리튬이온폴리머전지의 열적 거동 모델링
Thermal Modeling of a Lithium-ion Polymer Battery
초록/요약
현재 자동차의 연료로 사용되고 있는 화석연료의 부존량 한계와 대기오염은 새로운 동력원의 개발을 필요로 한다. 하이브리드 자동차(HEV)와 전기자동차(EV)의 동력원으로 사용되는 전지는 관심의 대상이다. 특히 리튬폴리머전지는 높은 에너지 밀도, 고전압, 낮은 자기방전율, 높은 안정성의 장점을 가지고 있다. 그러나 HEV와 EV에 적용하기 위해서는 현재보다 더 높은 용량의 리튬폴리머 전지가 필요하다. 현재 사용에 문제가 없는 소형의 리튬폴리머 전지와 달리 대용량 리튬이온폴리머전지는 동작 중에 많은 발열이 전지의 성능, 에너지효율, 안정성 등에 영향을 미친다. 본 연구에서는 Li[NiCoMn]O2 양극 , 흑연 음극, 및 고분자 전해질로 구성된 10Ah급 리튬폴리머전지의 열적 거동을 예측하기 위한 Simulation Program의 개발을 하였다. 전지의 열전전도는 각종 구성요소의 열전도저항이 직렬과 병렬로 연결된 것으로 간주하였으며, 전극 내에서 열이 균일하게 발생하는 것으로 가정하여 열적 거동을 해석하였다. 정확성을 검증하기 위하여 1.0C부터 5.0C까지의 방전 실험과정에 대하여 ThermaCAMTM을 이용하여 얻은 적외선 사진과 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 그리고 전지 성능은 전극의 종횡비와 전극 탭의 위치선정 등에 영향을 받는다. 그래서 전극의 최적화되지 않는다면, 전위와 전류밀도의 불균일한 분포를 보이고, 또한 전극의 활물질이 불균일하게 사용되며, 이는 전지의 열적 거동에도 많은 영향을 미치게 된다. 전극의 종횡비, 전극의 탭의 위치, 전극에 흐르는 전체 전류의 세기가 전지의 열적 거동에 미치는 영향을 고찰하고, 실험결과와 비교하여 전산모사의 정확성을 검증하였다.
more초록/요약
The lithium-polymer battery is a preferred candidate as a power source for hybrid electric vehicle (HEV) and electric vehicle (EV) due to its outstanding characteristics such as high energy density, high voltage, low self-discharge rate, and good stability among others. However, much larger lithium-polymer batteries than those available in the market for consumer electronics are required for HEV and EV applications. Because the primary challenge in designing larger lithium-polymer batteries is safety, thermal stability problems must be overcome. The main concern with the thermal behavior of lithium-polymer battery is the possible significant temperature increase during high power extraction, which may cause battery degradation and thermal runaway. Thermal modeling can play a vital role to maintain the operating temperature and temperature uniformity of lithium-polymer battery within a suitable range. In this work, a two-dimensional modeling is performed to calculate the potential and current density distribution on the electrodes of a lithium-polymer battery comprising a Li[NiCoMn]O2cathode, a graphite anode, and a plasticized electrolyte. The modeling of the potential and current density distribution on the electrodes is validated by the comparison between experimental and modeling discharge curves at various discharge rates from 1C to 5C. Then, the thermal modeling of the lithium-polymer battery is carried out, which accounts for the ohmic heating and the heat generated due to charge transfer at the electrode/electrolyte interface. The heat generation rate is calculated by using the results of the modeling of potential and current density distribution.
more목차
제1장 서론 = 1
1.1 전기 자동차용 전지 = 1
1.2 리튬이온폴리머전지 = 4
1.3 연구방향 = 5
제2장 수학적 모델 = 6
제1절 전극의 전위분포 모델링 = 7
제2절 전류밀도와 전위와의 관계식 = 11
제3절 방전 깊이와 균일도 = 14
제4절 전지의 열적 거동 모델링 = 15
제3장 전산모사 = 21
제4장 결과 및 토의 = 24
제1절 실험데이터와 모델링 결과의 비교 = 24
제2절 전극의 탭의 크기에 따른 전지의 열적 거동 해석 = 35
제3절 전극의 종횡비에 따른 전지의 열적 거동 해석 = 43
제4절 전극의 탭의 위치에 따른 전지의 열적 거동 해석 = 51
제5절 요약 = 65
제5장 결론 = 67
참고문헌 = 68
Abstract = 70
