초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
리튬이온 배터리는 휴대용 전자장치 뿐 아니라 전기자동차, 에너지저장시스템 등의 중대형 공학 시스템에도 널리 쓰이고 있다. 리튬이온 배터리를 적합한 온도 범위에 놓이도록 제어하는 것은 안전성 측면에서 매우 중요하다. 특히 높은 전력을 소비하는 고출력 리튬이온 배터리의 경우 높은 수준의 온도 제어를 요한다. 온도 제어를 위해서는 온도의 추정이 필수적이고 이를 위해서는 또한 배터리의 열 특성에 대한 파악이 필요하다. 따라서 본 과제에서는 동적 거동 상태에 놓인 리튬이온 배터리의 발열 특성을 파악하고 그 발열

□ 연구의 목적 및 내용
리튬이온 배터리는 휴대용 전자장치 뿐 아니라 전기자동차, 에너지저장시스템 등의 중대형 공학 시스템에도 널리 쓰이고 있다. 리튬이온 배터리를 적합한 온도 범위에 놓이도록 제어하는 것은 안전성 측면에서 매우 중요하다. 특히 높은 전력을 소비하는 고출력 리튬이온 배터리의 경우 높은 수준의 온도 제어를 요한다. 온도 제어를 위해서는 온도의 추정이 필수적이고 이를 위해서는 또한 배터리의 열 특성에 대한 파악이 필요하다. 따라서 본 과제에서는 동적 거동 상태에 놓인 리튬이온 배터리의 발열 특성을 파악하고 그 발열량을 실시간으로 추정하는 방법을 개발한다. 나아가 정확하고 실용적인 온도 추정 방법을 개발하기 위해 모델과 센서 측정을 융합한 온도 추정 방법을 개발한다.

□ 연구결과
배터리의 동적 운행상태에서의 발열량을 측정하기 위하여 기존의 열량계보다 더 뛰어난 동적 성능을 가진 열량계를 개발하였다. 이 열량계는 열전소자의 높은 반응성과 반복성을 이용하여 실시간으로 배터리의 온도를 등온으로 유지할 때 소비되는 전력을 이용하여 배터리가 발생하는 열의 양을 측정하였다. 이 장치는 대한민국 특허로 등록되었다.
또한 측정된 발열량을 이용하여 배터리의 발열 특성을 분석하고 이를 실시간으로 추정하는 연구를 수행하였다. 열량계 없이 구동 상태에서 발열량을 추정하기 위하여 열량계를 통해 측정된 발열량 특성을 등가회로로 모델링하고 시뮬레이션을 이용하여 온도 특성을 모사하였다. 상태감시기를 이용하여 배터리의 표면온도를 가지고 배터리의 중심부 온도를 구한 후 다시 발열량을 추정하는 방식으로 실시간 발열량 추정 기술을 개발하였다.
상기의 연구에서 밝힌 열 특성을 바탕으로 배터리 팩 모델을 개발하고 이를 배터리의 센서 측정과 결합하여 배터리 팩의 온도분포를 실시간으로 추정하는 기술을 개발하였다. 센서 측정과 온도 추정 모델을 결합함으로써 센서로만 측정할 때 발생하는 센서의 비용 및 고장의 문제를 줄이는 한편 모델만으로 추정할 때 발생하는 오차의 누적과 높은 계산 비용 또한 감소시켰다.

□ 연구결과의 활용계획
배터리의 동적 발열량을 측정 할 수 있는 열전소자 기반의 열량계는 특허로 등록되었으므로 특허의 유상 이전 등을 통하여 배터리 뿐만 아니라 급격한 발열량을 가지는 전자제품, 반도체 등의 발열 특성을 파악하는데 유용하게 활용될 것으로 기대된다. 또한 실시간 발열량 추정 기술은 열량계를 직접 설치할 수 없는 전기자동차의 배터리 관리 시스템 등에 탑재되어 실시간으로 발열량을 추정하고 이를 통해 배터리의 건전성을 추정해 낼 수 있는 기술의 기반이 될 것으로 생각된다. 마지막으로 배터리 팩의 온도 추정 방법은 배터리 열 관리 시스템에 쓰일 정보를 제공함으로써 배터리 팩의 안전성을 향상시키고 수명을 연장하는데 기여할 것으로 보인다.

( 출처 : 요약문 5p )

Abstract ▼

□ Purpose&contents
Lithium-ion batteries are widely used not only in portable electronic devices but also in medium- to large-sized engineering systems such as electric vehicles and energy storage systems. It is very important that the lithium ion battery be placed in a temperature range suitable

□ Purpose&contents
Lithium-ion batteries are widely used not only in portable electronic devices but also in medium- to large-sized engineering systems such as electric vehicles and energy storage systems. It is very important that the lithium ion battery be placed in a temperature range suitable for the conditions of use, due to the high ignition risk of the lithium ion battery, especially for high power lithium ion batteries which consume high power. Therefore, we develop a method that can grasp the heat characteristics of a lithium ion battery placed in a dynamic behavior state, and estimate the calorific value in real time to efficiently control the temperature and use it safely.

□ Result
First, we developed a calorimeter with better dynamic performance than the conventional calorimeter to measure the calorific value in the dynamic running state of the battery. The calorimeter measures the amount of heat generated by the battery by using the power consumed when the temperature of the battery is kept isothermal in real time using the high reactivity and repeatability of the thermoelectric element. This device is registered as a Korean patent.
In addition, we analyzed the heat characteristics of the battery using the calorific value and estimated it in real time. In order to estimate the calorific value in the driving state without the calorimeter, the calorific value measured through the calorimeter was modeled by the equivalent circuit and the temperature characteristic was simulated using the simulation. A real-time calorimetric estimation technique has been developed by calculating the temperature of the center of the battery with the surface temperature of the battery using the state monitor, and then estimating the calorific value again.
Based on the thermal characteristics described above, a battery pack model was developed and combined with the sensor measurement of the battery for temperature estimation in real time. By combining the model with the sensor, the cost and trouble of the sensor malfunction coming from the sensor only use, and the cumulative error and high calculation cost coming from the model only use are reduced.

□ Expected Contribution
Since the thermoelectric-element-based calorimeter capable of measuring the dynamic heat output of a battery is registered as a patent, it is expected to be useful for grasping not only the battery but also the heating characteristics of electronic products and semiconductors with rapid heat generation do. In addition, the real - time calorimetric estimation technology can be installed on the battery management system of the electric car which can not install the calorimeter directly, and it will be a basis of technology for estimating the calorific value of the battery through real - time estimation of the calorific value. Finally, estimating the temperature of the battery pack will contribute to improving the safety of the battery pack and extending its service life by providing information to the battery thermal management system.

( 출처 : SUMMARY 6p )

목차 Contents

• 표지 ... 1목차 ... 3연구계획 요약문 ... 4연구결과 요약문 ... 5 한글요약문 ... 5 SUMMARY ... 6연구내용 및 결과 ... 7 1. 연구개발과제의 개요 ... 7 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 9 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 29 5. 연구결과의 활용계획 ... 30 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 30 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 32 8. 참고문헌 ... 32 9. 연구성과 ... 35 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 41 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 41 12. 기타사항 ... 41별첨1 ... 42별첨2 ... 57끝페이지 ... 63