전기자동차에 사용되는 리튬이온 배터리의 성능은 배터리 온도에 따라 큰 차이를 보인다. 본 논문에서는 유한차분법을 이용하여 배터리의 발열량에 따른 배터리의 온도변화를 평가하고, 배터리의 충전량, 내부저항 및 전압변화를 조사하였다. 이 배터리 모델을 1차원 해석 프로그램인 AMESim과 연동하여 전기자동차가 NEDC 모드로 주행 시, 배터리의 온도 변화에 따른 전기자동차의 주행거리를 산출하였다. 배터리는 온도가 $25^{\circ}C$ 이하로 감소하면 내부저항이 증가하기 때문에 발열량이 증가하여 주행거리는 줄었다. 또한, 배터리의 온도가 $25^{\circ}C$ 이상이 되면, 배터리의 충전량이 감소하여 배터리의 성능이 떨어지고 그 결과로 주행거리가 줄었다. 배터리의 성능을 최적으로 유지할 수 있는 온도인 $25^{\circ}C$를 기준으로 배터리의 온도가 $-20^{\circ}C$와 $45^{\circ}C$일 때, 전기자동차의 주행거리는 각각 33%와 1.8% 감소하였다. 배터리의 최적 온도를 유지하기 위해 효율적인 배터리 열관리를 통하여 저온에서는 가열, 고온에서는 냉각이 이루어져야 한다. 해석 결과 외기온이 $-20^{\circ}C$인 경우 500 W의 열을 공급해주어야 하며, 외기온이 $45^{\circ}C$ 경우에는 냉방을 통해 250 W의 열을 방출해줌으로써 배터리 구동의 최적 온도인 $25^{\circ}C$를 유지할 수 있다.
전기자동차에 사용되는 리튬이온 배터리의 성능은 배터리 온도에 따라 큰 차이를 보인다. 본 논문에서는 유한차분법을 이용하여 배터리의 발열량에 따른 배터리의 온도변화를 평가하고, 배터리의 충전량, 내부저항 및 전압변화를 조사하였다. 이 배터리 모델을 1차원 해석 프로그램인 AMESim과 연동하여 전기자동차가 NEDC 모드로 주행 시, 배터리의 온도 변화에 따른 전기자동차의 주행거리를 산출하였다. 배터리는 온도가 $25^{\circ}C$ 이하로 감소하면 내부저항이 증가하기 때문에 발열량이 증가하여 주행거리는 줄었다. 또한, 배터리의 온도가 $25^{\circ}C$ 이상이 되면, 배터리의 충전량이 감소하여 배터리의 성능이 떨어지고 그 결과로 주행거리가 줄었다. 배터리의 성능을 최적으로 유지할 수 있는 온도인 $25^{\circ}C$를 기준으로 배터리의 온도가 $-20^{\circ}C$와 $45^{\circ}C$일 때, 전기자동차의 주행거리는 각각 33%와 1.8% 감소하였다. 배터리의 최적 온도를 유지하기 위해 효율적인 배터리 열관리를 통하여 저온에서는 가열, 고온에서는 냉각이 이루어져야 한다. 해석 결과 외기온이 $-20^{\circ}C$인 경우 500 W의 열을 공급해주어야 하며, 외기온이 $45^{\circ}C$ 경우에는 냉방을 통해 250 W의 열을 방출해줌으로써 배터리 구동의 최적 온도인 $25^{\circ}C$를 유지할 수 있다.
The performance of lithium ion batteries used in electric vehicles (EV) varies greatly depending on the battery temperature. In this paper, the finite difference method was used to evaluate the temperature change, state of charge (SOC), internal resistance, and voltage change of the battery due to h...
