Effect of Thermal Management of Lithium-Ion Battery on Driving Range of Electric Vehicle

The performance of lithium ion batteries used in electric vehicles (EV) varies greatly depending on the battery temperature. In this paper, the finite difference method was used to evaluate the temperature change, state of charge (SOC), internal resistance, and voltage change of the battery due to heat generation in the battery. The simulation model was linked with AMESim to calculate the driving range of an EV traveling in New European Driving Cycle (NEDC) mode. As the temperature dropped below $25^{\circ}C$, the internal resistance of the battery increased, which increased the amount of heat generated and decreased the driving range of EV. At battery temperatures above $25^{\circ}C$, the driving range was also decreased due to reduced SOC that deteriorated the battery performance. The battery showed optimal performance and the driving range was maximized at $25^{\circ}C$. When battery temperatures of $-20^{\circ}C$ and $45^{\circ}C$, the driving range of EV decreased by 33% and 1.8%, respectively. Maintaining the optimum battery temperature requires heating the battery at low temperature and cooling it down at high temperature through efficient battery thermal management. Approximately 500 W of heat should be supplied to the battery when the ambient temperature is $-20^{\circ}C$, while 250 W of heat should be removed for the battery to be maintained at $25^{\circ}C$.

리튬이온 배터리의 열관리가 전기자동차 주행거리에 미치는 영향

전기자동차에 사용되는 리튬이온 배터리의 성능은 배터리 온도에 따라 큰 차이를 보인다. 본 논문에서는 유한차분법을 이용하여 배터리의 발열량에 따른 배터리의 온도변화를 평가하고, 배터리의 충전량, 내부저항 및 전압변화를 조사하였다. 이 배터리 모델을 1차원 해석 프로그램인 AMESim과 연동하여 전기자동차가 NEDC 모드로 주행 시, 배터리의 온도 변화에 따른 전기자동차의 주행거리를 산출하였다. 배터리는 온도가 $25^{\circ}C$ 이하로 감소하면 내부저항이 증가하기 때문에 발열량이 증가하여 주행거리는 줄었다. 또한, 배터리의 온도가 $25^{\circ}C$ 이상이 되면, 배터리의 충전량이 감소하여 배터리의 성능이 떨어지고 그 결과로 주행거리가 줄었다. 배터리의 성능을 최적으로 유지할 수 있는 온도인 $25^{\circ}C$를 기준으로 배터리의 온도가 $-20^{\circ}C$와 $45^{\circ}C$일 때, 전기자동차의 주행거리는 각각 33%와 1.8% 감소하였다. 배터리의 최적 온도를 유지하기 위해 효율적인 배터리 열관리를 통하여 저온에서는 가열, 고온에서는 냉각이 이루어져야 한다. 해석 결과 외기온이 $-20^{\circ}C$인 경우 500 W의 열을 공급해주어야 하며, 외기온이 $45^{\circ}C$ 경우에는 냉방을 통해 250 W의 열을 방출해줌으로써 배터리 구동의 최적 온도인 $25^{\circ}C$를 유지할 수 있다.