최적의 전기차 배터리 안정성과 효율을 위해서는 적정 온도를 유지하는 것이 필수다. 배터리 시스템은 기준 온도를 넘어설 경우 수명이 최대 80% 줄고 지나치게 낮은 온도에서는 동일한 출력에서도 성능이 최대 50% 감소하기 때문이다. 열관리 이슈는 배터리 기술 핵심 이슈다.  

개발 솔루션 전문업체 매스웍스는 19일 온라인 세미나를 개최하고 자사 솔루션 제품 '심스케이프(Simscape)'를 활용해 배터리 열관리 시스템 모델을 개발하는 방법을 소개했다. 이 업체에 따르면 해당 솔루션은 다양한 도메인 요소를 고려해야 하는 자동차에 적합한 시스템을 구성하고 최적의 쿨링 네트워크를 설계할 수 있다. 

배터리 쿨링 네트워크를 설계하기 위해서는 우선 배터리 자체 모델과 쿨링 네트워크를 구성해야 한다. 이후 배터리 모델과 차량 모델을 통합하는 작업을 통해 전체 차량 수준에서 쿨링 시스템을 테스트하게 된다. 강효석 매스웍스 차장은 "배터리 모델링을 위해 심스케이프 라이브러리에서 특정 블럭을 선택해 사용할 수 있다"며 "각종 제조사에서 제공하는 파라미터(parameter)들을 DB화하고 이를 손쉽게 활용할 수도 있다"고 설명했다. 

쿨링 네트워크의 경우 컴퓨팅 파워 등에 따라 모델링 방법이 달라진다. CFD(Computer Fluid Dynamics), FEA(Finite Element Analysis) 등은 모델링에 상대적으로 시간이 오래 소요된다. 반면 데이터 모델링은 특정 범위 안에서만 동작하기 때문에 확장성에서 불리하다. 따라서 배터리 쿨링 네트워크 모델링 시에는 럼프드 파라미터(lumped parameter) 모델링 방식이 가장 용이하다. 강 차장은 "해당 방식은 시스템 레벨에서 시스템 특성을 살펴볼 수도 있고 멀티 도메인 모델링도 가능하다"고 말했다. 

심스케이프는 기존 매스웍스의 시뮬링크(Simulink)와는 다른 모델링 방식이다. 시뮬링크는 반드시 수식이 있어야 모델링이 가능하다는 특징이 있다. 반면 심스케이프의 경우 물리 모델링 방식을 채택해 구성이 직관적이고 변경이 용이하다. 기계·전기·유체·열 등 10가지 이상 도메인을 모델링할 수 있다. 자동차와 같이 여러 도메인을 포함하는 어플리케이션에 적합하다. 매스웍스는 각 도메인에 특화된 하이레벨 라이브러리 또한 제품화해 제공한다. 

보다 세부적으로 해당 솔루션을 사용할 경우 배터리 시스템에 포함된 냉각기를 가독성 있게 모델링할 수 있다. 최근 매스웍스는 여러 물리적 블록을 하나의 신호로 묶어서 내보내는 버스 블록을 심스케이프에 도입했다. 이외에도 배터리·모터·컴프레서·라디에이터 등 다양한 부품들을 효율적으로 모델링하고 시스템을 설계할 수 있다는 것이 이 업체의 설명이다. 

외부온도가 높을 경우 개발자들을 배터리 시스템을 병렬 모드로 설정해 냉각기 흐름을 집중시킬 수 있다. 이때 바이패스 제어를 활용해 상대적으로 열에 크게 영향을 받지 않는 모터는 라디에이터 등으로 온도를 관리할 수 있다. 

열관리 시스템 시뮬레이션을 위해서는 배터리 셀 동작 온도 범위가 20~40℃를 유지해야 하며 개별 셀 간 온도 차이가 최대 8도를 넘지 않아야 한다. 심스케이프는 이러한 조건들을 충족하며 원패스·투패스로 나뉘어져 있는 냉각판 구조에 따라서도 개별 시뮬레이션 결과를 도출할 수 있다. 

해당 솔루션의 가장 큰 장점은 직관적 모델링이 가능하다는 점이다. 강 차장은 "원패스 구조의 경우 4개의 섹션으로 구분해 모델링할 수 있다"고 설명했다. 이어 "배터리 섹션을 많이 나눌수록 보다 섬세한 모델링이 가능하지만 이에 따라 개발 시간이 늘어나므로 이를 적절하게 조절해야 하는 것이 좋다"고 덧붙였다. 

단일 모델 내에서 두 개의 구조를 활용하는 것도 가능하다. 요구 조건에 따라 쿨링 네트워크를 비교분석할 수 있다는 뜻이다. 열관리 시스템이 차량 전체에 미치는 영향 또한 파악할 수 있어 냉각에 필요한 펌프 파워 등도 보다 효율적으로 설계할 수 있다.