The performance of lithium ion batteries used in electric vehicles (EV) varies greatly depending on the battery temperature. In this paper, the finite difference method was used to evaluate the temperature change, state of charge (SOC), internal resistance, and voltage change of the battery due to heat generation in the battery. The simulation model was linked with AMESim to calculate the driving range of an EV traveling in New European Driving Cycle (NEDC) mode. As the temperature dropped below $25^{\circ}C$, the internal resistance of the battery increased, which increased the amount of heat generated and decreased the driving range of EV. At battery temperatures above $25^{\circ}C$, the driving range was also decreased due to reduced SOC that deteriorated the battery performance. The battery showed optimal performance and the driving range was maximized at $25^{\circ}C$. When battery temperatures of $-20^{\circ}C$ and $45^{\circ}C$, the driving range of EV decreased by 33% and 1.8%, respectively. Maintaining the optimum battery temperature requires heating the battery at low temperature and cooling it down at high temperature through efficient battery thermal management. Approximately 500 W of heat should be supplied to the battery when the ambient temperature is $-20^{\circ}C$, while 250 W of heat should be removed for the battery to be maintained at $25^{\circ}C$.
The performance of lithium ion batteries used in electric vehicles (EV) varies greatly depending on the battery temperature. In this paper, the finite difference method was used to evaluate the temperature change, state of charge (SOC), internal resistance, and voltage change of the battery due to heat generation in the battery. The simulation model was linked with AMESim to calculate the driving range of an EV traveling in New European Driving Cycle (NEDC) mode. As the temperature dropped below $25^{\circ}C$, the internal resistance of the battery increased, which increased the amount of heat generated and decreased the driving range of EV. At battery temperatures above $25^{\circ}C$, the driving range was also decreased due to reduced SOC that deteriorated the battery performance. The battery showed optimal performance and the driving range was maximized at $25^{\circ}C$. When battery temperatures of $-20^{\circ}C$ and $45^{\circ}C$, the driving range of EV decreased by 33% and 1.8%, respectively. Maintaining the optimum battery temperature requires heating the battery at low temperature and cooling it down at high temperature through efficient battery thermal management. Approximately 500 W of heat should be supplied to the battery when the ambient temperature is $-20^{\circ}C$, while 250 W of heat should be removed for the battery to be maintained at $25^{\circ}C$.
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문제 정의
본 연구에서는 Panasonic사의 NCR18650A 배터리를 기반으로 Li-Ion 배터리의 발열량에 따른 온도변화를 모델링하였다. 배터리의 초기 온도에 따라 내부에서 발생 하는 배터리의 열량이 달라지며, 그에 따라 배터리의 온도 또한 변한다.
본 연구에서는 배터리의 온도에 따른 배터리의 성능과 다양한 온도에서 배터리의 성능에 대해 시뮬레이션 하였다. 또한, 전기자동차가 NEDC를 주행할 때 변하는 배터리의 온도가 전기자동차에 미치는 영향을 1-D 해석 프로그램인 AMEsim을 이용하여 시뮬레이션 하였다.
본 연구에서는 전기자동차(EV)가 NEDC 운전모드로 주행할 때 EV의 주행거리를 예측하였다. 모델에 사용된 배터리의 사양은 1pack (16개의 module이 직렬로 연결 되어 있는 상태)을 기준으로 하였다.
가설 설정
1. 전기자동차는 영하의 온도에서 성능이 급격히 떨어진다. 배터리의 최적성능을 유지할 수 있는 25oC 와 비교 시 -20oC, 45oC에서 전기자동차의 주행거리는 각각 33%, 1.
첫 번째, 모든 비가역 에너지는 열에너지로 변환된다. 두 번째, 반경 방향으로 열전도율은 일정하다. 세 번째, 배터리의 물리적 특성은 충전, 방전 시 변하지 않는다.
첫 번째, 모든 비가역 에너지는 열에너지로 변환된다. 두 번째, 반경 방향으로 열전도율은 일정하다.
제안 방법
또한, 1-D 해석 프로그램인 AMESim으로 전기자동차를 모델링 하였다. 그리고 온도의 영향에 따른 전기자동차의 주행거리를 조사하였다. 마지막으로 배터리가 최적온도를 유지하기 위한 가열용량 및 냉각용량을 산출하였다.
