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리튬 이온 전지 팩의 열적 거동 모델링
Modeling of the Thermal Behavior of a Lithium-Ion Battery Pack 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.20 no.1 = no.65, 2011년, pp.1 - 7  

이재신 (아주대학교 에너지 시스템 학부)

초록
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전기자동차(Electric Vehicle, EV)와 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)의 성능과 수명주기 비용은 배터리 팩에 좌우된다. 팩 내부의 비정상적인 온도분포는 전지간의 전기적인 불균형을 가져오고 팩의 성능을 떨어뜨리기 때문에 팩 내부의 온도 균일성은 EV와 HEV용 전지 팩의 최적 성능을 위한 중요한 요소이다. 본 연구에서는 EV와 HEV용 리튬이온전지 팩의 열적 거동을 예측하기 위해 삼차원 전산 모사를 하였다. 전지 팩의 열전도도는 각종 구성요소의 열전도 저항이 직렬과 병렬로 연결되어 있는 것으로 간주하였다. 셀에서의 열 발생량은 전지내부의 전기화학적 반응에 의한 반응열과 전류의 흐름과 내부저항에 의한 열을 고려하여 계산 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The performance and life-cycle costs of electric vehicle(EV) and hybrid electric vehicle(HEV) depend inherently on battery packs. Temperature uniformity in a pack is an important factor for obtaining optimum performance for an EV or HEV battery pack, because uneven temperature distribution in a pack...

주제어

#하이브리드 전가자동차   #전기자동차   #리튬 이온 전지 팩   #열적 거동 모델링  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 연구에서는 14 Ah급 리튬 이온 전지가 직렬로 연결된 전지 팩 내의 온도분포를 모사함으로써 제한된 공간 내에서 열의 분산을 최대화 할 수 있는 최적의 조건을 찾아낼 수 있도록 하는데 목적이 있다.
  • 본 연구에서는 리튬 이온 전지 팩 내의 열적 거동을 예측 할 수 있는 시뮬레이션을 개발하였다.
  • 본 연구에서는 리튬 이온 전지 팩의 열적 특성을 잘 표현해 줄 수 있는 simulation program 개발을 목표로 정하고, 3차원 해석을 통해 리튬 이온 전지 팩 내부의 온도 분포를 예측하기 위한 수학적 모델을 제시하였다.

가설 설정

  • 아래면의 경우 단열로 가정하였으며, 나머지 표면의 경계조건은 자연대류로 가정하였다.
  • 유동에서는 입구와 출구를 제외한 모든 벽면을 no-slip 경계조건으로 가정하였다.
  • 팩의 강제대류 냉각 효과에 대한 해석의 입구 속도는 1.9 m/s, 출구에서의 압력은 대기압으로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
리튬이온 전지의 안정성의 문제는 무엇이 있는가? 리튬이온 전지의 경우 가혹한 조건(과충전, 과전류 충전, 외부열)이나 충 · 방전시 반응에 의한 반응열(Reaction heat)와 전기 저항에 의한 열(Ohmic heat)등의 발열에 의해 발화 및 발연 등이 일어날 수 있는 안정성의 문제를 가지고 있다. 특히 전기자동차가 요구하는 용량 및 출력을 충족시키기 위해서는 제한된 공간 내에 수 백개의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여야 하는데, 이때 전지의 열 발생에 의해 Thermal runaway 현상이나 전지 팩의 비정상적인 온도 분포로 인한 전지의 밸런스 문제가 다른 휴대용 장치용 리튬이온 전지와 비교 할 수 없을 정도로 크다 [4-5].
리튬 이온 전지의 장점은? 리튬 이온 전지의 경우 다른 전지들에 비해 높은 에너지 밀도, 고전압, 낮은 자가방전율 등의 장점을 가지고 있지만 리튬 이온 전지는 NiMH와 같은 다른 전지들에 비해 안정성 확보가 상대적으로 불리하여 일반 차량에 적용이 어려웠다 [1-2]. 하지만 최근에 고용량, 경량화에 대한 요구가 증대되었고 안정성을 확보하는 기술이 강화되어 리튬이온 전지가 차세대 전기자동차용 배터리로 각광받고 있다 [3].
차세대 전기자동차용 배터리로 각광받는 리튬 이온 전지의 열문제는 무엇인가? 리튬이온 전지의 경우 가혹한 조건(과충전, 과전류 충전, 외부열)이나 충 · 방전시 반응에 의한 반응열(Reaction heat)와 전기 저항에 의한 열(Ohmic heat)등의 발열에 의해 발화 및 발연 등이 일어날 수 있는 안정성의 문제를 가지고 있다. 특히 전기자동차가 요구하는 용량 및 출력을 충족시키기 위해서는 제한된 공간 내에 수 백개의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여야 하는데, 이때 전지의 열 발생에 의해 Thermal runaway 현상이나 전지 팩의 비정상적인 온도 분포로 인한 전지의 밸런스 문제가 다른 휴대용 장치용 리튬이온 전지와 비교 할 수 없을 정도로 크다 [4-5]. 특히 전지 팩의 비정상적인 온도 분포는 전지의 수명이 단축되고 짧게는 전지의 성능을 제대로 활용하지 못하게 된다. 때문에 전기자동차의 실용화를 앞당기기 위해서는 보다 체계적인 전지 팩의 열관리 기술이 요구된다 [6].
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참고문헌 (11)

  1. Armand, M. 외: "Building better batteries", Nature, Vol. 451, 652-657, (2008). 

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  2. Balakrishnan, P.G.　외: "Safety mechanisms in lithiumion batteries", Journal of Power Sources, Vol. 155, 401-414, (2006). 

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  3. Stewart, S. G. 외: "Modeling the Performance of Lithium-Ion Batteries and Capacitors during Hybrid-Electric-Vehicle Operation", Journal of The Electrochemical society, Vol. 155(9), A664-A671, (2008). 

    상세보기 crossref

  4. Spotnitz, R.　외: "Abuse behavior of high-power, lithiumion cells", Journal of Power Sources, Vol. 113, 81-100, (2003). 

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  5. Maleki, H., 외:"Thermal analysis and modeling of a notebook computer battery", Journal of Power Sources, Vol. 115, 131-136, (2003). 

    상세보기 crossref

  6. Kizilel, R. 외: "An alternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packs", Journal of Power Sources, Vol. 194, 1105-1112, (2003). 

  7. Bennett, C. O. and Myers, J.E.: "Momentum, Heat, and Mass Transfer", 3rd ed., McGraw-Hill, New York, NY, (1982). 

  8. Bird, R. B., Stewart, W. E. and Lightfoot, E. N.: "Transport Phenomena". John Wiley & Sons, Inc., NY, (1960). 

  9. Kwon, K. H. 외: "A two-dimensional modeling of a lithium-polymer battery", Journal of Power Sources, Vol. 163, 151-157, (2006). 

    상세보기 crossref

  10. Kim U. S. 외: "Effect of electrode configuration on the thermal behavior of a lithium-polymer battery", Journal of Power Sources, Vol. 182(2), 630-638, (2008). 

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  11. Fluent V 6.3 User's Guide, Fluent Inc., (2006). 

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