[논문]전기구동 자동차용 리튬이온 배터리의 고효율 운전을 위한 냉방 및 난방 시스템 설계에 대한 이론적 접근법

김대완; 이무연

doi:10.5762/kais.2014.15.5.2545

전기구동 자동차용 리튬이온 배터리의 고효율 운전을 위한 냉방 및 난방 시스템 설계에 대한 이론적 접근법
Theoretical approach on the heating and cooling system design for an effective operation of Li-ion batteries for electric vehicles 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.5, 2014년, pp.2545 - 2552

김대완 (동아대학교 기계공학과 대학원) , 이무연 (동아대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 전기구동 자동차에 동력원으로 사용되는 고전압 및 고용량 배터리의 고효율 운전을 위하여 배터리 열관리 시스템 기술을 소개하고 이론적 설계 방법에 소개하고 한다. 이를 위하여 전기구동 자동차의 배터리로 많이 사용되는 리튬이온 배터리의 고효율 운전을 위한 발열 모델링을 제시하였고, 열원의 종류에 따른 냉방 및 난방 시스템 설계를 에너지 평형식을 이용하여 부하를 계산하였다. 특히, 리튬이온 배터리의 발열 모델링을 이용하여 충전 및 방전 시 발열 반응열과 혹서기 및 혹한기시 배터리 작동의 최적 온도를 유지하기 위한 냉방과 난방 설계 기술을 제시하였다. 전기구동 자동차 종류에 따라 배터리 사용 비중이 다르기 때문에 효율적인 배터리 열관리를 위하여 계절별 및 작동 모드별 부하에 따른 배터리 열관리 기술을 제안하였다. 또한, 냉방 부하가 가장 큰 여름철 동일 조건에서 외부 공기 온도가 같다고 가정하면 냉방 능력은 수랭식 냉매 방법이 가장 크며 공랭식 방법이 가장 작게 나타난다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is aiming to suggest the effective thermal management system design technologies for the high voltage and capacity battery system of the electricity driven vehicles and introduce the theoretical designing methods. In order to investigate the effective operation of the battery system for the electricity driven vehicles, the heat generation model for Li-ion battery system using the chemical reaction while charging and discharging was suggested and the thermal loads of the heat sources (air or liquid) for cooling and heating were calculated using energy balance. Especially, the design methods for the cooling and heating of the battery system for maintaining the optimum operation temperature were investigated under heating, cooling and generated heat (during charging and discharging) conditions. The battery thermal management system for the effective battery operation of the electricity driven vehicles was suggested reasonably depending on the variation of the season and operation conditions. In addition, at the same conditions under summer season, the cooling method using the liquid and active cooling technique showed a relatively high capacity, while cooling method using the passive cooling technique showed a relatively low capacity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉 전기구동 자동차의 배터리로 널리 사용되는 배터리에 대한 전기화학적 작동특성에 관한 연구는 이루어지고 있으나, 자동차의 주행환경 및 작동환경에 따른 배터리의 고효율 운전을 위한 냉방 및 난방 시스템을 포함한 배터리 열관리 시스템 (Battery thermal managementsystem,B-TMS)에 대한 연구는 미흡한 실정이며, 배터리 열관리 시스템 (B-TMS)설계 기술에 대한 일반적인 방법론을 제시하는 연구는 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 배터리 열관리 시스템 (B-TMS)을 위한 난방 및 냉방 기술을 소개하고 효과적인 설계를 위한 방법론에 대하여 이론적으로 접근하였다. 또한, 전기구동 자동차의 주행환경 및 작동환경에 따른 배터리 성능을 최적으로 유지하기 위한 고효율 배터리 열관리 시스템 설계 방법을 제시하였다.
따라서 본 연구에서는 배터리 열관리 시스템 (B-TMS)을 위한 난방 및 냉방 기술을 소개하고 효과적인 설계를 위한 방법론에 대하여 이론적으로 접근하였다. 또한, 전기구동 자동차의 주행환경 및 작동환경에 따른 배터리 성능을 최적으로 유지하기 위한 고효율 배터리 열관리 시스템 설계 방법을 제시하였다.
배터리 냉방은 사용되는 배터리의 종류에 따라 모델링이 다르지만, 본 논문에서는 전기구동 자동차용 배터리로 널리 사용되는 리튬이온 배터리에 대한 냉방 모델링을 제시하고자 한다. 리튬이온 배터리는 저온 성능과 안정성도 중요하지만 고온에서 배터리 작동 성능과 안정성도 중요하게 다루어지고 있다.
본 연구에서는 리튬이온 배터리를 사용하는 전기구동 자동차용 고효율 배터리 열관리 (B-TMS)설계를 위한 이론적 방법을 제시하였고, 자동차의 주행환경 및 부하에 따른 난방 및 냉방 방법을 제시하였다.
배터리 열관리 시스템 (B-TMS)기술은 크게 냉방과 난방 기술이 있고, 냉방 및 난방 기술은 작동유체에 따라 공기를 사용하는 공랭식과 액체를 사용하는 수랭식으로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 전기구동 자동차에서 일반적으로 쓰이는 냉방 및 난방을 위한 설계 기술을 이론적으로 설명하고, 전기구동 자동차가 운행되는 계절별, 부하별 및 모드별 필요한 냉방 및 난방 기술인 배터리 열관리 시스템 기술을 제시한다.
앞서 언급한 배터리 난방 방식 중 작동유체인 공기를 가열하여 배터리 모듈을 난방하는 내부 공기 유로 가열 방식은 배터리를 직접 가열하는 다른 방식에 비하여 안정성이 가장 큰 방법이기 때문에 본 논문에서는 이 방식을 설명한다. 내부 공기 유로 가열은 배터리 난방을 위하여 작동 유체인 공기를 전기 저항 히터를 이용하여 가열하는 방식으로 전기 저항 히터에서 발열되는 열량이 모두 작동유체에 전달된다고 가정하면, 전기 저항 히터 출구의 작동유체 온도는 식 (3)을 이용하여 계산된다.

