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표제지 2

국문 초록 5

목차 7

기호약속 16

제1장 서론 19

1.1. 연구 배경 19

1.2. 연구 목적 21

제2장 배터리 열관리 시스템 23

2.1. 2차 전지의 종류 23

2.2. 배터리 발열 25

2.2.1. 비가역 열(Irreversible heat) 27

2.2.2. 가역 열(Reversible heat) 28

2.2.3. 탭 발열(Tap heat) 29

2.3. 배터리 열관리 시스템 종류 31

2.3.1. Heat Exchange 32

2.3.2. Energy Consumption 34

2.3.3. Material 35

제3장 배터리 모델 37

3.1. 배터리 모델링 방법 37

3.2. 배터리 모델 개발 40

3.3.1. Lumped Electrical-Thermal Model 40

3.3.2. Distributed Randle Circuit Model 42

제4장 배터리 시험 49

4.1. 시험 장치 49

4.1.1. 리튬 이온 배터리 셀 49

4.1.2. 하드웨어(H/W), 소프트웨어(S/W) 구성 50

4.1.3. 열전대 57

4.1.4. 열 유속 센서 58

4.2. 배터리 셀 성능 시험 62

4.2.1. 배터리 셀 용량(Battery Cell Capacity) 시험 63

4.2.2. OCV(Open Circuit Voltage) 시험 65

4.2.3. HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization) 시험 68

4.2.4. PM(Potentiometric Method) 시험 76

4.3. 배터리 셀 온도 시험 결과 및 검증 80

4.3.1. 배터리 셀 발열 및 온도 시험 Case 80

4.3.2. 시험 결과 비교 및 검증 81

4.3.3. 배터리 단열 상태 시뮬레이션 120

제5장 결론 124

참고문헌 127

ABSTRACT 132

표목차 15

표 2-1. 2차 전지의 종류 별 특성 비교 23

표 2-2. 리튬이온 배터리의 종류 별 특성 비교 24

표 2-3. BTMS Characteristics of Material 36

표 4-1. 시험 대상 NCM 배터리 셀 스펙 49

표 4-2. 배터리 시험 장비 스펙 56

표 4-3. 열전대 종류 별 특성 (미국, ASTM E230-ANSI MC 96.1) 57

표 4-4. 열 유속 센서 스펙 (gSKIN XP 26 9C) 61

표 4-5. 배터리 온도 별 측정 용량 64

표 4-6. 온도 별 HPPC Test 배터리 등가회로 1RC 모델 전압 오차 비교 73

표 4-7. 배터리 셀의 가역 발열량의 영향도 79

표 4-8. 배터리 셀 모델 검증 시험 Case 80

표 4-9. Case1의 발열 및 온도 비교 검증 83

표 4-10. Case2의 발열 및 온도 비교 검증 88

표 4-11. Case3의 발열 및 온도 비교 검증 92

표 4-12. Case4의 발열 및 온도 비교 검증 96

표 4-13. Case5의 발열 및 온도 비교 검증 100

표 4-14. Case6의 발열 및 온도 비교 검증 104

표 4-15. 배터리 단열 상태 시뮬레이션 Case 120

그림목차 10

그림 1-1. 전 세계 친환경 자동차 수요 증가 및 예측 19

그림 1-2. Energy density projections for market EV cell 20

그림 2-1. 리튬이온 배터리의 충전 26

그림 2-2. 리튬이온 배터리의 방전 26

그림 2-3. 리튬이온 배터리 셀 발열 메커니즘 27

그림 2-4. Pouch type battery tap shape 30

그림 2-5. 배터리 탭의 실험 온도와 시뮬레이션 온도 비교 30

그림 2-6. 리튬이온 배터리 적정 운용 온도 및 수명 31

그림 2-7. 배터리 열관리 시스템 분류 32

그림 2-8. BTMS Direct and Indirect cooling system 33

그림 2-9. BTMS Passive system and Active System 34

그림 3-1. 리튬이온 배터리 모델링 종류 37

그림 3-2. 물리 기반 전기화학적 배터리 모델 38

그림 3-3. Equivalent Circuit Model (1RC Model) 39

그림 3-4. Electrical-Thermal Model 41

그림 3-5. Distributed Randel Circuit Model (3x5) 42

그림 3-6. 배터리 노드 사이 연결에 따른 전위 및 전류 분배 모식도 43

그림 3-7. Matrix for Distributed Randle circuit Model 45

그림 3-8. Distributed Randle Circuit Model 전류 분배 Flow chart 46

그림 3-9. Thermal Model Schematic of Distributed Randle Circuit 48

그림 3-10. 배터리 열 모델의 node 검사체적 및 전도 대류 모식도 48

그림 3-11. Distributed Randle Circuit Model (Matlab&Simulink) 48

