Microstructure-based Modeling and Simulation for the Thermal Analysis of Lithium-ion Batteries from Cells to Modules

Abstract

As lithium-ion batteries (LIBs) increased the usage in electric vehicles (EVs) and larger vehicles, the need for effective thermal management to prevent thermal runaway (TR) is growing especially beyond the module level. Particularly in large-scale applications, monitoring and analyzing the thermal behavior of entire cells experimentally has significant challenges and risks, including potential fire or explosions. Thus, simulation method has emerged as a powerful method which can even analyze the thermal behavior inside the cell in real- time. In this regard, we would like to propose the novel method that can analyze the electrochemical and thermal behavior at cell-to-module scale for an unmanned railway robot using five pouch cells in series (8.8 Ah/18.5 V). The module was assessed experimentally under various discharge rates (0.1, 0.5, 1, 3, and 5C) at 25°C, also evaluated with simulations. Unlike the traditional lumped model that represents cell structures simply as boxes, our simulation approach utilized a 3D microstructure-based digital twin model incorporating the stacks and tabs connections within the cells, considering multiple physical phenomena. Comparing the simulated results with experimental data demonstrated that our digital twin model achieved over 97% consistency, highlighting its necessity for accurate TR prevention simulations. Additionally, under a high discharge condition of 10C, the lumped model predicted a maximum temperature of only 123°C, whereas the digital twin model predicted 137°C, underscoring the digital twin model’s importance for precise thermal analysis. Lastly, from a practical standpoint, two types of railway driving patterns were applied to both the digital twin model and the lumped model for evaluation.

|리튬 이온 배터리(LIB)가 기존의 전기차를 넘어 전기 트럭과 트램 같이 더 무거운 운송수단의 파워소스로 광범위하게 적용되면서, 모듈 또는 팩 수준에서의 LIB 시스템의 정교한 열 관리가 점점 더 중요해지고 있다. 특히 모든 LIBs의 열 거동을 동시에 정확히 관리하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에, LIB 모듈 또는 팩 단위의 열-전기화학 모델링과 시뮬레이션이 열 폭주를 분석하고 방지하는 데 필수적인 방법으로 떠오르고 있다. 그러나 열-전기화학 모델로 기존에 많이 사용되고 있는 Lumped model은 LIB 셀 내부의 열 거동을 정확히 분석하기 어려워 시뮬레이션 결과와 실험 간에 차이가 발생해 높은 신뢰성을 기대하기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 셀 내부 구조를 정교하게 반영한 새로운 모델링 방법(Microstructure-based digital twin modeling method)을 통해 셀 내부의 열 거동을 정교하게 모사할 수 있게 했다. 모듈 단에서 본 모델링 기법의 우수성을 입증하기 위해, 무인 철도 차량용 8.8 Ah/18.5 V 배터리 모듈(5개의 리튬 이온 파우치 셀 직렬구성)을 개발 후 평가하였다. 모델링 방법의 경우, LIB 셀 내부 구조를 정교하게 반영한 후 multi-physics(P2D electrochemical, 3D current distribution, 3D thermal physics)를 적용하여 셀 내부의 열적 거동을 정밀하게 분석할 수 있게 했다. 그 결과, 우리의 디지털 트윈 모델은 기존 모델과 달리 셀 내부의 불균일한 온도 분포를 정교하게 모사하였을 뿐만 아니라, 셀 내부의 국부적인 최대 온도를 예측하여 열 폭주의 위험성으로부터 안전한 가이드 라인을 제시할 수 있게 되었다.