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Busbar 전열 해석? 이젠 BeHAP으로 끝!

김재원 매니저
태성에스엔이
jwkim21@tsne.co.kr

Busbar 전열 해석? 이젠 BeHAP으로 끝!

배터리는 크게 셀, 모듈, 팩 순으로 구성된다. 셀과 셀 또는 모듈과 모듈사이의 전력 이송을 담당하는 부품이 있다. 이것의 명칭을 Busbar라고 한다. Busbar는 전선과 동일한 역할을 하지만 전선 대비 장점으로는 단면적이 넓기 때문에 Electric 효율이 높으며, 동일한 전류가 흐를때에는 전류밀도가 낮기에 발열량 또한 적어 관리가 용이하다. 위와 같은 장점을 극대화하고 Busbar의 최적설계를 도출하기 위해 많은 연구들이 진행되고 있다. 그 중, 해석적으로는 형상, 재질 그리고 전류량 등을 고려한 연구가 많이 진행되고 있다. 해석적인 접근 방법을 알아보기 위하여 본 호에서는 Ansys Mechanical을 사용한 전열 해석 프로세스를 설명하고 이를 자동화시킨 Busbar 전열 해석 자동화 프로그램에 대해 소개를 진행한다.

서론

전기차에는 고전압 배터리가 탑재된다. 고전압 배터리는 고밀도 상태의 에너지를 저장할 수 있으며, 에너지를 저장하기 위해 다수의 이차전지로 구성된다. 한 개의 이차전지를 셀이라고 칭하며, 여러 개의 셀을 직, 병렬로 묶어 배터리 모듈로 만든다. 여러 개의 모듈을 하나의 팩으로 만들어 이를 차량 하단부에 장착한다. 여기서 배터리 셀 또는 모듈 사이에 전력을 효과적으로 이송하기 위하여 버스바가 사용된다.

이번 호에서는 전열 해석에 필요한 수치 모델과 Ansys Mechanical 상에서 버스바 전열 해석을 진행하는 방법에 대하여 알아볼 것이다. 추가적으로 버스바 전열 해석의 경우, 버스바 최적설계를 도출하기 위해 많은 해석이 필요하다. 그러나 반복적인 해석을 진행해야 함에 따라 업무 효율성이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자 버스바 전열 해석 자동화 프로그램인 BeHAP을 제작하였으며, 이에 대한 소개 및 사용 방법에 대하여 설명한다.

Busbar 소개

앞서 소개한 내용과 같이 Busbar는 배터리 셀 또는 모듈간의 전력 이송을 위해 사용된다. 기능적으로는 전선과 동일한 역할을 한다.

[그림 1] 전선과 버스바 단면 형상

구리의 단면적이 증가함에 따라 전류 밀도가 줄어드는 효과가 있으며, 전류 밀도가 줄어들게 되면 발열량도 같이 낮아지게 된다. 이러한 이점은 발열량 관리뿐만 아니라 열 변형과 같은 구조 안정성도 같이 확보할 수 있다.

Joule-Heating?

전류에 의한 발열량을 평가하기 위해서는 전열(Joule-Heating) 해석이 필요하며, 해당 수치 모델의 단위 체적당 발열량에 대한 이해가 필요하다. 그 공식은 아래와 같다.

단위 체적당 발열량 공식은 재료의 물성인 전기 저항()과 전류 밀도(?J">J )의 제곱을 곱하여 계산된다. 전기 저항은 재료 특성이며, 전류 밀도는 단면에 흐르는 전류의 양을 뜻한다. 여기서 전류의 값은 사용자가 입력하는 경계 조건이 되기에 결국 전류 밀도를 결정 짓는 파라미터는 단면적이 된다. 따라서 버스바의 열 관리를 위해 설계자가 수정할 수 있는 파라미터는 단면적이 된다는 것을 알 수 있다.

Ansys를 이용한 전열 해석 프로세스

Ansys Mechanical을 이용한 전열 해석 프로세스에 대하여 설명을 진행하기에 앞서 전열 해석을 지원하는 시스템에 대하여 알아보고자 한다.

