철도차량용 리튬이온배터리의 비정상 운용조건을 고려한 안전성 분석 연구

국문 초록 (Abstract)

최근 철도차량을 포함한 다양한 운송 수단에서 내연기관 사용으로 인한 이산화탄소 배출을 저감하기 위해 리튬이온배터리 기반의 추진 시스템 도입이 활발히 이루어지고 있다. 리튬이온배터리는 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 가지는 장점이 있지만, 열폭주로 인한 안전성 문제가 존재하므로, 리튬이온배터리를 실제 어플리케이션에 적용하기 전에 다양한 환경 조건에서 실험하거나 해석 모델을 통한 안전성 분석이 필수적이다. 본 연구에서는 전기화학 모델과 열폭주 모델을 하위 모델로 가지는 Multi-Scale Multi-Physics 모델 기반의 리튬이온배터리 셀 모델을 개발하였다. 리튬이온배터리의 전기화학적 거동 모사를 위해 등가회로 모델을 활용하였으며, Hybrid Pulse Power Characterization 실험을 통해 설계되고 검증되었다. 또한 열폭주 거동을 모사하기 위해 4-Equation 모델을 활용하였으며, 이는 선행 연구의 실험 결과를 통해 검증되었다.
본 연구에서는 다양한 환경 조건과 운전 프로파일을 리튬이온배터리 모델에 적용하여 배터리의 안전성을 분석하였다. 또한 외부 단락과 국부 발열과 같은 비정상 운용조건에서의 열폭주 거동 변화를 분석하였으며, 이를 통해 승객 대피 시간 확보와 열폭주 피해를 최소화하기 위한 환경 조건을 도출하였다.
본 연구에서 개발하고 검증한 리튬이온배터리 모델은 다양한 환경 조건과 운전 상황에서 리튬이온배터리의 안전성을 사전에 분석하는 데 활용될 수 있다. 또한 비정상 운용조건에서 도출된 환경별 열폭주 거동 변화의 결과는 리튬이온배터리 운용 안전성을 향상시키기 위한 환경 조건 설정에 기여할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, the adoption of lithium-ion battery-based propulsion systems has been actively pursued across various transportation sectors, including rail vehicles, to reduce carbon dioxide emissions from internal combustion engines. While lithium-ion batteries offer advantages such as high energy density and long lifespan, safety concerns related to thermal runaway remain significant. Therefore, it is essential to conduct comprehensive safety analyses through experimental testing or simulation modeling under various environmental conditions prior to their application in real-world systems.
This study presents the development of a lithium-ion battery cell model based on a multi-scale, multi-physics framework, incorporating both electrochemical and thermal runaway sub-models. The Thevenin equivalent circuit model was employed to simulate the electrochemical behavior of the battery, with the model being designed and validated through Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC) experiments. To simulate thermal runaway behavior, the 4-Equation model was utilized, which was validated against experimental data from previous studies.
The developed model was applied under various environmental conditions and operational profiles to analyze the battery’s behavior. Additionally, thermal runaway behavior under abnormal operating conditions, such as external short circuits and external heating, was investigated. From this analysis, key environmental conditions were identified to ensure sufficient evacuation time and minimize damage caused by thermal runaway.
The lithium-ion battery model developed and validated in this study can be utilized for preemptive safety analysis of lithium-ion batteries under a wide range of environmental and operational conditions. Furthermore, the findings regarding changes in thermal runaway behavior under abnormal conditions provide valuable insights for establishing safe operating conditions, contributing to enhanced safety in lithium-ion battery applications.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 초록 i
• Abstract iii
• 목차 v
• 표 목차 viii
• 그림 목차 ix
• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 5
• 1.3 논문 구성 7
• 2. 철도차량 운전 조건을 고려한 배터리 모델 기반 해석의 필요성 8
• 2.1 기존 배터리 모델 연구의 한계 8
• 2.2 배터리 모델 연구 동향 9
• 2.2.1 MSMD 모델 10
• 2.2.2 전기화학 모델 11
• 2.2.3 열폭주 모델 16
• 2.3 운전 조건을 고려한 배터리 해석 연구 동향 18
• 3. 배터리 모델 설계 및 검증 20
• 3.1 시뮬레이션 모델 20
• 3.2 배터리 전기화학 모델 설계 및 검증 22
• 3.2.1 2RC-ECM 22
• 3.2.2 HPPC 실험 25
• 3.2.3 2RC-ECM 검증 29
• 3.3 배터리 열폭주 모델 설계 및 검증 30
• 4. 사례 연구 32
• 4.1 LTO 타입 LIB 특성 분석을 위한 해석 32
• 4.1.1 충·방전 특성 분석 32
• 4.1.2 열폭주 특성 분석 36
• 4.2 정상 운용조건 해석 38
• 4.2.1 Step-cycle 운전 프로파일 조건 38
• 4.2.2 철도차량 운전 프로파일 조건 41
• 4.3 비정상 운용조건 해석 44
• 4.3.1 외부 단락 조건 44
• 4.3.1.1 Step-cycle 운전 프로파일 조건 46
• 4.3.1.2 철도차량 운전 프로파일 조건 52
• 4.3.2 국부 발열 조건 58
• 4.3.1.1 Step-cycle 운전 프로파일 조건 58
• 4.3.1.2 철도차량 운전 프로파일 조건 69
• 4.3.3 비정상 운용조건 해석 결과에 대한 안전성 분석 79
• 5. 결론 83
• 참고문헌 85
• 부록 91
• A. 충·방전 특성 해석 결과 91
• B. Step-cycle 운전 조건 해석 결과 93
• C. 철도차량 운전 조건 해석 결과 94
• D. 외부 단락 조건을 적용한 Step-cycle 운전 조건 해석 결과 95
• E. 외부 단락 조건을 적용한 철도차량 운전 조건 해석 결과 99
• F. 국부 발열 조건을 적용한 Step-cycle 운전 조건 해석 결과 103
• G. 국부 발열 조건을 적용한 철도차량 운전 조건 해석 결과 107