그림 4-1. 파우치 배터리 셀 49

그림 4-2. 배터리 셀 시험 장치 50

그림 4-3. AMETEK® Programmable DC Power Supply[이미지참조] 51

그림 4-4. PRODIGIT® 60V-240A Programmable Electric Loader[이미지참조] 51

그림 4-5. NI PXI 장비 (PXIe-1078) 52

그림 4-6. Analog In/Output (NI PXIe-4322/4300) 52

그림 4-7. Thermocouple Input (NI PXIe-4353) 53

그림 4-8. Temperature Chamber (CSZ-Z-PLUS) 53

그림 4-9. 배터리 시험 HW-SW 통합 54

그림 4-10. NI Veristand를 이용한 Window 환경 User Interface 54

그림 4-11. 배터리 시험 환경 구축 55

그림 4-12. Heat flux Sensor 58

그림 4-13. 배터리 셀 에너지 평형과 표면 대류 열전달 60

그림 4-14. CC(Constant Current)-CV(Constant Voltage) Charge profile 62

그림 4-15. Capacity Test profile 63

그림 4-16. 배터리 온도 별 Capacity Test 시험 그래프 결과 64

그림 4-17. OCV Test profile 66

그림 4-18. OCV Test at 25℃ 66

그림 4-19. 온도 별 SOC-OCV Graph 67

그림 4-20. Battery C-rate Frequency in cycle 69

그림 4-21. HPPC Test profile 70

그림 4-22. HPPC Test 구간 별 배터리 파라미터 추출 71

그림 4-23. 배터리 파라미터 추출 flowchart 71

그림 4-24. 온도, C-rate, SOC에 따른 저항 파라미터 3D-Map 72

그림 4-25. 온도 별 HPPC Test와 IRC 등가회로 모델 시뮬레이션 전압 결과 75

그림 4-26. Potentiometric Method Test 77

그림 4-27. 온도 변화에 따른 OCV 변화 실험 77

그림 4-28. SOC 별 엔트로피 계수 추출 78

그림 4-29. SOC에 따른 엔트로피 계수 그래프 79

그림 4-30. 배터리 셀 열전대 및 열 유속 센서 부착 위치 81

그림 4-31. Case1의 측정된 구역별 온도 82

그림 4-32. DRC 모델의 구역별 전류 및 SOC (Case1) 82

그림 4-33. Case1의 2번, 8번, 14번 구역 발열 및 온도 비교 검증 84

그림 4-34. 시간에 따른 DRC 모델의 온도분포 비교 (Case1) 85

그림 4-35. Case2의 측정된 구역별 온도 87

그림 4-36. DRC 모델의 구역별 전류 및 SOC (Case2) 87

그림 4-37. Case2의 2번, 8번, 14번 구역 발열 및 온도 비교 검증 89

그림 4-38. 시간에 따른 DRC 모델의 온도분포 비교 (Case2) 90

그림 4-39. Case3의 측정된 구역별 온도 91

그림 4-40. DRC 모델의 구역별 전류 및 SOC (Case3) 91

그림 4-41. Case3의 2번, 8번, 14번 구역 발열 및 온도 비교 검증 93

그림 4-42. 시간에 따른 DRC 모델의 온도분포 비교 (Case3) 94

그림 4-43. Case4의 측정된 구역별 온도 95

그림 4-44. DRC 모델의 구역별 전류 및 SOC (Case4) 95

그림 4-45. Case4의 2번, 8번, 14번 구역 발열 및 온도 비교 검증 97

그림 4-46. 시간에 따른 DRC 모델의 온도분포 비교 (Case4) 98

그림 4-47. Case5의 측정된 구역별 온도 99

그림 4-48. DRC 모델의 구역별 전류 및 SOC (Case5) 99

그림 4-49. Case5의 2번, 8번, 14번 구역 발열 및 온도 비교 검증 101

그림 4-50. 시간에 따른 DRC 모델의 온도분포 비교 (Case5) 102

그림 4-51. Case6의 측정된 구역별 온도 103

그림 4-52. DRC 모델의 구역별 전류 및 SOC (Case6) 103

그림 4-53. Case6의 2번, 8번, 14번 구역 발열 및 온도 비교 검증 105

그림 4-54. 시간에 따른 DRC 모델의 온도분포 비교 (Case6) 106

그림 4-55. 유럽 WLTP 차속 및 전류 프로파일 107

그림 4-56. 유럽 WLPT 주행에 따른 구역별 온도 측정 107

그림 4-57. Tcell,initial 0℃, DRC 모델의 구역별 전류, SOC, 발열 (Case7)[이미지참조] 108

그림 4-58. Tcell,initial 0℃, DRC 모델의 전류, SOC, 발열, 온도 및 실험 온도 분포 (Case7)[이미지참조] 109

그림 4-59. Tcell,initial 25℃, DRC 모델의 구역별 전류, SOC, 발열 (Case8)[이미지참조] 111

그림 4-60. Tcell,initial 25℃, DRC 모델의 전류, SOC, 발열, 온도 및 실험 온도 분포 (Case8)[이미지참조] 112