제안 방법

먼저, 배터리 작동에 따른 발열 온도를 예측하기 위하여 배터리 셀로 구성된 모듈에 부착된 냉각유로 출구의 온도를 이용하는 것이다. Fig.
둘째, 수랭식 공랭 방법 (Liquidandpassivecooling)은 작동유체로 냉각수를 사용하고 라디에이터를 이용하여 배터리의 발열량을 공기를 이용하여 외부로 냉각하는 방식으로 일반적으로 공랭식보다 냉방 용량이 크기 때문에 봄 및 가을철의 부하가 클 경우, 등판길 주행, 그리고 고속 주행일 때 사용된다. 본 방식은 라디에이터에서 냉각수와 공기 사이에 열교환이 이루어지며 펌프을 이용하여 배터리 발열량에 따라 유량을 제어하고 라디에이터 팬을 이용하여 공기와의 열교환량을 제어한다.냉각수에서 배터리로부터 흡수한 열전달량은 식 (6)을 이용하여 계산하고,
전기구동 자동차에는 현재 상용화되는 배터리 중 에너지 밀도가 우수한 리튬이온 배터리가 사용하고 있으나, 리튬이온 배터리는 사용 온도에 따라 충전 및 방전 효율이 불안정하고 배터리 수명이 달라지는 단점을 가지고 있다[16]. 이를 해결하기 위하여 배터리 열관리 시스템인 배터리 열관리 시스템 (B-TMS)기술을 이용하여 배터리 작동시의 작동 온도와 충전 및 방전 시 발열반응을 통하여 발생되는 열을 일정하게 유지하고, 궁극적으로 배터리 사용 온도를 제어한다. 배터리 열관리 시스템 (B-TMS)기술은 크게 냉방과 난방 기술이 있고, 냉방 및 난방 기술은 작동유체에 따라 공기를 사용하는 공랭식과 액체를 사용하는 수랭식으로 나눌 수 있다.
첫째, 연료전지 자동차 (FCEV)에 쓰이는 배터리는 전기구동 자동차 중에서 에너지 밀도 및 사용 비율이 가장 낮아 주행 계절 및 모드별 부하가 가장 낮아 필요 냉방 용량이 작은 공랭 (Type1)방식을 사용한다. 둘째, 하이브리드 자동차 (HEV)는 일반적으로 배터리 사용 비율이 20%정도이며, 주 동력원은 내연기관을 사용하기 때문에 배터리 에너지 밀도가 순수전기자동차 (BEV)에 비하여 상대적으로 낮다.