저온에서는 전지의 발열로 인하여 배터리 성능이 증가하며, 고온인 상태에서도 발열량에 의해 성능이 저하된다. 따라서 발열로 인한 배터리의 온도 변화를 고려하여 SOC를 조사하였다.
따라서 본 연구에서는 전기자동차가 유럽연비측정모드인 NEDC (New European Driving Cycle)를 적용하였고 주행 시 리튬 이온 배터리의 발열량을 수학적 모델링을 이용하여 계산하고, 배터리의 온도를 예측하였다. 또한, 1-D 해석 프로그램인 AMESim으로 전기자동차를 모델링 하였다.
따라서 본 연구에서는 전기자동차가 유럽연비측정모드인 NEDC (New European Driving Cycle)를 적용하였고 주행 시 리튬 이온 배터리의 발열량을 수학적 모델링을 이용하여 계산하고, 배터리의 온도를 예측하였다. 또한, 1-D 해석 프로그램인 AMESim으로 전기자동차를 모델링 하였다. 그리고 온도의 영향에 따른 전기자동차의 주행거리를 조사하였다.
이를 위해, 충·방전 사이클에 따른 리튬이온 배터리의 발열현상을 수학적으로 모델링하여 배터리의 온도를 예측 하였다[4]. 또한, 열적 모델링을 통하여 적절한 리튬 이온 전지 팩의 방열 시스템 모델을 제시하고 타당성을 검증하였다[5]. 이제까지 많은 모델링 및 해석연구가 수행되었으나, 전기자동차의 주행모드에 따라 변하는 발열량을 고려하지 않았다.
본 연구에서는 배터리의 온도에 따른 배터리의 성능과 다양한 온도에서 배터리의 성능에 대해 시뮬레이션 하였다. 또한, 전기자동차가 NEDC를 주행할 때 변하는 배터리의 온도가 전기자동차에 미치는 영향을 1-D 해석 프로그램인 AMEsim을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 본연구에서 얻은 주요 결과는 다음과 같다.
그리고 온도의 영향에 따른 전기자동차의 주행거리를 조사하였다. 마지막으로 배터리가 최적온도를 유지하기 위한 가열용량 및 냉각용량을 산출하였다.
식 (1)은 배터리 내부에서 열원의 생성을 고려한 1차원 비선형·비정상 열전도 방정식을 보여준다. 반경(r)방향으로 열전달이 다른 방향으로의 열전달보다 중요하므로 1차원 모델을 이용하여 배터리의 온도분포를 조사하였다.
배터리의 온도가 정상상태인 경우에 대하여 전기자동차가 NEDC모드로 주행 시 배터리의 성능을 살펴보았다. Fig.
이 모델은 운전자의 브레이크와 가속신호를 VCU (Vehicle Control Unit)가 수신하여 전기모터를 제어하는 방식이다. 이 모델의 특징은 온도의 영향을 받는 배터리를 적용하여 온도에 따른 전기자동차의 성능을 확인하고, 배터리의 발열량을 고려하여 최적의 온도를 평가하였다.
이를 위해, 충·방전 사이클에 따른 리튬이온 배터리의 발열현상을 수학적으로 모델링하여 배터리의 온도를 예측 하였다[4].
대상 데이터
9그래프의 X축은 반경을 의미하고 Y축은 초단위의 시간을 의미한다. 사용되는 배터리는 18650배터리로 배터리 직경은 18mm이며 그래프의 X축은 18mm직경의 직경을 8등분한 수를 의미한다. 즉 숫자 1당 1.
성능/효과
Fig 2(a)는 배터리 온도와 충전량의 변화에 따른 개방회로전압을 보여주며, (b)는 개방회로전압과 충전량에 대한 내부저항 값을 보여준다. OCV는 SOC가 20%미만 시 급격히 감소하고, 90%이상 시 급격히 증가하는 경향을 보이며, 내부저항은 SOC와 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향이 있는 것을 알 수 있다.
전기자동차는 영하의 온도에서 성능이 급격히 떨어진다. 배터리의 최적성능을 유지할 수 있는 25oC 와 비교 시 -20oC, 45oC에서 전기자동차의 주행거리는 각각 33%, 1.8% 감소한다.
