Modeling the performance of lithium-ion batteries for electric vehicle and energy storage applications - 이동철 (The Graduate School, Ajou University, 2023)
리튬이온전지는 높은 에너지 밀도, 고출력 및 에너지 효율이 높다는 장점이 있어 기후 비상사태를 직면한 요즘 모빌리티 시스템 및 전기에너지 저장 분야에서 지속가능한 발전을 위한 핵심 동력원이다. 리튬이온전지의 성능은 운영 및 환경 조건, 사용기간 등의 요인에 따라 변화될 수 있어 장기수명 및 안전성 문제가 발생할 수 있다. 따라서 전기자동차, 에너지저장장치의 실제 운영조건을 고려한 환경에서 리튬이온전지의 전기적 및 열적 거동, 셀 간 편차 등을 계산해 배터리 시스템을 적절하게 운용하는 것이 중요하다. 리튬이온전지의 성능 모델링은 전기자동차 및 에너지저장시스템 애플리케이션에서 배터리 관리 시스템의 운용 전략에 중요한 역할을 할 수 있다. 첫 번째는 리튬 플레이팅을 방지하기 위해 급속충전 프로토콜을 정량적으로 고안하는 방법론을 설명한다. 차동 전압 분석(differential voltage analysis)에 기반하여 높은 전류로 충전했을 때 전압 곡선의 변곡점을 구하여 리튬 플레이팅 라인을 도출했다. 급속충전시 리튬 플레이팅 라인으로부터 일정한 마진에서의 안전효과를 설명하기 위해 새로운 지수를 MS(margin of safety)를 개발하였다. 안전 마진에 따른 리튬이온전지의 충전 전압과 열 분포를 예측하기 위해 2차원 모델링을 수행했다. 급속충전 프로토콜 설계를 위한 모델링 접근 방식을 검증하기 위해 5가지 급속충전 프로토콜 및 방전 하에서 사이클링 시험을 수행했다. 두 번째는 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 리튬이온전지의 용량 및 방전 출력 감소에 대한 비가역적인 리튬 손실과 전해질 고갈의 결합된 효과를 추정하는 모델링 방법론이다. 1차원 유한요소법에 기반한 리튬이온전지를 사용하여 9가지 다른 수준의 비가역적인 리튬 손실 및 전해질 고갈에 대한 방전 성능을 모델링했다. 모델링 방법론의 타당성은 모델링결과와 실험값을 비교하여 검증했다. 마지막은 에너지 저장 장치의 전력 품질의 신뢰성과 에너지 시스템의 효율성을 향상시키기 위해 셀 간 편차가 리튬이온전지 모듈의 성능에 미치는 영향을 고려하는 모델링 방법론에 대해 설명한다. 리튬이온전지 셀이 2개로 구성된 단일 가닥의 모델링 파라미터를 사용하여 직렬로 연결된 14개 가닥의 방전 용량 및 내부 저항 분포를 예측하기 위해 입자 군집 최적화(particle swarm optimization) 알고리즘을 채택했다. 방전 거동을 예측하기 위한 리튬이온전지 가닥의 성능 모델을 기반으로 방전 전압, 방전 깊이(depth of discharge)의 불균형에 대한 셀 간 편차의 영향을 계산했다. 실험 데이터와 모델링 결과를 비교하여 모델의 타당성을 확인하였다.
학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :에너지시스템학과,2023. 2
Keywords: Lithium-ion battery modeling