이론/모형

전기구동 자동차의 배터리 열관리 시스템 (B-TMS)을 위한 적절한 냉방 및 난방 방식을 선택하기 위하여 배터리 작동에 따른 온도특성을 알아야 한다. 이를 위하여 배터리 발열모델링을 진행하여야 하며, 본 논문에서 제시한 냉방 및 난방 방식 적용을 위한 배터리 발열 모델링은 Song(2013) and Choi(2013)의 논문을 바탕으로 구성하였다[17,18].

성능/효과

(3) 난방 기술은 배터리를 직접 가열하는 직접식과 열원을 간접적으로 가열하는 간접식이 있고, 냉방 기술은 열원에 따라 공랭식 (Type1), 수랭식 자연 공랭 (Type2), 수랭식 강제 공랭 (Type3) 및 수랭식 냉매 (Type4)방식이 있다.
(3) 전기구동 자동차는 운행 시 배터리 사용 비율과 배터리 에너지 밀도에 따라 사용되는 냉방 기술이 다르며, 난방 및 냉방 부하에 맞는 방법으로 열관리를 하여야 한다.
봄, 가을, 겨울철 및 일반적인 주행일 때는 연료전지 자동차와 하이브리드 자동차와 같은 공랭 (Type1)또는 수랭식 자연 공랭 (Type2)방식으로 냉방하고 여름철 및 등판길 주행과 같은 냉방 부하가 클 경우에는 냉방 용량이 가장 큰 수랭식 강제 공랭 (Type 3)또는 수랭식 냉매 (Type4)방식을 사용한다. 넷째, 순수전기자동차 (BEV는 주동력으로 배터리와 전기구동 모터를 사용하기 때문에 여름철 및 등판길 주행뿐만 아니라 봄 및 가을철 일반적인 주행 모드일 때도 냉방 부하가 크기 때문에 수랭식 강제 공랭 (Type3)또는 냉방 용량이 가장 큰 수랭식 냉매 (Type4)방식을 사용한다.
첫째, 연료전지 자동차 (FCEV)에 쓰이는 배터리는 전기구동 자동차 중에서 에너지 밀도 및 사용 비율이 가장 낮아 주행 계절 및 모드별 부하가 가장 낮아 필요 냉방 용량이 작은 공랭 (Type1)방식을 사용한다. 둘째, 하이브리드 자동차 (HEV)는 일반적으로 배터리 사용 비율이 20%정도이며, 주 동력원은 내연기관을 사용하기 때문에 배터리 에너지 밀도가 순수전기자동차 (BEV)에 비하여 상대적으로 낮다. 따라서 여름철 및 등판길 주행 등 냉방 부하가 클 경우에도 배터리 냉방 방식으로 공랭 (Type 1)또는 수랭식 자연 공랭 (Type2)방식을 사용한다.
또한, 라디에이터에서 나오는 냉각수 출구 온도 (배터리 측 냉각수 입구 온도)가 공랭식 방법에서 배터리 측 공기 입구 온도 보다 낮아지므로 배터리에서 열전달량을 크게 할 수 있습니다. 마지막으로, 수랭식 냉매 방법은 배터리 냉각수가 수랭식 공랭 방법처럼 순환하지만 공기보다 낮은 온도의 칠러 냉각수와 열교환이 이루어지므로 열전달량이 가장 크다.
셋째, 수랭식 냉매 방법 (Liquidandactivecooling)은 냉방 방식 중 가장 높은 냉방 용량을 가지고 있으며 냉방부하가 가장 큰 여름철, 등판길 주행, 그리고 고속 주행일 때 사용된다. 본 방식은 냉매를 이용하여 저온을 유지하는 칠러 (Chiller)와 배터리를 냉각하는 작동유체인 냉각수 사이에 대류 열전달을 이용하는 것으로 부하가 가장 큰 경우에 적합한 냉각 방식이다.
따라서 여름철 및 등판길 주행 등 냉방 부하가 클 경우에도 배터리 냉방 방식으로 공랭 (Type 1)또는 수랭식 자연 공랭 (Type2)방식을 사용한다. 셋째, 플러그인 하이브리드 자동차 (PHEV)는 주 동력원이 배터리와 전기구동 모터이며, 내연기관은 전기 생산을 위하여 운전된다. 그러므로 배터리 에너지 밀도 및 사용 비율이 하이브리드 자동차 (HEV)에 비하여 비교적 높아 배터리의 작동 온도를 일정하게 제어하기 위하여 충분한 냉방 용량이 필요하다.

