시뮬레이션과 실험의 상관성을 높이는 6단계

열 시뮬레이션과 실험의 상관성은 어떻게 높일 수 있을까요? 비교 기준을 먼저 정하고, 같은 물리량과 조건으로 결과를 비교한 뒤, 차이의 원인을 확인해 모델을 보정하고 별도 시험에서 예측을 검증합니다.

예를 들어 배터리 열해석에서 셀 내부 최고 온도를 읽고 시험에서는 셀 외벽 온도를 잰다면, 두 값이 달라지는 이유를 판단하기 어렵습니다. 이 글에서는 각형 리튬인산철(LFP) 배터리 셀의 풍동시험을 예로 들어, 비교 위치와 냉각 조건을 맞추는 방법을 살펴봅니다.

그림 1. 각형 배터리 셀의 해석 모델과 시험 시편에서 같은 위치의 온도를 비교하는 개념 (AI 생성 개념도)

핵심 요약

• 같은 물리량, 위치, 운전 조건, 시점을 기준으로 해석과 실측을 비교합니다.

• 차이가 남으면 시험 입력과 수치 계산의 영향을 확인하고, 증거가 있는 변수만 조정합니다.

• 보정에 사용하지 않은 시험 데이터로 모델의 적용 범위를 확인합니다.

비교 기준을 정하고 시험 조건을 기록합니다

1. 비교할 물리량과 합격 기준을 정합니다

해석·실험 상관성은 정해 둔 조건에서 해석값이 실측값과 얼마나 잘 맞는지 평가하는 과정입니다. 먼저 모델이 답할 설계 질문과 관심 물리량을 정합니다. 배터리 셀의 공랭 성능을 평가한다면, 같은 높이의 표면 온도와 충·방전 중 온도 상승 추세를 비교할 수 있습니다.

셀 내부 온도와 외벽 표면 온도는 서로 다른 값입니다. 센서의 부착 위치를 도면에 표시하고 해석에서 같은 위치나 면적의 값을 추출합니다. 정상상태에서는 평균을 낼 시간 구간을, 과도 상태에서는 시간 원점과 비교 구간을 정합니다. 허용 차이는 설계 온도 여유와 측정 불확실성을 고려해 시험 전에 합의합니다.

그림 2. LFP 배터리 셀의 표면 온도 측정 위치와 해석 비교 지점
출처 · Fedeli 외 (2026) · 원문 그림 6 · CC BY 4.0

2. 실제 시험 입력과 측정 불확실성을 기록합니다

발열부의 실제 전력, 주변 온도, 냉각수나 공기의 유량, 장착 방향, 열전달 재료(TIM)의 적용 상태를 기록합니다. 시스템 입력 전력 중 다른 부품에서 소비되거나 외부로 전달되는 전력이 있다면 열모델에 넣을 발열량을 부품별로 나눠 확인합니다.

열전대는 부착 위치와 부착 방법을, 열화상 카메라는 방사율과 반사 조건을 기록합니다. 공개 풍동시험에서는 셀 외벽의 네 높이에 K형 열전대를 배치하고, 해석에서도 같은 지점의 온도를 추출했습니다. 유입 공기 온도와 풍속도 해석에 적용할 시험 조건으로 기록합니다.

그림 3. 풍동시험에 사용한 ZG-LFP060AH 배터리 셀 사진(왼쪽)과 시험 구성도(오른쪽)
출처 · Fedeli 외 (2026) · 원문 그림 1 · CC BY 4.0

시험을 모델에 재현하고 차이를 좁힙니다

3. 해석 모델에 시험 조건을 재현합니다

시험 시편의 형상, 열원 분포, 지지 구조와 실제 냉각 상태를 모델에 반영합니다. 공개 사례에서는 시험에서 측정한 주변 온도를 유입 공기와 셀의 초기 온도에 적용했습니다. 격자를 바꿨을 때 관심 위치의 온도가 얼마나 달라지는지 확인하고, 과도 해석에서는 시간 간격의 영향도 확인합니다. 그림 4처럼 조건마다 색 범례가 다르면 색뿐 아니라 온도 눈금도 함께 봅니다.

그림 4. LFP 배터리 셀의 2C 충전 중 공랭 조건별 표면 온도 분포
출처 · Fedeli 외 (2026) · 원문 그림 11 · CC BY 4.0

4. 차이가 생기는 위치와 시간 구간을 확인합니다

예측 온도에서 실측 온도를 빼면 해석이 어느 방향으로 치우치는지 볼 수 있습니다. 전체 위치에서 비슷한 차이가 나면 발열량과 주변 온도처럼 공통으로 들어간 입력부터 확인합니다. 특정 위치에서만 차이가 크면 센서 위치, 부품 열원 분포, 접촉 열저항이나 국소 유동을 후보로 검토합니다.

