각형 리튬 이온 전지의 열전달 특성이 건전성에 미치는 효과

Abstract

본 연구는 각형 배터리의 비정상상태의 발열 특성이 반영된 발열 모델을 개발하고 이를 응용하여 건전성 예측의 정확도를 향상하는 것을 목적으로 진행되었다. 해당 연구는 온도 변화 및 SoC와 같은 비정상상태의 특징이 반영된 발열 모델을 제시하며, 배터리의 발열을 가역 발열, 비가역 발열, 그리고 탭 발열로 나누어서 각각 발열량 방정식을 개발하였다. 비가역 발열량과 가역 발열량은 배터리 내부저항과 엔트로피 변화를 활용하여 발열량 방정식을 유도하여 개발하였다. 해당 방정식은 열역학 제1법칙과 에너지 보존 방정식에 기반한다. 또한, 탭 발열량은 금속 고유 저항과 접촉저항이 고려된 줄 발열로 계산되었다. 고 에너지밀도 배터리의 특성으로 인해 고 충방전율에서의 충전 및 방전이 제약을 받을 수 있기에, 이를 고려해 0.2, 0.5, 0.75 및 1.0C에서의 발열 특성을 분석하였다. 가역 발열, 비가역 발열 및 탭 발열은 배터리 내부 온도 및 SoC 변화에 따라 변동되며, 이는 각 방정식의 변수인 내부저항, 엔트로피 변화량, 금속 고유 저항의 수치 변화로 설명된다. 발열 모델 개발 완료 이후에는 해당 모델을 자연 대류 냉각과 강제 대류 냉각 방식을 활용해 온도 최적화 작업을 진행하였다. 최종적으로 배터리의 건전성 예측 위해 아레니우스 방정식 기반의 용량 감소량 방정식을 채택하여 발열 모델에서 얻은 배터리 온도 정보를 활용해, 과도적으로 변하는 배터리 온도를 활용한 정확성 높은 방정식을 개발했다. 최적화된 다양한 변수를 적용시켜 1C의 방전조건에서의 최적화된 모델과 그렇지 않은 모델에 대한 건전성 예측을 수행하여 성능 차이를 보여줌으로써, 배터리의 안전성과 성능을 향상시키기 위한 배터리 열관리 연구에서 본 연구가 기여할 것으로 기대된다.|In this study, computational battery heat generation is developed to simulate battery aging performance in nickel-rich rechargeable 117Ah prismatic lithiumion battery for unit cell. Dynamic temperature distribution during charge and discharge process is observed with three-dimensional prismatic model with applying time-dependent irreversible, reversible, and tab heat sources under various current rate is calculated by computational fluid dynamics after validating the developed battery models against experimental data. Furthermore, cell-level temperature optimization under 1C discharge and convective cooling conditions was performed. After developing the heat generation model, state of health estimation at 1C was conducted using the maximum temperature obtained from the corresponding computational analysis results. Upon the completion of the validation for cell-level state of health estimation, a comparison between batteries that satisfy optimal operating temperatures and those failing to meet the criteria was conducted to examine the impact of battery thermal characteristics on state of health estimation. Numerical results show that high temperature elevation at the tab area occurs during the initial discharge. Moreover, battery usage at optimal operating temperatures has extended aging performance.