탐색하여 기존 솔루션, 동향 및 문제 영역을 식별합니다.
3. 개념 설계: 배터리 박스에 대한 다섯 가지 혁신적인 개념 설계를 생성하고, 기술 시스템을 상세히 설명하며 스케치로 예시합니다.
4. 개념 선택: 계층 분석법(AHP)을 적용하여 사전 정의된 기준에 따라 다섯 가지 개념을 평가하고 가장 유망한 설계를 선택합니다.
5. 상세 설계 및 모델링: Autodesk Inventor Professional 2022를 사용하여 선택된 배터리 박스 개념의 상세 3D 모델을 생성합니다.
6. 수치 시뮬레이션: ANSYS 소프트웨어를 통한 유한 요소법(FEM)을 활용하여 설계된 배터리 박스 내 온도 분포를 예측하기 위한 열 분석을 수행합니다.
7. 문서화: 최종 개념 및 선택된 시스템 구성 요소에 대한 도면을 준비합니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

데이터 수집:

• 문헌 검토: EV 배터리, 열 관리 및 재료와 관련된 학술 논문, 저널, 핸드북 및 컨퍼런스 자료.
• 특허 데이터베이스: ESPACENET, USPTO, WIPO, Patent Inspiration, Google Patents, Global Dossier 등 데이터베이스에서 키워드(예: "BATTERY BOX" AND (ELECTRIC) VEHICLE, "BATTERY PACK" 등) 및 부울 논리 연산자를 사용하여 검색.
• 비특허 데이터베이스: Google Scholar, 제조업체 및 사용자 웹 페이지, 기술 잡지 및 산업 보고서.

분석 방법:

• 정성적 분석: 문헌 검토 및 특허/비특허 정보 해석을 통해 동향, 과제 및 기회를 식별.
• 계층 분석법(AHP): 최종 배터리 박스 개념을 선택하기 위한 다중 기준 의사 결정에 사용. 기준의 쌍대 비교 후 각 기준에 대한 개념의 쌍대 비교 포함.
• 3D CAD 모델링: 선택된 개념의 상세 설계에 Autodesk Inventor Professional 2022 사용.
• 유한 요소법(FEM) 시뮬레이션: 정의된 경계 조건 하에서 배터리 박스 내 온도 분포를 시뮬레이션하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 정상 상태 열 분석에 사용.

연구 주제 및 범위:

주요 연구 주제는 안전성이나 구조적 무결성을 저해하지 않으면서 경량 설계를 달성하는 데 중점을 둔 전기 자동차용 신규 배터리 박스의 혁신 및 설계입니다.
연구 범위는 다음과 같습니다.

• EV 배터리 박스, 리튬 이온 배터리, 열 관리 시스템(능동, 수동, 가열, 냉각) 및 재료 선택(금속, 플라스틱, 복합 재료)에 대한 포괄적인 문헌 검토.
• 특허 및 비특허 데이터베이스에서 현재 설계, 재료, 문제 영역 및 제조 공정 탐색 및 분석.
• 배터리 박스 설계 개선을 위한 과제 및 기회 식별.
• 배터리 박스에 대한 다섯 가지 혁신적인 개념 설계 생성.
• AHP 방법을 사용한 최적 개념 선택.
• 선택된 개념의 상세 3D 모델 생성.
• 프리즘형 배터리 셀에서 발생하는 열을 고려하여 최종 배터리 박스 개념의 3D 모델 내 온도 분포를 분석하기 위한 수치 시뮬레이션(FEM).
• 최종 개념 및 선택된 시스템 구성 요소의 도면 포함.

6. 주요 결과:

주요 결과:

