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물류로봇용 리튬 이온 배터리 모듈의 공랭식 냉각 시스템의 개발 및 분석

Development and Analysis of Air-cooling System for Lithium-Ion Battery Module for Logistics Robots

  • 김종운 (아주대학교 공학대학원)

초록/요약

본 연구는 물류로봇의 배터리 냉각방식 보완에 목표를 두고 있으며 배터리 냉각 시스템의 현실적 측면에서 접근하였다. 물류 로봇은 제조현장, 물류센터, 식당 등 광범위하게 사용되고 있으며 로봇 특성상 무게와 제한된 공간에 배터리를 선정하여 설계해야만 한다. 한편, 한정된 공간 내에 배터리 적재가 가능해야 하므로 부피당 에너지 밀도가 높은 고용량의 배터리팩 제작이 필요하며 배터리는 충전과 방전을 하면 필연적으로 발열되고 발생한 열에 의해 배터리의 수명을 감소시키거나 배터리의 비정상적인 발열로 화재를 일으킨다. 따라서 안전과 수명을 늘리기 위해 배터리 냉각이 필요하므로 배터리 모듈제작에 꼭 냉각장치를 구현해야 한다. 이번 논문에서 물류 로봇용 배터리 모듈을 설계하고 시험샘플이 실제 현장에서 즉시 사용할 수 있도록 설계하고 배터리 모듈을 만드는 과정과 시험결과를 확인하 였다. 배터리 모듈제작 과정 중에 내부저항검사, 배터리 용접, 인장시험, 충방전 테스트와 같이 산업현장에서 배터리 모듈 제작하는 방식과 동일하게 진행하였 는데 이 시험에서는 방전량에 따른 온도 변화를 두 가지로 구분하였다. 첫 번째는 자연냉각으로 배터리의 발열을 냉각장치가 없는 상태로 방치하는 것으로 배터리의 온도상승을 확인하고 화재의 위험성을 확인하였다. 두 번째는 FAN냉각으로 강제로 외기를 배터리에 주입하여 자연냉각과 비교하여 온도변화를 확인하였다. 이후 시험 결과는 각 C-rate별 비교 분석하여 결과를 기록하고 FAN을 적용한 배터리 모듈의 강제 냉각효과를 확인하여 성능에 대해 분석하고 온도 값을 도출하였다. 다른 논문에서는 개별배터리 셀에서 모듈 단위까지의 제작과정과 단계별 배터리의 품질시험을 작성한 논문은 없었고 이번 논문에서 처음으로 배터리 모듈의 제작 과정을 설계부터 방전시험까지 세세하게 시험하면서 배터리 모듈을 조금 더 이해하고 개발하는 데 도움을 주고자 하였다. 이번 시험에서 냉각장치(FAN)를 적용한 배터리 모듈과 냉각장치가 없는 배터리 모듈(자연냉각) 내부의 온도는 확연하게 구분되었는데 배터리의 방전량이 많으면 배터리의 온도 값에 큰 영향을 미치고 냉각과 비냉각 배터리를 각각 1.5C 방전하면 비냉각 모듈은 최고 59.25℃까지 급상승하였다. 그러나 FAN을 적용한 배터리 모듈은 최고 37.05℃로 냉각 효과를 확인하고 각각의 온도시험 편차는 22.2℃로 Fan을 적용한 강제냉각 효과의 필요를 증명하고 이 결과를 토대로 FAN을 통한 공랭 시스템의 냉각방식이 배터리 모듈에 확실한 효과가 있음을 확인하였다.

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목차

서론 11
1. 연구의 배경 11
2. 물류용 배터리 구조 13
2.1 리튬 이온 배터리 셀 구분 13
2.2 배터리 모듈 구조 15
2.3 배터리 팩 구조 15
2.4 배터리 냉각 16
3. 배터리 연구 동향 17
3.1 BMS 컨트롤 17
3.2 배터리 냉각 시스템 18
3.3 배터리 소화장치 18
4. 타 연구와 차이점 19
5. 연구목적 19
본론 21
6. 연구방법과 연구내용 21
6.1 목표 방열 온도 설정 23
6.2 시험 예시 24
6.3 온도 센서 설치 위치 25
6.4 모듈 설계안 26
6.5 용접 모듈제작 절차 29
6.6 배터리 용접 30
7. 배터리 검사 31
7.1 Cell 단위 방전시험 32
7.2 내부 저항 측정 33
7.3 용접 검사(인장검사기) 35
7.4 용접 검사(현미경) 37
8. 시제품 조립 39
8.1 시제품 조립(조립 전개) 39
8.2 배터리 모듈 시험방법 40
8.3 배터리팩 충방전 test 41
9. 충방전 연구 결과와 토의 49
결론 51
참고 문헌 52

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