시뮬리아 아바쿠스와 아이사이트를 활용한 배터리 시뮬레이션
전기자동차 배터리 셀 구조해석용 등가물성 도출
최근 전기차, 수소전기차와 같은 친환경 자동차의 필요성이 증가함에 따라 배터리 성능에 대한 요구사항 역시 크게 증가하고 있다. 특히, 차량 충돌해석과 같은 대단위 해석 모델에서는 연산 비용 감소를 위한 배터리 셀 젤리롤의 등가물성에 대한 연구가 이루어지고 있다.
이번 호에서는 시뮬리아 아바쿠스(SIMULIA Abaqus)와 아이사이트(Isight)를 활용하여 젤리롤의 등가물성을 도출한 사례를 소개한다.
■ 강주연
다쏘시스템의 SIMULIA Tech Sales 팀에서 근무하고 있다. 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학부를 졸업하였으며, 석사과정 동안 유한요소해석을 활용한 균열의 응력확대계수 계산 연구를 수행하였다.
이메일 | Juyeon.KANG@3ds.com
■ 임영빈
다쏘시스템의 APAC SIMULIA support team에서 근무하고 있다. 서강대학교에서 기계공학 학부 및 석사과정을 마쳤으며, 석사과정 동안 유한요소해석을 활용한 초음파 피닝 잔류응력 예측 모델을 연구했다.
이메일 | Youngbin.LIM@3ds.com
링크드인 | www.linkedin.com/in/lyb0684
배터리의 안정성은 전기자동차의 다른 성능보다 우선적으로 보장되어야 하며, 특히 차량 충돌과 같은 극한 상황에서도 차량 배터리는 구조적 건전성을 가져야 한다. 이에 따라 구조해석을 통한 안정성 평가가 필수적이나, 젤리롤의 복잡한 구조 및 재료층을 그대로 모사하는 것은 해석 모델의 크기를 증대시켜 실용성이 떨어진다. 따라서 차량 충돌해석과 같은 대단위 해석 모델에서는 연산 비용 감소를 위한 배터리 셀 젤리롤의 등가물성에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.(그림 1)
등가물성이란 여러 겹의 박막이 말려 있는 구조를 일일이 모델링하지 않고 단순한 원통으로 모사하는 대신에, 실제 젤리롤의 구조적 변형 상태를 대변할 수 있는 물성을 의미한다. 등가물성은 재료 항복 모델을 가정한 후, 실험 하중-변위 곡선을 활용하여 실험 결과와 해석 결과가 일치하도록 물성 파라미터를 보정하여 도출된다.
그림 1. 전기자동차의 충돌해석(Léost and Boljen, 2014)
젤리롤의 재료 특성 및 항복모델
배터리 셀 내부에 위치한 젤리롤은 절연체, 음극재, 양극재, 금속 포일을 엮어 와인딩 공정으로 제작되는 복합소재이며(그림 2) 구조적 특성에 의해 두 가지 특징적인 소성거동을 보인다.
첫 번째는 정수압 응력에 의해 소성변형이 발생하는 압력의존성이다. 금속 재료는 정수압 응력에 의해 소성변형이 발생하지 않기 때문에 보통 폰 미제스(Von-Mises) 항복곡면을 이용하여 소성거동을 모사한다. 반면 젤리롤의 경우 음극재 및 양극재에 다량의 기공이 포함되어 있기 때문에, 정수압에 의해 소성변형이 발생할 수 있다.
두 번째는 인가된 하중의 방향에 따라 항복응력이 달라지는 이방성 거동이다. <그림 2>에서 볼 수 있듯이 젤리롤은 반경 방향과 축 방향으로 재료의 배열이 다르며, 축 방향으로 더 높은 강성을 갖는다.
아바쿠스(Abaqus)는 crushable foam 소성모델(압력의존성)에 potential 옵션(이방성)을 추가하여 젤리롤의 두 가지 특성을 동시에 고려할 수 있다. 소성물성 파라미터는 가공경화곡선을 모사하기 위한 5 변수(εo, n, A, B, m), 항복곡면의 형상을 결정하기 위한 3변수로(kc, kt, R) 총 8 개이며 (그림 3) 실험-해석 간 하중-변위 곡선의 차이를 최소화하는 파라미터를 아이사이트(Isight)로 도출하였다.
작성일 : 2022-06-02
