리튬이온 배터리 팩 최적 공조장치 설계를 위한 유한요소해석 기반 온도 추정

국문 초록 (Abstract)

리튬이온 배터리를 통해 제작되는 ESS를 전기 자동차에 적용하였을 때, 이를 효율적으로 운용하기 위해서는 발열을 감소시킬 수 있는 냉각 조치가 필요하다. 대게 전기 자동차에 적용되는 배터리 열 관리 시스템(Battery thermal management system; BTMS)은 공랭식과 수랭식으로 나뉜다. 최근 연구 진행 상황으로는 고체 냉매를 이용한 BTMS 운용방안까지 나오고 있다. 하지만 이는, 상업화하기까지의 원가절감 및 적용 가능성에 대해 충분한 검토가 필요하다. 따라서 현재 공랭식 혹은 수랭식을 이용한 BTMS가 주를 이룬다. 각 냉각 방법에 따라 장점 및 단점이 존재하는데, 공랭식의 경우 리튬이온 배터리 냉각을 위한 별도의 냉매 유로 관이 제작되지 않아도 된다는 것에 있다. 이는, 배터리 팩 제작 시 내부의 설계 복잡성을 줄여주고 원가절감에 유용하다. 하지만 파우치형 혹은 각형과 같은 리튬이온 배터리 셀 형태는 셀 외관의 특성으로 인해 배터리 팩 제작 시 셀과 셀 사이의 공간을 최소화할 수 있다는 장점을 이용하여 공기 순환이 적절하지 않게 설계되는 경우가 많다. 따라서 공랭식을 이용한 BTMS는 원통형 셀을 기반으로 제작된 ESS에 적용하는 것이 유용하다. 반면 수랭식의 경우 냉매가 이동할 수 있도록 유로 관을 배터리 팩 내부에 설계해 주어야 한다. 이는, 공랭식 대비 열전도 효과가 높고 파우치형 및 각형과 같은 리튬이온 배터리셀 표면에 유로 관이 접촉되어 설계되므로 냉각에 효율적이다. 하지만 누수로 인한 안전사고로 이어질 수 있고 설계에 대한 복잡성 및 비용이 공랭식 대비 높다는 단점이 존재한다.
본 논문에서는 원통형 리튬이온 배터리 팩에 대한 발열 분석이 이루어진다. 따라서 공랭식을 이용한 BTMS 설계를 가정한다. 현재까지 리튬이온 배터리 원통형 셀에 대한 많은 발열 특성 연구가 진행되었고, 이를 배터리 팩으로 확장한 연구내용이 존재한다. 또한, 이에 대한 공랭식 냉각 방법 등 BTMS에 대한 제어 방법의 연구가 진행되어오고 있다. 하지만 해당 연구내용들은 리튬이온 배터리 팩을 Full-scale로써 분석하지 않았고, BTMS에 대한 제어 방법 등은 배터리 팩을 하나의 발열체 상수로서 정의하여 연구 수행한 내용이다. 또한, 배터리 팩의 형태가 정형적이며 불규칙한 형태로 설계된 배터리 팩의 발열 분석을 수행한 연구내용은 존재하지 않았다. 따라서 본 논문에서는 리튬이온 배터리 셀에 대한 전기적 특성분석을 수행하고, 전기적 파라미터를 활용한 열 해석 3D-시뮬레이션 모델을 설계 및 검증한다. 해당 리튬이온 배터리 셀에 대한 발열 모델을 확보한 뒤, 본 모델을 배터리 모듈 및 팩으로 확장하는 단계적 분석을 수행한다. 리튬이온 배터리 단위 셀을 배터리 팩까지 확장했을 때의 발열 특성 데이터는 실험을 통해 확보하고, 설계된 리튬이온 배터리 팩에 대한 열 해석 3D-시뮬레이션 모델을 검증한다. 검증된 리튬이온 배터리 팩 열 해석 3D-시뮬레이션 모델에 공랭식 형태의 냉각 펜을 적용할 경우 온도 분포를 분석하고, 냉각 펜에 대한 최적 설계조건을 도출한다. 끝으로, 냉각 펜에 대한 최적 설계조건을 통해 리튬이온 배터리 팩에 대한 온도 불균형도와 최고온도 위치의 온도 감소율을 평가한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Environmental pollution is an example of a problem that is emerging around the world. This is a state in which excessive carbon dioxide emission due to the use of fossil fuels is the main factor, and environmental problems are gradually becoming more serious due to the acceleration of global warming. In addition, since fossil fuels cannot be reused after use and cause resource depletion, an alternative energy source is required. Accordingly, domestic aims to expand renewable energy by 20% or more by 2030, and the energy storage systems (ESS) industry is growing simultaneously. Currently, the biggest problem in the use of lithium-ion batteries is safety and performance improvement. In order to solve the problem of improving the safety and performance of the ESS applied to various industrial fields, the characteristics of the lithium-ion battery, which is the main power source of the ESS, should be analyzed. Safety and performance issues for lithium-ion batteries are related to thermal management. If the thermal management of the lithium-ion battery is not performed efficiently, the performance is reduced due to chemical changes inside the battery and leading to a safety accident. Therefore, it should be possible to monitor the degree of heat generation of the lithium-ion battery. Currently, temperature sensor quantities are being reduced for a number of reasons when packaging lithium-ion battery packs. Accordingly, accurate temperature observation of the battery pack is not possible. To solve this problem, in this paper, estimate the temperature of a lithium-ion battery using electrical characteristic parameters. Design a thermal analysis 3D-simulation model for a lithium-ion battery using the CAE analysis program. The model estimates the temperature of a lithium-ion battery cell at various temperatures. As a result, the average error with the actual measured value is 0.272 °C, and the maximum error is 0.678 °C, confirming that the model performance is excellent. The proven lithium-ion battery cell model is expanded to a lithium-ion pack, and the optimal location for air conditioning system design is analyzed. In this paper, a method for estimating the temperature of a lithium-ion battery through electrical characteristic parameters is presented, and an analysis method and elements for designing an air conditioner are proposed.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 리튬이온 배터리 전기적 및 열적 특성 7
• 제 3 장 리튬이온 배터리 발열량 도출 27
• 제 4 장 리튬이온 배터리 파라미터 추출 모델 38
• 제 5 장 열 해석 3D-시뮬레이션 모델 41
• 제 6 장 모델 확장 및 공조장치 설계조건 분석 54
• 제 7 장 결론 67
• Abstract 71
• Appendix 74
• 감사의 글 77