다중물리모델 기반 이차전지 열거동 분석에 관한 연구
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학술지명
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발행연도
2021
작성언어
Korean
주제어
KDC
550
자료형태
학술저널
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수록면
20-20(1쪽)
제공처
리튬이온 전지를 사용하는 전지 모듈/팩에서 열관리는 매우 중요한 문제이다. 이러한 관점에서 본 연구는 모듈/팩단위의 전지 열거동을 엄밀히 예측할 수 있는 발열 모델을 제시하고자 하였다. 이차전지의 열해석을 위하여 열 생성 및 소산에 관련된 리튬 전지 발열요소를 가역열과 비가역열로 구분하여 설명하였다. 비 가역 발열의 경우 등가저항을 기반으로 한 Joule-heating 으로 모델링 하게 되는데 이는 전기화학적반응 계산을 회피하기 위한 것으로 수치계산 부담을 현격히 줄일 수 있다. 이때 전기적인 등가저항은 전기화학분광법에 의하여 결정되는데 본 연구에서는 충전율(SOC)을 등간격으로 나누어 등가저항값의 변화를 살펴보았다. 추가적으로 Bultler-Volmer Equation, Ionic Conduction Equation의 해석적인 접근법을 통하여 등가저항값의 변화를 설명하였으며 실험적으로 구한 값과 비교 분석하였다. 이를 통하여 완전충전 /방전 근방에서 급격한 저항값의 변화는 전극으로의 리튬 삽입(Lithium-intercalation) 저항에 기인한다는 것을 밝혀 내었다. 또한 본 연구에서 개발된 단일 셀에 대한 전기발열모델을 IBC 기법을 적용한 발열량 측정값과 비교 검증하였으며 셀/모듈/팩 열 거동 분석을 수치적, 실험적으로 수행하였다 본 분석을 통하여 등가저항기반 발열모델의 신뢰성이 입증되었으며 리튬 전지 모듈/팩의 열설계시 해당모델의 적용 가능성이 확인되었다.
더보기Heat management is a critical issue during the operation of battery modules, packs, and trays. A full-scale analysis model for accurately predicting the thermal behavior of batteries is proposed herein. In this study, the heat generation and dissipation terms were classified for both irreversible and reversible heat. The irreversible heat was formulated according to the Joule-heating model with internal resistance in order to circumvent the calculation of electrochemical reactions that require significant computational loads. The internal resistance in the Joule-heating model was determined via electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The electrical equivalent resistance is determined by EIS analysis and, in this study, the change of the value was investigated by equal intervals of SOC. Additionally, an analytical formulation of the resistance was derived from the electrochemical kinetic equations to explain the rapid changes. Analysis revealed that the rapid changes were due to the Li intercalation phenomenon in the electrodes. Thermal analyses were conducted according to the proposed model for Li-ion single cells, and the simulation results exhibited good agreement with the experimental data. In addition, the heat generation model developed in this study was compared and verified with the calorific value measured using the IBC technique, and the cell/module/pack open-air analysis was performed numerically and experimentally. Through this analysis, the reliability of the equivalent resistance-based heating model was verified, and the applicability of the corresponding model was confirmed in the thermal design of the lithium battery module/pack.
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