Used Li-ion Battery의 신뢰성 확보를 위한 안전성 평가 방안에 관한 연구 = A Study on Safety Evaluation Method to Secure Reliability of Used Li-ion Battery

국문 초록 (Abstract)

전 세계적인 전기차(electric vehicle, EV) 시장의 확대에 따라, 가까운 미래에 사용후 배터리의 급격한 증가가 예상되고 있다. 이에 따라, 국내 관계부처 등에서 전기차 폐배터리에 대한 재활용 체계 확립을 위한 지속적인 지원체계를 마련하고 있으며, 에너지저장장치(ESS, energy storage system) 분야에서 재사용하는 방안이 가장 유력한 대안으로 떠오르고 있다. 하지만, 사용후 배터리는 사용 환경에 따라 달라질 수 있는 배터리 특성과 최근 몇 년간 지속적으로 발생하고 있는 ESS 배터리 사고 상황에 따라, 재제조 전의 전수검사가 필수적으로 요구되고 있다. 이에 따라, 전수검사 시간 소요에 따른 양산성 확보에 어려움이 예상되고 있으며, 이를 개선하기 위해 검사의 유효성과 경제성을 확보하기 위한 다양한 시험방법에 관한 연구의 필요성이 커지고 있다.

따라서, 본 논문에서는 국내 중대형 이차전지에 사용되는 배터리 셀 중 범용으로 활용되는 NMC 계열 각형 및 파우치형 배터리를 대상으로 대표적인 안전성 시험 중의 하나인 외부단락 시험을 수행하기 위한 사고모의 장치를 구현한다. 여기서, 외부단락 시험용 사고모의 장치는 단락저항, 계측장치부, 제어장치부 등으로 구성하며, 다양한 운용환경 시험 조건에 따른 외부단락 특성을 분석할 수 있도록 구현한다. 이를 바탕으로 리튬이온배터리의 형태, 단락저항 및 SOC(state of charge, SOC)에 따른 외부단락 시험을 수행하여, 리튬이온배터리의 전류 및 온도 특성을 제시한다. 전처리 온도와 배터리 모듈 내 보호소자별 외부단락을 수행한 결과, 보호소자에 따른 전류 및 차단시간, 전처리 온도에 따른 외부단락 특성을 확인할 수 있다.

또한, 본 논문에서는 비교적 신속한 검사 특성을 갖고 있는 내부저항 측정 방법의 다양한 측정 메커니즘을 제시하고, 이를 바탕으로 AC 및 DC 전원부, 계측부, 리튬이온배터리 셀, 퓨즈, 릴레이, BMS(battery management system) 등으로 구성된 중대형 배터리 셀 및 팩의 내부저항 측정용 시험장치를 구현한다. 이를 바탕으로, 실제 NMC 계열의 상용화된 중대형 배터리에 적용하여, 충전도, 건전도(state of health, SOH), 온도 및 방치, 연결부 열화에 따른 내부저항을 실측한 결과, 배터리 재사용을 위한 내부저항 측정 및 안전성 평가에 유효함을 알 수 있다.

한편, 상기에서 제시한 시험장치의 유효성을 검증하기 위하여, 본 논문에서는 리튬이온배터리의 1차 RC Ladder 등가회로 모델을 바탕으로 배터리 내부 파라미터를 산정하고, PSCAD/EMTDC S/W를 이용하여 배터리부, 내부저항 측정장치부, 등으로 구성된 열화평가 시험장치의 모델링을 수행한다. 리튬이온배터리의 등가회로와 모델링을 바탕으로 SOH 및 온도 조건에 따른 내부저항 특성을 평가한 결과, SOH가 증가함에 따라 DC IR이 AC IR보다 비교적 큰 변동폭을 가지기 때문에, SOH에 따른 배터리의 열화 평가는 AC IR보다 DC IR이 더 효과적임을 알 수 있다. 또한, AC IR과 DC IR은 온도 조건에 따라 각각 6[%], 70[%] 정도의 편차가 발생하여, 내부저항을 통해 배터리의 열화를 평가하는 경우 온도 조건을 반드시 고려해야 함을 알 수 있다. 따라서, 본 논문에서 제안한 리튬이온배터리의 등가회로와 열화평가 시험장치의 모델링이 배터리의 내부저항을 바탕으로 SOH 및 온도 조건에 따른 열화 특성을 정확하게 평가할 수 있음을 알 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, used batteries are expected to dramatically increase according to the expansion of the EV(electric vehicle) market. Accordingly, Korean government has improved the supporting systems for the recycling of used batteries, and in particular, in the field of repurposing, various studies are being conducted for effective evaluation methods that can secure the performance and safety of batteries after use. Repurposing of used batteries is mostly adapted in the field of ESS(energy storage system) for normally used EV batteries and a total inspection before repurposing is required due to battery characteristics.

In this paper, we utilize an accident simulation device to perform an external short-circuit test, one of the typical safety tests of IEC 62619, which are widely used in battery cells of medium and large secondary batteries. The device consists of a short-circuit resistance, measurement device section, control device section, etc., to analyze external short-circuit characteristics according to various optional test conditions. Based on the output of the proposed test device, this paper presents the characteristics of current and temperature according to the short-circuit resistance and SOC by performing an external short-circuit test of a Li-ion battery. In addition, as a result of performing an external short-circuit for each protection element in the battery module and pre-processing temperature, the effectiveness of the characteristics of these elements can be evaluated.

And also, this paper investigates the operating mechanisms of the IR(internal resistance) test method, and implements a test device for middle and large sized cell and pack. Based on the proposed method, the IR of NMC-type commercial batteries is analyzed with various conditions. Furthermore, in order to validate the proposed test device, this paper estimates internal parameters of Li-ion battery based on the 1st RC Ladder equivalent circuit and performs a modeling of degradation evaluation test device which is composed of battery section, internal resistance measurement device section using PSCAD/EMTDC S/W.

From the simulation and test results of internal resistance based on the proposed modeling and test device, the DC IR method can be effective tool to evaluate degradation of battery depending on the SOH compared to the AC IR method because the variation width of DC IR increases more significantly than one of AC IR as the SOH rises. And also, the ambient temperature have to be considered to diagnose the degradation of battery according to the internal resistance because the deviations depending on the temperature condition in AC IR and DC IR are about 6[%] and 70[%], respectively.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론
• 제1절 연구의 배경 및 필요성 1
• 제2절 본 논문의 구성 4
• 제2장 리튬이온배터리의 안전성 평가 및 재사용 시장 현황
• 제1절 리튬이온배터리의 화재 사례 및 사고조사 6
• 제2절 리튬이온배터리의 재사용 시장 및 정책 동향 11
• 제3장 Used Li-ion battery의 외부단락 및 내부저항 평가 방안
• 제1절 리튬이온배터리의 외부단락 및 내부저항 특성 17
• 제2절 리튬이온배터리의 외부단락 측정 방안 20
• 제3절 리튬이온배터리의 내부저항 측정 방안 22
• 제4장 Used Li-ion battery의 안전성 평가 시험장치 구현 및 모델링
• 제1절 리튬이온배터리의 안전성 평가 시험장치 구현 26
• 제2절 리튬이온배터리의 안전성 평가 모델링 38
• 제5장 시험 및 시뮬레이션에 의한 Used Li-ion battery의 안전성 특성 평가
• 제1절 시험장치에 의한 안전성 특성 평가 50
• 제2절 모델링에 의한 안전성 특성 평가 70
• 제3절 종합분석 82
• 제6장 결 론 85
• 참고문헌 88
• 본 논문과 관련된 논문 및 수상실적 92
• Abstract 102