[논문]고출력 18650 리튬이온 배터리의 Electro-thermal 해석 및 실험 검증

강태우; 강덕훈; 이평연; 유기수; 김종훈

고출력 18650 리튬이온 배터리의 Electro-thermal 해석 및 실험 검증
Electro-thermal interpretation and experimental validation of high power 18650 lithium ion battery 원문보기

강태우 (충남대학교 전기공학과) , 강덕훈 (충남대학교 전기공학과) , 이평연 (충남대학교 전기공학과) , 유기수 (영남대학교 기계공학부) , 김종훈 (충남대학교 전기공학과)

본 논문은 단일 배터리의 발열량 추정을 위한 전기-열적 해석을 수행하였다. 셀의 물리적 특성, SOC별 저항에 중점을 두어 발열량 추정을 하였다. 실험과 시뮬레이션을 비교하여 제시한 모델과 발열 저항의 의미를 확립 및 검증하며 단일 배터리의 방전구간 발열량을 추정하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 18650 단일 셀의 발열량을 추정하기 위해 전기-열 모델을 제시하였다. 전기-열 모델의 파라미터인 저항을 HPPC 테스트 기반으로 SOC 5%, 2%별 해당하는 저항과 실험간 발열량에서 역으로 추출한 저항을 비교하였다.

제안 방법

0.1초의 주기로 데이터를 샘플링 하였고, 그림 2와 같이 완정충전 이후 1C(2.5A)로 SOC 95% ∼ 10%에서는 5%씩, SOC 10% ∼ 2%구간에서는 2%씩 방전, HPPC 테스트를 진행하였다.
낮은 SOC구간에서 저항은 비선형적 특성을 지니기 때문에 정확한 저항 측정을 위하여 낮은 SOC 구간(SOC 10% ∼2%)에서 SOC 2% 간격으로 HPPC 테스트를 수행하였다.
전기적 특성 실험을 진행하면서 온도측정도 같이 이루어졌으며 그 결과는 그림 2와 같이 나타난다. 또한 각 SOC별 방전구간에서의 발열량 기반 저항 추출을 하였다. 발열량 기반 저항 추출 시 사용된 파라미터는 SOC 5% 및 2%별 방전동안 발열되었을 때 발열 최댓값에서 안정화된 값을 뺀 온도 변화량을 사용하였다.
발열량 기반 저항 추출 시 사용된 파라미터는 SOC 5% 및 2%별 방전동안 발열되었을 때 발열 최댓값에서 안정화된 값을 뺀 온도 변화량을 사용하였다.
) 배터리를 사용하여 전기적 특성 실험을 하였다. 셀 파라미터인 SOC(State Of Charge)별 내부 저항을 추출하기 위해 HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization) 테스트를 진행하였다. 0.
전기적 특성으로 추출한 저항과 발열량을 기반으로 추출한 저항을 비교 분석하여 제시한 모델을 검증하였다. 이후 추출된 저항으로 COMSOL을 이용한 단일 셀 방전 시 발열량의 시뮬레이션 결과 값과 실제 방전구간에서의 발열량을 비교하였다.
) 18650 HE4 배터리를 사용하였다. 저항 성분을 통해 전기-열 모델을 제시하였고 발열량, 정 전류와 정전압 실험을 통해 저항을 추출하였다. 배터리의 발열량을 추정하기 위한 방법에는 전기화학적 해석 방법과 전기-열적 해석 방법이 있다.
본 논문에서는 18650 단일 셀의 발열량을 추정하기 위해 전기-열 모델을 제시하였다. 전기-열 모델의 파라미터인 저항을 HPPC 테스트 기반으로 SOC 5%, 2%별 해당하는 저항과 실험간 발열량에서 역으로 추출한 저항을 비교하였다. 마지막으로 시뮬레이션 결과와 실험값의 높은 정확성과 유사성을 보이며 이후 배터리 팩 열 해석 연구의 바탕이 될 수 있다.
하지만 전기-열적 해석은 간단한 식과 파라미터로 리튬이온 셀의 발열량 예측이 가능하다. 전기적 특성으로 추출한 저항과 발열량을 기반으로 추출한 저항을 비교 분석하여 제시한 모델을 검증하였다. 이후 추출된 저항으로 COMSOL을 이용한 단일 셀 방전 시 발열량의 시뮬레이션 결과 값과 실제 방전구간에서의 발열량을 비교하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 18650 HE4 NCA(LiNiCoAlO₂) 배터리를 사용하여 전기적 특성 실험을 하였다. 셀 파라미터인 SOC(State Of Charge)별 내부 저항을 추출하기 위해 HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization) 테스트를 진행하였다.
본 논문은 NCA(LiNiCoAlO₂) 18650 HE4 배터리를 사용하였다. 저항 성분을 통해 전기-열 모델을 제시하였고 발열량, 정 전류와 정전압 실험을 통해 저항을 추출하였다.

이론/모형

그림 3은 전기적 특성을 이용하여 추출한 저항과 발열량을 기반으로 추출한 저항을 비교하였다. 각각의 저항추출 방법은 Hans-Georg Schweiger^[3]이 제시하였다. 리튬 이온 셀의 열적 파라미터는 Kenneth Parsons^[4]가 명시하였고 표 1과 같다.

후속연구

전기-열 모델의 파라미터인 저항을 HPPC 테스트 기반으로 SOC 5%, 2%별 해당하는 저항과 실험간 발열량에서 역으로 추출한 저항을 비교하였다. 마지막으로 시뮬레이션 결과와 실험값의 높은 정확성과 유사성을 보이며 이후 배터리 팩 열 해석 연구의 바탕이 될 수 있다.

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