전기차] 배터리 해석모델 (열, 배터리 성능, 전압/저항, 전기화학반응)

 

- 배터리 해석

- Lumped model

- Equivalent circuit model (ECM)

- Multi-dimensional model

- Physics-based model

 

배터리 해석

 

TMS개발을 위해

배터리셀 내부의 발열과 내부의 온도분포를 정확하게 예측해야 한다.

배터리셀의 수학적 모델 수립 – 시뮬레이션 수행

 

Lumped model

 

Lumped model = 배터리셀의 온도가 균일하다고 가정(타겟을 하나의 덩어리로 놓고 보는 방법)

Lumped thermal mode: 배터리 온도가 균일하다고 가정하여 에너지 밸런스식을 통해 배터리의 온도를 계산

• 배터리를 환경챔버에 넣고 충방전기 연결
• SOC와 온도에 따른 배터리의 저항값 측정

저항값을 사용하여 발열량 계산

(관련 계산식)

2022.03.04 - [정리, 공부/기계공학 & 시스템설계] - 배터리 발열량, 열물성 측정

 

Equivalent circuit model (ECM)

 

Equivalent circuit model (ECM): 배터리를 전기회로로 구성하여 모사함으로써 배터리셀의 성능을 예측하는 모델(등가회로모델)

온도만 측정하는 Lumped model과 달리, ECM은 거동, 전압, 저항의 변화도 살필 수 있다.

 

ECM combined with lumped thermal model: 배터리는 온도의 영향을 크게 받으므로 ECM을 lumped thermal model과 연계시켜 배터리성능을 더욱 정확하게 예측

주행 프로파일(driving habit profile)과, 자동차 외기의 프로파일(environmental condition)을 필요로 한다.

차량해석모델(AVL Cruise 등), HILS(Hardware In Loop Simulation)와 연동되어 사용되기도 한다.

ECM: 배터리셀의 성능을 맞출 수 있다. -> 하지만 배터리셀은 열에 민감하기에 열적 모델과 결합하고 안하고 차이가 크다.

열모델과 연동하지 않으면 저 폭이 시간이 지남에도 균일하게 유지 (왜냐하면, 충방전의 반복으로 배터리셀 내부의 온도가 상승하기 때문)

온도상승 -> 과전압 하강 -> 전압 폭이 줄어듦

 

 

 

Multi-dimensional model

 

Multi-dimensional model = 팩의 형상을 실제로 설계하기 위해선 배터리셀의 모양을 고려

Uniform heat source: 내부저항 이용 -> 배터리셀 내부에 열이 균일하게 발생한다고 가정/C-rate가 작을 경우 잘 맞으나, C-rate가 클 경우 오차가 커지는 단점 (C-rate: 전류값)

C-rate(전류)가 클 경우, 셀 내부의 화학반응이 균일하지 않기 때문에

Non-uniform heat source: 배터리셀 내부의 불균일한 물리현상과 발열 및 온도분포를 모사

배터리셀이 점점 커지고 있다 + 배터리셀을 균일한 발열이라 가정키 어려워 -> 배터리셀 내부에 일어난 물리적인 현상을 고려해서 온도가 어떻게 분포되는지 알려고 ‘불균일발열모델’ 사용

배터리셀 내부에 ECM을 각각 삽입 -> ECM을 각각 전기장으로 연결하여 계산 = 배터리셀 내부의 불균일한 물리현상이나 발열 및 온도분포를 모사할 수 있음

 

 

 

Physics-based model

 

Physics-based model = 내부에 발생하는 여러 가지 물리현상을 고려 ~ 배터리셀 자체를 모델링 / 전기화학 지배방정식을 풀어서 실제 셀을 제작하기 전에 가상으로 전극을 구성(물질구성, 형태 등)하여 그 성능과 내부거동을 예측하는 모델

리튬이온전지의 복잡한 물리적 거동을 예측할 수 있는 모델

• 전기화학적인 지배방정식을 풀어서 가상으로 전극 구성 -> 전극의 물질구성과 형태를 구성, 성능과 내부거동을 예측
• 차지트렌스퍼 eq, 전자전달 eq, 이온절달 eq, 솔리드파티클 eq, 열전달 eq을 모두 망라한 복잡한 모델
• 배터리셀을 구성하는 소재(양극, 음극제, 전해질, 분리막)등의 조합에 따라 전지의 성능 예측 가능
• 리튬이온전지의 전극 설계 or 셀 설계용으로 사용 & 열전달 해석모델로 사용

너무 다양한 케이스 -> 물리기반모델 사용 -> 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 계산 -> 성능을 예측하여 선택하고 설계
BEV는 용량은 크지만 C-rate 특성이 떨어짐을 알 수 있다.
HEV는 용량이 작지만 C-rate 특성이 매우 좋음을 알 수 있다.
PHEV는 중간적인 성능

 

 

Ref

 

렛유인 강의 + 산업분석 자료
현대자동차 H클레스
도서: 

미래형 자동차 최신 기술동향과 자동차부품/경량소재 R&D 전략
미래형 자동차 자율주행 친환경자 시장과 기술개발 전략
차세대 전지 산업의 국내외 시장동향
수소경제 미래 신기술 개발동향과 연료전지