후속연구

(5) 본 연구에서 리튬이온 배터리의 고효율 운전을 위한 열관리 시스템에 대한 이론적 설계 방법을 제시하였으나 향후 실험을 통하여 이론적 방법을 검증하고자 하며, 실차에 적용하여 배터리 성능 향상을 검토하고 한다.
또한, 냉방 방식의 경우, 냉방 부하가 가장 큰 여름철 동일 조건에서 외부 공기 온도 (공기 입구 온도)가 같다고 가정하면 냉방 능력은 수랭식 냉매 방법이 가장 크며 공랭식 방법이 가장 작게 나타난다. 이상의 결과를 바탕으로, 전기구동 자동차의 주행환경 및 계절별 부하에 따른 효과적인 배터리 난방 및 냉방 방식을 제시하고 향후 전기구동 자동차의 배터리 고효율 운전 및 수명연장을 위한 이론적 설계를 위한 참고자료로 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이브리드 자동차는 국제적인 친환경 자동차에 대한 관심 및 요구를 만족시켜 주기에는 한계가 있는데 이를 보완하기 위한 것은?	그러나 하이브리드 자동차 (HEV)는 주행 중 모터의 사용보다는 내연기관의 사용이 많아 기존 내연기관 자동차 대비 연비 및 이산화탄소 배출이 저감된다는 장점을 가지고 있으나 국제적인 친환경 자동차에 대한 관심 및 요구를 만족시켜 주기에는 한계가 있다. 이를 보완하기 위하여 내연기관 사용을 최소화 하고 모터 사용량을 늘리기 위하여 배터리 용량을 증가시킨 플러그인 하이브리드 자동차 (PHEV)개발되었다[3]. 최근에는 플러그인 하이브리드 자동차 (PHEV)를 포함한 HEVs가 가지는 한계인 내연기관을 동력원에서 제거하고 순수하게 배터리에서 공급되는 전기만을 이용하여 모터를 구동하는 순수전기자동차 (BEV)의 개발이 활발히 진행되고 있으며 국내는 물론 해외에서도 완성차 형태로 다양하게 출시되고 있다 [4].
	환경규제에 법규의 강화로 수송 분야인 자동차 산업의 변화는?	석유 및 석탄등과 같은 화석에너지의 고갈과 더불어 환경규제에 법규의 강화로 수송 분야인 자동차 산업에서도 친환경 고효율 자동차에 관심이 증가하고 있으며, 완성차 업체들을 중심으로 기존의 대표적인 동력기관인 내연기관을 대체하는 자동차들을 개발하고 있다. 특히, 기존의 엔진을 대체하는 대용량 모터와 기존의 에너지원인 화석연료를 대체하는 고전압 및 고용량 배터리로 구동되는 전기구동 자동차 (xEVs)에 대한 개발 및 연구가 활발히 진행되고 있다[1,2]. 이중 기존의 내연기관과 모터가 결합된 하이브리드 자동차 (HEV)는 전기구동 자동차중가장 먼저 상용화에 성공하였다.
	전기구동 자동차중가장 먼저 상용화에 성공한 자동차는?	특히, 기존의 엔진을 대체하는 대용량 모터와 기존의 에너지원인 화석연료를 대체하는 고전압 및 고용량 배터리로 구동되는 전기구동 자동차 (xEVs)에 대한 개발 및 연구가 활발히 진행되고 있다[1,2]. 이중 기존의 내연기관과 모터가 결합된 하이브리드 자동차 (HEV)는 전기구동 자동차중가장 먼저 상용화에 성공하였다. 그러나 하이브리드 자동차 (HEV)는 주행 중 모터의 사용보다는 내연기관의 사용이 많아 기존 내연기관 자동차 대비 연비 및 이산화탄소 배출이 저감된다는 장점을 가지고 있으나 국제적인 친환경 자동차에 대한 관심 및 요구를 만족시켜 주기에는 한계가 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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