Ansys LS-DYNA EM solver를 이용한 Battery 해석 : Battery Analysis with Ansys LS-DYNA EM solver
최근 자동차 분야에서 가장 화두가 된 내용은 전기자동차가 될 것입니다. 대기오염물질과 온실가스를 배출하지 않고 소음도 거의 일으키지 않으며, 여러가지 환경 문제를 해결할 수 있기 때문입니다.
2000내 이후 다양한 형태의 전기자동차가 출시되었으며, 향후 단계적으로 내연기관 자동차를 대할 것으로 예상됩니다. 또한 자율주행 도입 및 성장은 전기자동차 수요에 직접적인 영향을 미칠 것으로 예상할 수 있습니다.
전기자동차의 시장 규모는 매년 급격하게 성장하고 있으며, 전세계 전기자동차 시장 규모는 연평균 약 30% 이상 성장하고 있으며, 국내에서도 약 36% 이상 성장하고 있습니다.
전기자동차의 성장과 함께 배터리의 수요도 증가하고 있으며, 리튬이온 배터리의 경우 2016년 21GWh에서2030년에는 1300GWh로 약 60배 이상 증가할 것으로 예상하고 있습니다.
전기 자동차 배터리 특성
전기자동차용 배터리로 가벼우면서 에너지 밀도가 높은 리튬이온 베터리가 가장 많이 사용되고 있습니다.
리튬이온 배터리는 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성되어 있으며, 충전 시 외부에서 전기에너지를 가하면 리튬이온이 전해질을 통해 음극제로 이동하면서 전기를 저장하게 되고, 방전시에는 음극에 모인 리튬이온이 전해질을 통해 양극으로 이동하면서 리튬이온이 잃은 전자가 외부 도선을 통해 양극으로 이동하면서 전기에너지가 만들어지는 원리입니다.
이런 리튬이온 배터리에 가장 큰 단점은 차량의 충전, 운행, 사고등의 영향으로 차량 화재가 발생할 수 있으며, 리튬이온 배터리는 열과 충격에 취약하여 고온에 노출되거나 충격에 의하여 발화, 폭발되는 위험성을 가지고 있습니다.
또한 배터리의 에너지 밀도가 커짐에 따라 화재와 폭발 사고도 증가하고 있으며, 최근 전지의 안정성 강화를 위한 다양한 연구가 진행 중입니다.
전기 자동차 배터리 해석 모델 구성의 필요성
리튬이온 배터리의 열 폭발 위험성을 예측하기 위해 해석이 필요하며, 다양한 해석 기법이 개발되고 있습니다.
다중 물리해석 기법 (Multi Physics Method)을 이용해 각 소재 (양극, 음극, 전해질, 분리막)의 구성 및 전기적, 열적 특성을 구현할 수 있으며, 충전, 방전 및 외부 충격에 의한 단락(short)에 의한 열 폭주 현상을 분석할 수 있습니다. 이런 배터리 해석을 통해 배터리의 냉각, 단락 방지, 폭발시간 지연 등의 안정성을 확보할 수 있습니다.
Ansys LS-DYNA에서는 화학-전기적 특성을 등가회로(Randle Circuit)로 구성하여 충전, 방전, 외부 단락, 내부 단락을 구현할 수 있습니다. 이를 통해 cell의 전기적 특성, 발열 등에 대한 정확한 구현이 가능하며, 전압 및 전류를 측정하여 cell의 입/출력 특성을 얻을 수 있으며, 외부 회로의 전기적 특성을 부여할 수 있습니다.
Ansys LS-DYNA Battery Model 구성
Ansys LS-DYNA에서 제공되는 LS-PREPOST를 이용하여 배터리 모델을 쉽게 구성할 수 있으며, 등가회로(Randle Circuit)를 설정하고, 충전, 방전, 내/외부 단락 등 다양한 전기적 환경을 구현할 수 있습니다.
리튬이온 배터리의 5가지 part인 CCP, PosEL, Separator, NegEL, CCN을 모델링하고, CCP-CCN의 node를 기준으로 등가회로를 정의합니다. TAB을 구성하여 +, – 단자를 설정하고 이를 통해 충전, 방전 조건을 부여 할 수 있습니다.
Ansys LS-DYNA의 배터리 설정방법
Ansys LS-DYNA에서 4가지 방법으로 배터리를 설정할 수 있으며, 배터리의 구성요소, 사용 목적에 따라 적용 할 수 있습니다.
(1) Solid element Model : CELL 단위 (Internal / external short)
– 모든 layer를 각각의 part로 구분하여 solid 요소로 모델링 (각 물성정의)
– Structure, thermal, EM 모두 동일한 mesh 모델 적용
– Timestep이 작고 mesh quality에 영향을 받음.
(2) Composite Tshell Model : CELL / Module 단위 ( Internal / external short )
– Composite Tshell을 이용하여 각 layer를 하나의 요소로 간단히 모델링
– Structure, thermal, EM 모두 동일한 mesh 모델 적용하고, 세부 변형을 구현
– 모델 단순화로 요수수가 적고 tiemestep을 크게 설정하여 해석 시간 단축
(3) Batmac Model : Pack / Battery 단위 (Internal / external short)
– Structure, thermal, EM을 하나 또는 몇 개의 solid 요소로 구현
– 각 node에 2개의 필드 (+, – current collector) 설정
(4) Meshless Model : Module / Pack / Battery 단위 ( External short only )
– 전체 cell에 대한 단일 등가 회로 ( lumped model)
Ansys LS-DYNA의 배터리 모델 선택 방법을 정리하면 아래와 같습니다.
Ansys LS-DYNA의 배터리 적용 사례
사례 #1
10개 cell로 구성된 배터리 모듈에 원형 구를 충돌시킨 모델입니다. 충돌 시 내부 단락이 발생되며, 단락에 의해 급격한 전류의 흐름으로 열이 발생되는 현상을 구현한 사례입니다.
사례 #2
Ansys LS-DYNA Batmac 모델을 이용한 충돌 사례입니다. 배터리가 외부의 충격에 의해 변형이 발생할 경우 배터리 내부의 단락을 구현할 수 있으며, 전기자동차가 충돌 할 경우 발생할 수 있는 사례 입니다.
Ansys LS-DYNA의 해석 고찰
Ansys LS-DYNA를 이용하여 다양한 형태의 배터리를 모델링 하고 조건을 부여할 수 있으며, 충전, 방전, 내/외부 단락 등 외부 환경에 따른 전류의 흐름, 열 폭주 등의 결과를 확인 할 수 있습니다.
LS-PREPOST의 battery 기능을 이용하여 파우치형의 모델을 쉽게 구성할 수 있으며, 각 layer별 특성을 정의할 수 있습니다. 또한 Randle circuit 및 Isopotential connection으로 배터리의 전기적 특성을 정의할 수 있으며, Thermal 조건을 추가하여 열적 특성을 고려할 수 있습니다.
Ansys LS-DYNA가 가지고 있던 고유의 기능인 비선형 충돌 해석 기능과 접목하여 다양한 자동차 충돌 시 배터리에 가해지는 영향을 분석 할 수 있으며, 배터리의 외부 요인에 의한 열적 특성을 해석을 통해 구현 할 수 있습니다.