반도체 패키지의 과도 응답을 비교할 때는 전기적 온도 민감 특성을 이용해 접합온도 변화를 측정할 수 있습니다. 그림 5의 Simcenter Micred T3STER SI는 반도체 패키지 열응답을 측정하는 장비 예시입니다. 이 글의 배터리 풍동시험은 그림 2의 열전대를 사용했습니다.

그림 5. 반도체 접합온도 응답을 측정하는 실제 Simcenter Micred T3STER SI 장비
출처 · Siemens · Simcenter T3STER 공식 제품 페이지

모델을 보정한 뒤 별도 조건에서 검증합니다

5. 근거가 있는 입력을 보정합니다

모델 입력은 실제로 측정했거나 허용 범위를 설명할 수 있는 항목부터 조정합니다. 그림 6에서는 충전 후반부의 가장 낮은 센서 위치에서 해석 온도가 실측보다 낮았습니다. 이처럼 차이가 집중되는 위치와 시점을 찾으면, 해당 위치의 유동과 센서 부착 조건을 확인한 뒤 어떤 입력을 보정할지 판단할 수 있습니다.

그림 6. LFP 셀 표면 온도 비교. 2C 충전, 풍속 10 m/s. 실선은 CFD, 점선은 실측
출처 · Fedeli 외 (2026) · 원문 그림 9(a) 발췌 · CC BY 4.0

6. 보정에 쓰지 않은 데이터로 예측을 확인합니다

별도 시편이나 다른 부하·냉각 조건의 시험을 검증용으로 확보합니다. 검증 단계에서는 보정한 입력을 고정하고 사전에 정한 지표와 허용 차이를 적용합니다. 모델을 쓸 수 있는 조건과 남은 차이가 설계 판단에 미치는 영향을 함께 기록합니다.

시험팀과 해석팀이 함께 확인할 항목

• 비교 물리량과 위치, 운전 조건 및 합격 기준을 합의했는가?

• 시험 조건의 기록과 격자·시간 간격 민감도 결과를 남겼는가?

• 보정에 쓰지 않은 시험 데이터를 확보했고 모델의 적용 범위를 적었는가?

그림 7. 해석·실험 상관성을 높이는 여섯 단계 (절차 도식)

CAD 형상을 바꿔 냉각 조건을 비교하는 작업은 Simcenter FLOEFD의 CAD 기반 열유동 해석에서 살펴볼 수 있습니다. PCB·패키지·함체를 포함하는 전자냉각 모델은 Simcenter Flotherm의 전자기기 열·유동 해석을 참고할 수 있습니다.

Siemens의 Simcenter STAR-CCM+ 데모에서는 파우치형 셀의 전극 특성을 설정하고, 2C 방전 중 셀 내부의 온도 분포를 확인합니다.

그림 8. Simcenter STAR-CCM+ 파우치형 셀 데모의 실제 설정 화면과 해석 결과
출처 · Siemens Digital Industries Software · 3D 배터리 셀 해석 데모

자주 묻는 질문

온도 오차는 몇 도 이내면 충분한가요?

프로젝트가 허용하는 온도 여유와 측정 불확실성, 그 차이가 설계 선택에 미치는 영향에 따라 정합니다. 관심 위치마다 허용 차이가 다를 수 있으므로 시험 전에 문서화합니다.

상관계수가 높으면 검증이 끝난 건가요?

상관계수는 두 값이 함께 변하는 정도를 보여 줍니다. 온도 곡선 전체가 일정하게 높게 예측되어도 상관계수가 높을 수 있으므로, 온도 차이의 크기와 방향도 확인합니다.

보정에 사용한 시험을 검증에 다시 써도 되나요?

보정에 사용한 시험은 모델이 그 조건을 얼마나 잘 재현하는지 보여 줍니다. 다른 조건에서의 예측 성능을 판단하려면 보정에 쓰지 않은 별도 데이터와 비교합니다.

참고 자료

• NASA Glenn Research Center · Validation Assessment · 사용 목적에 따른 검증과 시험 비교

• NASA Glenn Research Center · Examining Spatial (Grid) Convergence · 격자 세분화와 결과 변화 확인

• Siemens · Simcenter T3STER · 과도 열측정 장비와 제품 사진

• Siemens · FLOEFD T3STER Automatic Calibration module · 과도 열측정 자료와 열모델 보정

• Fedeli 외 (2026) · 각형 LFP 배터리 셀의 CFD 열해석 및 풍동시험 검증 · Fluids 11(8), 204 · 그림 1·6·9·11

글쓴이 델타이에스 엔지니어

델타이에스는 Siemens Simcenter 파트너로, 본문에 언급된 제품의 공급과 기술 지원을 하고 있습니다.