방전 및 외부단락 조건에서 리튬이온전지의 전기 및 온도 거동 모델링

Abstract

리튬이온전지(lithium-ion battery)는 다른 전지와 비교했을 때 에너지 밀도가 높고 수명이 길며, 사용 가능온도 범위가 넓기 때문에 다양한 분야에서 에너지 저장장치로 사용되고 있다. 리튬이온전지는 전기자동차나 ESS(Energy storage system) 등의 동력원으로 사용되고 있으며, 이러한 사용은 리튬이온전지의 고용량, 고출력 특성을 요구함과 동시에 고안전성을 필요로 한다. 특히 최근 하이브리드 자동차나 ESS의 화재 등 리튬이온전지의 사용으로 인해 고안전성이 중요한 주제가 되었으며, 따라서 리튬이온전지의 안전성을 위한 상태 제어 및 예측 기술이 필요해졌다. 외부단락은 리튬이차전지를 사용할 때 사고를 유발할 수 있는 주요 원인이며, 외부단락에 의해 다량의 전류가 단시간에 흐르고 온도가 급격히 상승하게 되면 리튬이온전지는 발화 및 폭발을 할 수 있다. 따라서 외부단락 시 리튬이온전지의 전기 및 온도 거동을 예측하기 위한 모델링은 리튬이온전지의 안전성을 위한 제어 및 시스템 설계를 위해 필수적이다. 본 연구에서는 방전 및 외부단락 조건에서 리튬이온전지의 전기 및 온도 거동 모델링을 진행하였다. 3.6V/75Ah 의 고용량 리튬이차전지를 사용하여 리튬이온전지의 정전류 방전에 따른 전기 및 열 거동의 변화를 예측하기 위한 수학적 모델링을 진행하였다. 15, 25, 35, 45의 서로 다른 온도에서 0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0 C-rate 정전류 방전에 대한 실험을 진행하였으며, 실험데이터로부터 모델링에 필요한 상수를 결정하였다. 그리고 실험데이터와 모델링 결과를 비교하고 모델의 정확도를 검증하였다. 또 0, 2, 5m의 저항을 가지는 저항체를 사용해 외부단락 실험을 진행하였으며, 외부단락 시 리튬이온전지의 내부저항과 외부에 연결된 저항체의 크기를 고려해 외부단락 시 리튬이온전지의 전기 및 열 거동을 예측할 수 있는 모델을 개발하였고 실험데이터와 모델링 결과를 비교해 모델의 타당성을 검증하였다.