Ansys Workbench에서 전열 해석을 지원하는 해석 시스템은 총 3가지가 존재한다.

[그림 2] Electric-Transient Thermal 연성 해석

첫 번째는 Electric-Transient Thermal 연성 해석 시스템을 구축하여 해석을 진행하는 방식이 있다.

먼저, Electric 해석에서 전류 밀도를 계산한다. 이것을 열 해석 시스템을 불러와 경계 조건으로 사용하며, 이를 통하여 발열을 계산하는 순서로 진행한다. 위와 같이 해석 시스템을 구성하면, 각 해석 시스템에서 지원하는 모든 경계 조건을 사용할 수 있는 장점이 있다.

[그림 3] Thermal-Electric 해석 시스템 구성

다음으로는 Thermal-Electric Analysis로 하나의 해석 시스템에서 전류의 흐름과 발열을 동시에 계산할 수 있다.

[그림 4] Coupled Field Transient 해석 시스템 구성

마지막은 Coupled Field Transient Analysis이다. Coupled Field 해석 시스템은 시간에 따른 전류 밀도와 발열량 계산하는 해석 시스템이며, 전기-열 해석만이 아니라 전기-열-구조 해석도 하나의 해석 시스템 내에서 진행할 수 있다. 전열로 인한 Busbar의 구조 안정성을 평가하는 사용자에게 더 적합한 해석 시스템으로 Ansys 2023R1부터 지원한다.

앞서 설명한 해석 시스템 중 Thermal-Electric 해석 시스템에서 Busbar 전열 해석의 전체적인 프로세스를 알아보고 이를 활용한 자동화 프로그램을 소개하겠다.

[그림 5] Electric 해석을 위한 경계 조건

[그림 6] 전류 프로파일

Electric 해석을 진행하기 위해서는 그림 5와 같이 경계조건을 전류와 전압으로 설정한다.

배터리 충/방전 동안 시간에 따라 변화되는 전류량을 수치적으로 모사하기 위하여 그림 6과 같이 프로파일 형태의 전류를 입력한다.

다음은 열 해석에 대한 경계조건으로 외기 상황을 고려하여 대류 조건을 정의한다. 대류 조건은 주변 온도와 대류 계수를 외기 상황에 맞게 정의하게 된다.

[그림 7] 대류 조건 설정

위의 경계조건을 정의하여 해석을 진행하여, 전류 밀도와 온도 분포 등과 같은 결과를 분석한다.

[그림 8] 전열 해석 결과

버스바 전열 해석 자동화 프로그램(BeHAP)

앞서 설명한 것과 같이 기본적으로 전열 해석은 Electric 해석과 발열 해석의 연성 해석으로 진행되기 때문에 다양한 환경을 거쳐 진행되게 된다. 그 과정은 다음과 같다.

[그림 9] Ansys 환경에서의 전열 해석 프로세스

위의 그림처럼 Workbench, Mechanical 등 여러 환경에서 진입하여 전/후처리를 진행하기 때문에 해석 워크 플로우가 복잡해지는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, BeHAP(버스바 전열 해석 자동화 프로그램)을 개발하였다.

[그림 10] BeHAP에서의 전열 해석 프로세스

BeHAP은 하나의 환경에서 전/후처리를 한 번에 할 수 있다는 장점이 있다. 해석 워크 플로우를 단순화하였기 때문에 해석 숙련도가 낮은 설계 엔지니어도 쉽게 사용할 수 있다.

[그림 11] BeHAP 화면 구성(Step. 1)

BeHAP의 화면 구성은 크게 매뉴얼, 해석 프로세스 탭, 설정 버튼으로 구성되어 있다. 해석 프로세스 탭은 그림 11에서 표기된 바와 같이 모델링(Modeling), 물성(Material), 경계 및 해석 조건(Analysis Setting), 결과(Results) 순으로 되어 있고 각 스텝을 순차적으로 진행하면 된다.