그림 4-61. WLTP 사이클의 최고온도 지점 DRC 모델의 온도분포 비교 (Case7, Case8) 114

그림 4-62. 급속 충전 전류 및 SOC 116

그림 4-63. 급속 충전 따른 구역별 온도 측정 116

그림 4-64. Tcell,initial 25℃, DRC 모델의 구역별 전류, SOC, 발열 (Case9)[이미지참조] 117

그림 4-65. 급속충전 조건의 최고온도 지점의 DRC 모델의 온도분포 비교 (Case9) 118

그림 4-66. 간접 수랭식 배터리 팩 열전달 방향 및 배터리 셀 단열 모식도 120

그림 4-67. Tcell,initial 25℃, DRC 모델의 온도 시뮬레이션(Case10)[이미지참조] 121

그림 4-68. 시간에 따른 DRC 모델의 온도분포 (Case10) 121

그림 4-69. Tcell,initial 25℃, DRC 모델의 온도 시뮬레이션(Case11)[이미지참조] 122

그림 4-70. 시간에 따른 DRC 모델의 온도분포 (Case11) 122

그림 4-71. Tcell,initial 25℃, DRC 모델의 온도 시뮬레이션(Case12)[이미지참조] 123

그림 4-72. 시간에 따른 DRC 모델의 온도분포 (Casel2) 123

초록보기

 전 세계적으로 환경에 대한 규제가 강화됨에 따라 친환경 에너지의 활발히 진행 중이며, 전기자동차와 같은 친환경 차의 개발이 가속화되고 있다. 전기자동차의 전원 공급원료인 리튬이온 배터리는 높은 정격전압, 높은 에너지 밀도, 낮은 자가방전 등 안정적인 특성으로 많이 사용되어지고 있어 수백 개의 셀을 직·병렬로 연결하여 배터리 팩으로 사용되어지고 있다. 그러나 전기자동차의 차량 거동 시 배터리 셀의 발열로 인해 온도가 상승하며, 적절한 냉각을 통해 운용시키지 않는다면 배터리의 충·방전 효율 및 셀의 온도분포에 따른 내부저항 불균형, 수명에 악영향을 미치게 된다. 따라서 배터리 셀의 성능과 수명, 안정성 확보를 위해 배터리 셀의 SOC, 전류, 발열, 온도 등 구역에 따른 배터리 셀의 불균일성을 빠른시간 내에 분석하여 Battery Thermal Management System(BTMS)에서 적절한 제어전략을 구축하기 위한 배터리 셀의 빠른 해석 모델이 필요하다.

본 논문에서는 전기자동차용 리튬이온 배터리 셀의 구역별 SOC(State Of Capacity), 전류, 발열, 온도 등 전기적, 열적 특성 분석할 수 있는 Distributed Randle Circuit 모델 개발을 진행하여 Lumped 기반 배터리 셀 모델과 온도 분포 비교 연구를 수행하였다.

첫째, 전기자동차용 리튬이온 배터리 셀의 전기적 및 열적 특성을 파악을 위한 프로세스를 구성하여 셀 시험을 진행하였다. 배터리 셀의 온도에 따른 용량을 파악을 위한 Capacity Test, 셀의 내부 파라미터를 추출을 위한 SOC, 전류, 온도에 따른 OCV(Open Circuit Voltage) Test, HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization) Test를 진행하여, 셀의 내부 파라미터를 데이터베이스로 구축하여 3D 매핑으로 추출하였다.

둘째, 전기화학 배터리 모델은 전압, 발열, 온도 등 상태 예측에 정확도가 높지만, 연산속도 및 시스템 모델의 복잡하다. 따라, 등가회로 기반으로 배터리 셀의 발열 및 온도분포를 추정할 수 있는 Distributed Randle Circuit 모델을 MATLAB&Simulink 환경에서 개발하였다. 해당 모델은 셀의 노드 수를 정하여 노드 수에 따른 등가회로 RC Model을 적용하였으며, 배터리의 동적 거동에 따라 발열 및 온도분포를 나타낼 수 있다. 이 모델은 열전대(Thermocouple)와 열 유속 센서(Heat Flux Sensor)를 통해 검증하였다.

따라서, Distributed Randle Circuit 배터리 셀 모델은 발열 및 온도분포를 실시간으로 추정과 특정 구역의 핫스팟 위치 및 저온의 문제를 파악할 수 있어 배터리 팩 열관리 시스템(BTMS : Battery Thermal Management System)을 설계 및 제어 개발에 도움이 될 것으로 사료된다.

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