1. 문헌 및 데이터베이스 검토: 본 연구는 EV 배터리 박스 성능, 안전성 및 수명에 있어 열 관리 및 적절한 재료 선택의 중요한 역할을 확인했습니다. 특허 분석 결과 중국이 이 분야의 선도적인 혁신 국가임이 밝혀졌으며, 주요 개발 방향에는 복합 재료, 향상된 충격 저항성 및 통합 냉각이 포함되었습니다. 비특허 연구에서는 경량화 및 모듈화를 위한 다중 재료, 종종 비금속 접근 방식의 추세를 강조했습니다.
2. 개념 설계 및 선택: 다섯 가지 독특한 배터리 박스 개념이 개발되었습니다. 계층 분석법(AHP)을 사용하여 콘셉트 2가 추가 개발에 가장 적합한 옵션으로 선택되었으며, 경량, 전기 절연, 안전성, 비용 및 모듈식 설계를 포함한 기준에 대해 가장 높은 점수를 받았습니다.
3. 최종 설계 (콘셉트 2): 선택된 배터리 박스는 견고한 강도, 충격 저항성 및 내구성을 유지하면서 상당한 무게 감소를 달성하기 위해 복합 재료(특히 탄소 섬유)를 사용하여 설계되었습니다. 열 관리 시스템은 알루미늄 액체 냉각판과 열전도율 1W/m.K의 열 패드 등급 실리콘을 통합합니다. 이 박스는 각각 10개의 삼성 SDI 94Ah 프리즘형 배터리 셀을 포함하는 12개의 배터리 모듈을 수용하도록 설계되어 총 120개의 셀과 41.4kWh의 에너지 용량을 갖습니다.
4. FEM 시뮬레이션 결과: 지정된 경계 조건(배터리 셀 최고 온도 50°C, 주변 온도 22°C, 외부 온도 20°C, 냉각수 온도 16.5°C) 하에서 콘셉트 2의 수치 시뮬레이션 결과는 다음과 같습니다.
   • 배터리 인클로저의 내부 온도는 최대 54°C에서 최소 4.5506°C 범위입니다.
   • 배터리 박스 외부에서 관찰된 최고 온도는 23.333°C였습니다.
   • 가장 높은 온도 필드는 배터리 셀과의 직접적인 상호 작용으로 인해 배터리 모듈 내에 있었습니다.
   • 냉각판 통합은 모듈 내 온도를 최고 54°C에서 효과적으로 낮추어 배터리 박스 하단부에서 약 28°C로 안정화되었습니다.
   • 열 패드는 모듈 내에 수용된 배터리 셀 간의 열전도율을 성공적으로 차단했습니다.

그림 이름 목록:

• Figure 1 : Sources of heat in a lithium-ion battery [8]
• Figure 2 : Lithium-ion cell temperature ranges [8]
• Figure 3 : HEV temperature example [8]
• Figure 4 : Active air cooling schematic [8]
• Figure 5 : Passive air cooling schematic [8]
• Figure 6 : Liquid cooling plates [8]
• Figure 7 : Heat sink fins [8]
• Figure 8 : All cell phase change composite (PCC™) material [8]
• Figure 9 : A robust battery pack with one battery module in each compartment [10]
• Figure 10 : A cylindrical battery cell assembly with cell spacers [11]
• Figure 11 : Nissan Leaf battery pack [14]
• Figure 12 : Placement of lithium ion battery pack in Nissan Leaf [15]
• Figure 13 : Number of patent documents over time (QUERY: "BATTERY BOX" AND VEHICLE, 1981 documents, 1 per patent family) [18]
• Figure 14 : Geographical analysis of applicants for patent documents (QUERY: "BATTERY BOX" AND VEHICLE, 1981 documents, 1 per patent family) [18]
• Figure 15 : Document CN213782095U [19]
• Figure 16 : Document US2021323418A1 [19]
• Figure 17 : Document US2021305544A1 [19]
• Figure 18 : Document KR20210036205A [19]
• Figure 19 : Document KR101289562B1 [19]
• Figure 20 : Document US2021260978A1 [19]
• Figure 21 : Document CN113314783A [19]
• Figure 22 : Document CN213936386U [19]
• Figure 23 : Materials cited in patent documents (QUERY: "BATTERY BOX" AND VEHICLE, 1981 documents, 1 per patent family) [18]
• Figure 24 : Number of patent documents for each material [18]
• Figure 25 : Problem areas cited in patent documents (QUERY: "BATTERY BOX" AND VEHICLE, 1981 documents, 1 per patent family) [18]
• Figure 26 : Number of patent documents for each problem [18]
• Figure 27 : Evolutionary potential analysis in patent documents (QUERY: "BATTERY BOX" AND VEHICLE, 1981 documents, 1 per patent family) [18]
• Figure 28 : Current technical solutions for battery boxes [20]
• Figure 29 : Multi-material battery enclosure from LION Smart [21]
• Figure 30 : Battery box from TRB group [22]
• Figure 31 : An exploded view of CSP's multi-material battery enclosure [23]
• Figure 32 : VARI technology for carbon fiber battery box [24]
• Figure 33 : Kautex Textron and Lanxess all plastic battery housing [25]
• Figure 34 : Battery box from SABIC concept [26]
• Figure 35 : Concept 1
• Figure 36 : Concept 2
• Figure 37 : Concept 3
• Figure 38 : Concept 4
• Figure 39 : Concept 5
• Figure 40 : Battery box from composite material
• Figure 41 : Battery box body from composite material
• Figure 42 : Components inside the battery box
• Figure 43 : Battery module
• Figure 44 : Components inside the battery module
• Figure 45 : Crash structure
• Figure 46 : Cooling plate
• Figure 47 : Model with distinct materials assigned to different parts in ANSYS
• Figure 48 : The boundary condition for Samsung battery SDI 94 Ah
• Figure 49 : The boundary condition for environment convection
• Figure 50 : The boundary condition for the temperature outside the battery box
• Figure 51 : The boundary condition for the coolant temperature
• Figure 52 : Mesh generation
• Figure 53 : The temperature field outside the battery modules with the cooling system
• Figure 54 : The temperature field of the upper surface cooling plate contact with battery modules
• Figure 55 : The temperature field of the lower surface cooling plate contact with battery modules
• Figure 56 : The temperature field inside the battery box
• Figure 57 : The temperature field of cross-section inside the battery box
• Figure 58 : The temperature field of the thermal pad between battery cells

