[논문]리튬폴리머전지의 충/방전 특성해석을 위한 진기적모델링에 관한 연구

최해룡; 반한식; 목형수; 신우석; 고장면

리튬폴리머전지의 충/방전 특성해석을 위한 진기적모델링에 관한 연구
A Study on Electrical Modeling for Charge/Discharge Analysis of Li-Polymer Battery 원문보기

리튬폴리머전지의 전기적인 특성을 평가하고 이것을 시스템 측면에서 고찰할 수 있는 이론적인 토대를 마련하기 위하여 본 논문에서는 전지의 전기적인 특성평가를 위한 전기적모델링 기법에 관하여 고찰하였다. 실제 제작된 리튬폴리머전지의 특성자료를 바탕으로 R-L-C 모델을 이용한 동적해석방식과 PSpice 모델을 이용한 정적해석방식을 통하여 리튬폴리머전지의 전기적 특성을 해석하였다. 각 모델의 풍/방전시의 전기적 특성을 고찰하고 충/방전조건에 따른 전지의 단자전압등 특성변수의 변화를 실제 제작된 리튬폴리머전지와 비친, 검토하여 그 타당성을 검증하였다.

Started upon Its discovery by Wright et al in 1773, studies on the solid polymer electrolyte are being carried out vigorously. So, models of Li-polymer battery have been developed through R-L-C components combination and PSpice functional block in this parer. The impedance characteristics of Li-polymer battery with R-L-C components are presented. Simulation results using PSpice functional model are compared with measured charge/discharge characteristics. Also, as to the number of cycle(charge/discharge), coulomb efficiency of Li-polymer is evaluated through experimental results.

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문제 정의

:Z러나 아직까지 :1 전기적인 특성을 분석하고 전지의 충/방전상태를 진단하기 위한 정량적인 기법의 부재로 인하여 전지 및 충/방전 장치의 설계 및 제작에 많은 애로가 발생하게 된다.'4 따라서 본 연구에서는 리튬폴리머전지의 특성해석을 위한 전기적 모델링을 제시하였다. 아울러 고에너지 밀도, 수명연장 및 안전성을 확보하기 위하여 양극에는 리튬금속 산화물, 음극에는 탄소 및 고분자 전해질을 이용하여리 튬폴리 머전지를 구현하였다.
이를 통하여 효율적인 충/방전조건을 결정하고 충/방전장치 개발시 충/방전제어의 조건을 제시할 수 있다. 또한 실제로 제작된 리튬폴리머 전지의 특성 분석을 통하여 앞서 분석된 전지의 특성과 함께 대용량 전지 시스템을 위한 대안으로서의 가능성을 확인하였다. 향후 연구과제로는 리튬폴리머전지의 병렬운전 시의 문제점 고찰과 온도특성에 민감한 리튬폴리머전지의 내부 및 외부 온도변화에 대한 이론적인 특성해석이 필요하다.
본 논문에서는 리튬폴리머전지의 특성진단을 위한 전기적인 모델을 이용하여 분석하였고 특히 R-L-C 성분을 이용한 전기적 등가회로를 통한 전지 임피던스 특성을 고찰하였으며 내부상태 진단 및 가장 효율적인 충/방전 주파수 운전조건을 확인하였다. 또한 상용 시뮬레이션 프로그램인 PSpice를 이용하여 리튬폴리머전지의 고유의 특성을 모델링 하였고 이러한 시뮬레이션 분석을 통하여 리튬폴리머전지의 주요 특성을 확인할 수 있었다.
아울러 고에너지 밀도, 수명연장 및 안전성을 확보하기 위하여 양극에는 리튬금속 산화물, 음극에는 탄소 및 고분자 전해질을 이용하여리 튬폴리 머전지를 구현하였다. 이를 통하여 리 튬폴리머전지를 포함한 에너지저장시스템의 전기화학적 특성해석 및 충전용 전력변환장치를 설계 개발함에 있어 기초자료를 제공하고자 한다.

제안 방법

주파수 운전조건을 확인하였다. 또한 상용 시뮬레이션 프로그램인 PSpice를 이용하여 리튬폴리머전지의 고유의 특성을 모델링 하였고 이러한 시뮬레이션 분석을 통하여 리튬폴리머전지의 주요 특성을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 효율적인 충/방전조건을 결정하고 충/방전장치 개발시 충/방전제어의 조건을 제시할 수 있다.
분석하였다. 먼저 제시된 동적모델을 이용하여 실제 전지의 충/방전 특성을 근사화하였다. 정적모델은 본 연구에서 제작된 리튬폴리머전지 실험을 통해 얻어진 데이터를 바탕으로 그림5에 제시된 모델을 이용하여 특성을 분석하였다.
방전과정은 이미 충전된 전지에 임의의 부하 조건에 따라서 수행되며 역시 수 차례의 충/방전과정을 통하여 방전용량의 저감특성을 고찰함으로서 그 특성을 평가한다. 초기에 급속히 단자전압이 떨어지는 특성을 볼 수 있으며 앞서 시뮬레이션에서도 이 영역에서의 특성을 고려하였다.
'4 따라서 본 연구에서는 리튬폴리머전지의 특성해석을 위한 전기적 모델링을 제시하였다. 아울러 고에너지 밀도, 수명연장 및 안전성을 확보하기 위하여 양극에는 리튬금속 산화물, 음극에는 탄소 및 고분자 전해질을 이용하여리 튬폴리 머전지를 구현하였다. 이를 통하여 리 튬폴리머전지를 포함한 에너지저장시스템의 전기화학적 특성해석 및 충전용 전력변환장치를 설계 개발함에 있어 기초자료를 제공하고자 한다.
먼저 제시된 동적모델을 이용하여 실제 전지의 충/방전 특성을 근사화하였다. 정적모델은 본 연구에서 제작된 리튬폴리머전지 실험을 통해 얻어진 데이터를 바탕으로 그림5에 제시된 모델을 이용하여 특성을 분석하였다. 표1은 본 연구에서 사용된 시뮬레이션 조건을 나타낸다.

데이터처리

시뮬레이션은 R-L-C성분으로 구성된 동적 모델과 시뮬레이션 프로그램인 PSpice를 이용한 정적모델을 이용하여 각각 리튬폴리머전지의 특성을 분석하였다. 먼저 제시된 동적모델을 이용하여 실제 전지의 충/방전 특성을 근사화하였다.

성능/효과

초기에 급속히 단자전압이 떨어지는 특성을 볼 수 있으며 앞서 시뮬레이션에서도 이 영역에서의 특성을 고려하였다. 본 연구에서는 사용된 전지에 0.1-2C의 방전조건으로 방전할때 4회 충/방전 주기 후의 방전용량은 116mAh/g을 나타내었다. 이는 이미 발표된 통상적인 리튬폴리머전지(약 100mAh/g)에 비해 높은 에너지 밀도특성을 지님을 알 수 있다.

후속연구

또한 실제로 제작된 리튬폴리머 전지의 특성 분석을 통하여 앞서 분석된 전지의 특성과 함께 대용량 전지 시스템을 위한 대안으로서의 가능성을 확인하였다. 향후 연구과제로는 리튬폴리머전지의 병렬운전 시의 문제점 고찰과 온도특성에 민감한 리튬폴리머전지의 내부 및 외부 온도변화에 대한 이론적인 특성해석이 필요하다.

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