[그림 12] 버튼 색상에 따른 상태

설정 버튼은 버튼 색상에 따라 상태를 바로 확인할 수 있다. 현재 설정이 필요한 부분의 색상은 노란색으로 표시되며, 설정이 완료된 부분은 초록색으로 표시된다. 그렇기 때문에 한 스텝 내부에서 설정 순서를 버튼의 색상을 통하여 확인할 수 있다. 작업이 진행 중 일때에는 버튼의 색상이 붉은 색으로, 그 외의 미설정 부분은 하얀색으로 표시된다.

BeHAP을 통한 해석 프로세스에 대하여 순차적으로 설명하면 첫번째 스텝에서는 작업 경로와 해석 모델을 불러온다. Working Directory에서는 프로젝트 파일(*.wbpj)의 저장 경로를 설정하는 부분이고 Model은 해석 모델(CAD 파일)을 불러오는 곳이다. 해석 모델은 SCDM을 통해 불러오기 때문에 SCDM에서 지원하는 모든 설계 확장자를 불러올 수 있다.

[그림 13] 버스바 형상 분류

버스바의 형상은 그림 13처럼 단일 모델로 된 싱글 파트, 여러 개의 바디로 구성된 멀티 바디 파트, 여러 개의 버스바로 구성된 어셈블리 모델을 모두 지원한다.

[그림 14] 해석 모델 설정 방법

해석 모델을 불러오고 난 후 CAD 모델에 대한 추가 설정들이 필요하다. 그 내용은 그림 14와 같다.

화면에서 Start 버튼을 눌러 SCDM에 실행한 후(①) 전류 및 접지가 정의되는 부분의 파트를 정의한다. (②)

이 때, 전류가 인가되는 파트의 이름은 Current, 접지되는 파트의 이름은 Ground로 변경해야 한다. (③)

그 후, Electric이 이루어지는 버스바 라인과 버스바 라인에 속해 있는 Current, Ground 파트를 한 개의 Component로 묶어야 한다.(④) 그리고 Component 내 Share Topology 옵션을 Group으로 설정하면 된다. (⑤)

설정이 모두 완료된 후 SCDM을 나오면 팝업창으로 ‘설정이 완료되었습니다’라는 안내와 함께 자동으로 두 번째 스텝인 Material 탭으로 넘어가게 된다.

[그림 15] Step. 2 화면 구성

[그림 16] 신규 물성 추가 프로세스

물성 확인 및 신규 물성을 추가하는 창에서는 기본적으로 Copper(C1100)에 대한 물성을 제공하고 있으며, 이 물성을 사용자가 수정할 수 있다.

만약, Copper 외 타 물성을 사용하기 위해서는 Add Material 버튼을 눌러 새롭게 추가할 물성의 이름을 넣은 후 밀도, 열 전도도, 비열, 비저항을 입력하면 추가한 물성을 해석에 반영시킬 수 있다.

[그림 17] 파트 별 물성 정의

파트 별 물성 적용 창에서는 가장 먼저 Load Data 버튼을 눌러 앞에서 정의한 CAD 파일에서 파트 리스트를 불러온 후(①) 각 파트 별 물성을 적용한 후(②) Apply 버튼을 눌러 데이터를 저장한다.(③)

[그림 18] 접촉 저항 입력부

[그림 19] Step. 3 화면 구성

세번째 스텝에서는 해석과 관련된 조건들을 설정하는 부분으로 해석 타입, 전류 프로파일 등을 설정한다.

[그림 20] 해석 및 경계 조건 설정

먼저, 해석 타입 설정을 해주어야 하는데 해석 타입은 정상 상태(Steady-State) 그리고 과도(Transient) 해석 중 한 개를 택할 수 있으며, 시간에 따른 온도 변화를 확인하기 위해서는 과도 해석을 선택해야 한다.

그 다음은 해석 시스템의 초기 온도(Initial Temperature)를 설정한다. 초기 온도를 설정한 후에는 대류 조건을 부여하기 위하여 외부 온도(Ambient Temperature)와 열전달 계수(Film Coefficient)를 정의해야 한다.