따라서 효율적인 배터리 냉각/가열 시스템의 개발이 필요하다. 본 연구에서 사용된 배터리의 초기 온도와 외 기온이 -20oC일 경우 500W의 가열, 45oC 일 경우 250W의 냉각을 하여 배터리 구동의 최적의 온도를 유지할 수 있다.
두 번째, 반경 방향으로 열전도율은 일정하다. 세 번째, 배터리의 물리적 특성은 충전, 방전 시 변하지 않는다. 마지막으로 전해액에서의 대류는 없다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
리튬이온 배터리의 발열의 원인은 무엇인가?
리튬이온 배터리의 발열은 화학반응의 비가역성 때문에 일어나게 된다. 이러한 비가역성으로 인한 배터리 발열현상을 수학적으로 묘사하기 위해, 몇 가지 가정이 필요하다.
배터리의 열관리를 통해서 온도를 효율적으로 제어하는 것이 중요한 이유는 무엇인가?
발열로 인하여 배터리의 온도가 증가함과 동시에 배터리 내부의 전기화학반응을 촉진하여 배터리의 충전량(SOC)과 전압은 낮은 온도 조건 대비 증가하는 경향이 있다. 하지만 지나치게 높은 온도는 배터리 성능 및 배터리의 수명에 악영향을 미친다. 전기자동차 큰단점 중 하나가 배터리의 수명과 크게 연관되어 있다. 따라서 배터리의 열관리를 통하여 온도를 효율적으로 제어 하는 것이 매우 중요하다.
리튬이온 배터리가 많이 사용되고 있는 이유는 무엇인가?
전기자동차의 이차전지는 주로 리튬이온, 니켈망간, 리튬폴리머 배터리가 주로 이용되고 있으나 이들의 특성은 각기 다르다. Tesla Model-S, Chevy-Volt를 비롯한 대부분의 전기자동차 배터리로는 리튬이온 배터리를 많이 사용하는데, 다른 물질에 비해 에너지 밀도가 높고, 가벼운 장점이 있기 때문이다. EV에 전기를 공급하기 위한 고전압 리튬이온 배터리는 작동함에 따라 많은 열이 발생한다.
참고문헌 (7)
S. Park, T. Kim, "Battery Thermal Management System for Electric Vehicles" Auto Journal, Vol. 38, no. 4, pp. 15-21, Apr. 2016.
J. Kim, "Cooling Efficiency Improvement of Battery Pack for Electric Vehicle (II)", Applied Chemistry for Engineering, Vol. 14, no. 1, pp. 117-121, 2003.
J. Jang, S. Lee, S. Kim, "Electric Automotive Battery Cooling System with Heat Pipe", KSME, pp. 2596-2600, Nov. 2010.
S. Amiribavandpour, W. Shen, D. Mu, A. Kapoor, "An Improved Theoretical Electrochemical-Thermal Modelling of Lithium-ion Battery Packs in Electric Vehicles", Journal of Power Sources, Vol. 284, no. 15, pp. 328-338, Jun. 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.03.022
S. Yi, "Modeling of the Thermal Behavior of a Lithium-Ion battery Pack", Journal of Energy Engineering, Vol. 20, no. 1, pp. 1-7, 2011. DOI: https://doi.org/10.5855/ENERGY.2011.20.1.001
K. Onda, T. Ohshima, M. Nakayama, K. Fukuda, T. Araki, "Thermal Behavior of Small Lithium-ion Battery During Rapid Charge and Discharge Cycle", Journal of Power Sources, Vol.158, no. 1, pp. 535-542, 2006. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.08.049
N. H. F. Ismail, S. F. Toha, N. A. M. Azubir, N. M. Ishak, M. K. Hassan, B. Salam, K. S. M. Ibrahim, "Simplified Heat Generation Model for Lithium-ion Battery Used in Electric Vehicle", 5th International Conference on Mechatronics, Vol. 53, pp. 1-5, 2014.
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