6조-감다식었노조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 차세대 경주용 배터리 열관리 시스템 개발

영문 : Development of a Next-Generation EV-Battery Thermal Management System for Formula Student ..

과제 팀명

감다식었노조

지도교수

이동찬 교수님

개발기간

2025년 6월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학부·과 20204300** 심**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학부·과 20204300** 오**

서울시립대학교 기계정보공학부·과 20204300** 임**

서울시립대학교 기계정보공학부·과 20204300** 엄**

서울시립대학교 기계정보공학부·과 20214300** 강**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 Formula Student의 고출력·고가속 주행 환경에서 발생하는 배터리 팩 과열과 온도 불균일 문제를 해결하기 위한 실사용 가능한 열관리 시스템 개발을 목표로 한다. 성능 평가는 셀 최대온도(Tmax)와 온도 편차(∆T)를 핵심 지표로 하며, 최종 KPI는 Tmax ≤ 50 °C, ∆T ≤ 5 °C로 설정하였다. 기본 냉각 방식으로 Static Immersion Cooling을 적용하고, 반복 주행 시 열 축적 완화를 위해 Heat Pipe를 결합한 복합 구조를 제안한다. 공기 냉각, 단순 침지, Cold Plate, Channel Cooling, 복합 침지 구조를 동일 조건에서 비교·평가하여 성능 대비 질량·전력·구조 복잡도의 trade-off를 정량적으로 분석한다. 최종적으로 CFD 해석과 축소 시제품 실험을 통해 Formula Student에 적용 가능한 최적 설계를 도출한다.

개발 과제의 배경

기존 배터리 팩은 대회 안전 규정상 외기와 완전 분리된 밀폐 구조였고, 팩 내부에 별도의 BTMS가 없었다. 이 상태에서 테스트/주행 조건이 가혹해지면 열이 팩 내부에 축적되며, 실제로 약 15분 주행만에 Tmax가 약 50 °C 수준에 도달하고 이를 반복하여 주행하다, 배선 단선 사례가 발생하였다. 해당 사례는 열관리를 고려하지 않은 밀폐 팩 조합이 대회 환경에서 구조적으로 취약함을 보여주며, 열관리 대책이 성능 문제가 아니라 안전과 완주율의 문제임을 명확히 한다.

셀 온도가 상승하면 내부 저항 증가와 전기화학 반응 가속으로 열화가 촉진되고, 특정 셀에 온도가 집중되면 ∆T가 증가하여 국부적 리스크가 커진다. Formula Student에서는 랩타임·완주율이 중요하므로, 주행 후반에 고온 구간 진입 빈도 증가 → 출력 제한 → 랩타임 편차 확대의 악순환이 발생할 가능성이 높다.

따라서 본 과제는 Tmax뿐 아니라 ∆T를 핵심 지표로 관리하며, 균일성 확보를 통해 출력 재현성과 안전 여유를 동시에 확보하고자 한다. 상용 EV 수준의 복잡한 수랭 루프나 고가 열교환기는 성능을 보장할 수 있지만, 학생 제작 환경에서는 질량·부피·누설 리스크·제작 난이도가 급격히 증가한다. 또한 대회 규정에 따른 밀폐 팩 제약 때문에 외기 유입을 전제로 한 공랭식은 구조적으로 한계가 존재한다.

본 프로젝트는 이러한 제약을 출발점으로 삼아 SIC 기반 + 최소한의 보조 경로(HP/국부 루프)로 최대의 열 성능을 확보하는 방향을 제시한다. BTMS는 열유체·전기·제어·패키징이 동시에 결합되는 시스템이며, 한번 설계·검증된 프레임워크는 차기 차량에도 재사용 가능하다. 본 프로젝트가 산출하는 설계 변수–성능 응답–trade-off와 B.C./I.C. 기반 해석 절차, Simulink 기반 모니터링·제어 구조는 후속 세대가 반복 시행착오 없이 발전시킬 수 있는 자산이 된다.

개발 과제의 목표 및 내용

열적 목표는 Tmax 상한 제어(과열 방지), ∆T 최소화(균일성 확보)로 구성된다. 시스템 제약 목표는 냉각 소비전력 ≤ 80 W, 냉각 시스템 질량 ≤ 배터리 질량의 60%, 냉각 시스템 부피 증가 ≤ 50%로 설정하여 Formula Student의 경량화·전력 마진 요구를 동시에 만족하도록 한다. 이 KPI 세트는 상세설계 단계에서 최종 기준으로 정리되었으며, 이후 성능 검증의 공통 잣대로 사용한다.

SIC은 팩 내부의 기본 열완충과 균일화 기능을 수행한다. 그 위에서 CP는 하부 간접 수랭 루프를 통해 열을 회수하는 구조이며, CH는 셀 측면에 가까운 채널에서 직접 열을 수거하는 구조다. CIC는 MHPA를 통해 핫스팟 열을 분리된 영역으로 우회 전달하고, 해당 영역에서 냉각을 수행하는 복합 액침 개념이다. 또한 국부 열수송 소자로 Heat Pipe(HP)를 활용하여, 주행 중 무전력 열수송 및 피트 스톱 시 응축부 강제대류를 결합한 Pit-stop Boost Cooling 운용 전략을 구성한다.

해석 단계에서는 물성 확보와 비교 용이성을 위해 Static 유체를 Water–Glycol 1:1로 모델링하고, 동적 루프가 필요한 경우에는 증류수를 사용하여 유량–압력강하 조건을 통제한다. 반면 시제품 단계에서는 전기적 절연과 안전을 우선하여 KF-96 실리콘 오일을 적용한다. 이와 같은 유체 구분을 문서 초반에 선언함으로써, 해석-실험 간 유체 상이로 인해 생길 수 있는 해석 비교 혼선을 예방한다.

CFD 단계에서는 동일 팩 형상과 공통 B.C./I.C.를 적용하여 Baseline/onlyStatic/CP/CH/CIC 간 Tmax·∆T 응답을 비교한다. 또한 해석의 신뢰도는 격자보다 B.C./I.C.의 물리적 근거가 더 크게 지배한다는 관점을 적용하여, 입력 조건(열부하, 유량, 물성, 경계 열전달 조건)의 근거를 명시하고 일관되게 유지한다. 이후 시제품 단계에서는 동일 부하 조건에서 Baseline과 SIC+HP 구조의 온도 응답을 비교하여, 설계 의도(과열 억제 및 균일성 개선)가 실제 하드웨어에서도 재현되는지 확인한다.

본 프로젝트는 Arduino Mega 기반 센서 데이터 수집과 Simulink 기반 알고리즘을 연동하여 Tmax, ∆T를 실시간 계산한다. 또한 GUI에서 온도 상태를 직관적으로 표시하고, 팬/펌프 등 액추에이터를 제어할 수 있도록 구성하여 시연 중 데이터 획득 및 제어 가능성을 동시에 검증한다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

6조-감다식었노조

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

시장상황에 대한 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계