7. 결론:

본 석사 학위 논문은 전기 자동차용 신규 배터리 박스의 혁신과 설계에 중점을 두었으며, 주요 목표는 경량 설계를 실현하는 것이었습니다. 이는 탄력 있고 기능적이며 현저하게 가벼운 배터리 박스를 구성하기 위한 재료에 대한 포괄적인 조사를 통해 부지런히 추구되었습니다.
작업의 초기 부분은 리튬 이온 배터리를 사용하는 전기 자동차(EV) 배터리 박스에 대한 철저한 문헌 검토를 포함했으며, 열 관리 및 재료 선택을 강조했습니다. 주요 측면에는 배터리 성능 및 안전을 위한 열 관리의 중요성, 열 발생에 영향을 미치는 요인, 현재 열 관리 솔루션이 포함되었습니다. 본 연구는 또한 특허 및 비특허 데이터베이스에서 현재 상태와 혁신적인 아이디어를 탐색했으며, 중국의 상당한 특허 활동과 무게 감소를 위한 다중 재료(종종 비금속) 접근 방식의 시장 동향을 언급했습니다.
이 검토 및 정보 수집에 이어 다섯 가지 개념 설계가 개발되었습니다. 분석 계층 프로세스(AHP)를 분석에 사용하여 콘셉트 2를 선호하는 선택으로 결정했습니다.
콘셉트 2의 배터리 박스는 견고한 강도를 유지하면서 무게를 줄이기 위해 복합 재료, 특히 탄소 섬유로 설계되었습니다. 우수한 충격 저항성, 효과적인 열전도율, 내구성 및 긴 수명을 나타냅니다. 열 관리 시스템에는 알루미늄 액체 냉각판과 열 패드 등급 실리콘(열전도율 1W/m.K)이 포함됩니다. 팩에는 각각 10개의 삼성 SDI 94Ah 배터리 셀이 있는 12개의 배터리 모듈이 있으며, 총 120개의 셀과 41.4kWh의 에너지 용량을 갖습니다.
콘셉트 2에 대한 시뮬레이션 결과, 지정된 경계 조건(배터리 셀 온도를 최고 50°C로 설정) 하에서 내부 온도는 최대 54°C에서 최소 4.5506°C 범위였습니다. 외부 최고 온도는 23.333°C였습니다. 가장 높은 온도 필드는 주로 셀과의 직접적인 상호 작용으로 인해 배터리 모듈 내에 있었습니다. 냉각판 통합은 효율적이었으며, 모듈의 최고 온도 54°C를 배터리 박스 하단부에서 안정화된 28°C로 낮추었습니다. 또한, 열 패드를 포함하면 모듈 내 배터리 셀 간의 열전도율을 효과적으로 방해했습니다.

8. 참고문헌:

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• [24] Research on the design process of car carbon fiber battery box. Available from: https://inf.news/en/auto/fbf1bf8682c2157db3a0e9f9ee97d716.html.
• [25] Kautex Textron and specialty chemical manufacturer Lanxess collaborated in a demonstration project to develop an all-plastic EV battery housing. Available from: https://www.plasticsmachinerymanufacturing.com/injectionmolding/article/21254768/plastics-trim-ev-batteries-weight-boost-safety.
• [26] Glass-Fiber PP EV Battery Pack Could Debut in 2024. Available from: https://www.plasticstoday.com/automotive-mobility/glass-fiber-pp-ev-battery-pack-could-debut-in-2024.

9. 저작권:

• 본 자료는 "Bc. Chyva Hout"의 논문입니다. "[Innovation and design of the battery box for electric vehicles]"을 기반으로 합니다.
• 논문 출처: Master Thesis, Faculty of Mechanical Engineering TUL (문서에 DOI 제공되지 않음)

본 자료는 위 논문을 바탕으로 요약되었으며, 상업적 목적의 무단 사용을 금합니다.
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