그리고 해석에 필요한 CPU 코어 개수를 설정할 수 있는데 기본적으로 4코어를 사용할 수 있으며, HPC 라이선스 유/무에 따라 최대로 사용할 수 있는 코어 개수는 달라진다.

그 다음으로 전류 프로파일을 설정해야 하는데, 전류가 일정하게 들어가는 정격 전류부터 시간에 따라 전류가 변화되는 프로파일까지 모두 입력이 가능하다. 그림 21과 같이 Current Profile이라고 적혀진 표에 전류 값을 기입하면 Current Profile Graph창에 그래프가 표기되어 오기입하는 것을 방지하였다.

[그림 21] 전류 프로파일 설정

[그림 22] 엑셀을 이용한 전류 프로파일 설정

또한, 그림 22와 같이 엑셀을 통하여 전류 프로파일을 불러오거나 저장할 수 있는 기능을 지원한다. 엑셀에서 전류 프로파일을 불러올 때에는 다음과 같은 규칙으로 작성해야 한다. 첫번째 열은 시간을 입력하고 두번째 열에서는 전류값을 입력해 저장해두면 전류 프로파일을 프로그램 상으로 불러올 수 있다.

[그림 23] Loadstep 증분량에 따른 Substep 정의

해석상에서 설정된 전류가 적용되는 단계들을 Loadstep이라고 명칭하는데, Loadstep간 시간 증분이 10초 미만이면, 중간 수렴 단계인 Substep을 10개 설정되게 해놓았으며, 시간 증분이 10초 이상일때는 매 10초마다 Substep이 생성되게 설정하였다.

[그림 24] Substep 사용자 정의 방법

만약, 사용자가 Loadstep별 Substep 개수를 수정하고 싶을 때에는 그림 24와 같이 Substep(Optional)버튼을 눌러 전류 프로파일 표 세번째 열에 Substep의 개수를 입력하면 된다.

[그림 25] Solving 버튼 색상 변경

모든 설정이 끝난 후엔 Solve 버튼을 눌러 해석을 진행시키면 되며, Solve 버튼 대신 단축키 F5를 눌러도 해석이 진행된다. 해석이 모두 완료되면 버튼 색상이 초록색으로 변경되고 마지막 스텝인 결과로 이동하게 된다.

[그림 26] Step. 4 화면 구성

마지막 스텝(Step. 4)인 결과 탭에서는 해석 결과를 확인하는 창과 결과 플롯 옵션을 설정하는 부분으로 나뉘어 있다.

[그림 27] 결과 플롯 Main Option

BeHAP에서 확인할 수 있는 결과는 온도와 전류 밀도이다. Main Option에서 2개의 결과 중 하나를 선택하여 확인할 수 있으며, 결과를 Contour와 Graph로 확인할 수 있다.

[그림 28] BeHAP 결과 출력

그림 28와 같이 Contour 버튼을 누르면 마지막 스텝에서의 결과를 출력해 주며, 전류 밀도의 경우에는 Vector를 같이 표기한다. Contour를 통해 출력되는 결과들은 실시간 뷰를 지원하기 때문에 3D로 결과를 확인해 볼 수 있다는 장점이 있다. Graph 버튼을 누를 시에는 최고 온도 또는 최대 전류 밀도를 기반으로 Result ? Time Graph를 확인할 수 있다.

[그림 29] 결과 상세 설정 방법

Detail Option에서는 설정된 상세 옵션에 따른 결과 확인이 가능하며, 크게 Part와 Time을 설정하여 결과를 다시 출력해 준다. Part는 특정 파트에서의 결과를 확인할 때 사용하며, 어셈블리 모델을 사용했을 때에만 사용이 가능하다. Time은 Loadstep이나 Substep 별 시간을 설정할 수 있다. 위 방식에 따라 Part와 Time을 설정한 후 Retrieve 버튼을 누르면 결과가 출력된다.