카메라, 휴대전화, 노트북 등과 같이 휴대 가능한 전기전자기기들은 대부분 2차 전지로부터 전원을 공급받고 있다. 2차 전지로서는 타 전지에 비하여 고 에너지 밀도와 고 전압의 특성을 갖고 있는 리튬2차전지가 가장 많이 활용되고 있으며, 이 특성 때문에 전기자동차, 우주왕복선, 분산전원의 한 형태인 전력 저장장치에까지 그 이용이 확대되고 있다. 그러나, 시스템의 최적성능을 보장하기 위해서는 용도별 싸이클 수명성능을 고려한 충방전 설계 및 이를 위한 전기적 등가모델의 정확성이 필수적이다. 따라서, 본 논문에서는 상용 리튬이차전지의 실제 실험 데이터에 근거하여 충/방전 심도 함수를 도출하고, 리튬이차전지의 수명성능평가를 위한 충/방전 특성 모델을 제안하고, 이의 타당성을 입증하였다.
카메라, 휴대전화, 노트북 등과 같이 휴대 가능한 전기전자기기들은 대부분 2차 전지로부터 전원을 공급받고 있다. 2차 전지로서는 타 전지에 비하여 고 에너지 밀도와 고 전압의 특성을 갖고 있는 리튬2차전지가 가장 많이 활용되고 있으며, 이 특성 때문에 전기자동차, 우주왕복선, 분산전원의 한 형태인 전력 저장장치에까지 그 이용이 확대되고 있다. 그러나, 시스템의 최적성능을 보장하기 위해서는 용도별 싸이클 수명성능을 고려한 충방전 설계 및 이를 위한 전기적 등가모델의 정확성이 필수적이다. 따라서, 본 논문에서는 상용 리튬이차전지의 실제 실험 데이터에 근거하여 충/방전 심도 함수를 도출하고, 리튬이차전지의 수명성능평가를 위한 충/방전 특성 모델을 제안하고, 이의 타당성을 입증하였다.
Secondary batteries become more important in our lives as the use of portable electric devices, such as camera, cellular phone, laptop, etc. Especially, because of their high energy densities and high voltage, lithium-ion batteries are being used in many systems. For the optimum design of such syste...
Secondary batteries become more important in our lives as the use of portable electric devices, such as camera, cellular phone, laptop, etc. Especially, because of their high energy densities and high voltage, lithium-ion batteries are being used in many systems. For the optimum design of such systems which include lithium-ion batteries, virtual prototype is required generally. However, since the complex chemical and physical processes are involved, the behavior of battery becomes harder to be predicted compared with that of electric and mechanic devices. This paper, proposes a new static model of lithium secondary battery, which accounts for nonlinear equilibrium potentials, rate and temperature dependencies, thermal effects, lifetime characteristic. The results of the simulation of the model are analysed and compared with experimental data to inspect their validity.
Secondary batteries become more important in our lives as the use of portable electric devices, such as camera, cellular phone, laptop, etc. Especially, because of their high energy densities and high voltage, lithium-ion batteries are being used in many systems. For the optimum design of such systems which include lithium-ion batteries, virtual prototype is required generally. However, since the complex chemical and physical processes are involved, the behavior of battery becomes harder to be predicted compared with that of electric and mechanic devices. This paper, proposes a new static model of lithium secondary battery, which accounts for nonlinear equilibrium potentials, rate and temperature dependencies, thermal effects, lifetime characteristic. The results of the simulation of the model are analysed and compared with experimental data to inspect their validity.
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문제 정의
따라서, 본 논문에서는 상용 리튬이차전지의 실제 실험 데이터를 기반으로 충/방전 심도 함수를 도출하고, 이것을 이용하여 온도 수명을 포함하는 리틈이차전지의 충 /방전모델을 제안하기로 한다.
본 논문에서는 일정 방전 전류 하에서 이차전지의 정적특성만을 모델링 하였다. 이러한 정적특성은 전지의 효율이나 용량, 수명 등을 평가하는데 유용하다.
본 논문에서는 충방전 심도, 전압 및 용량 보정계수를이용하여 충방전 조건, 온도변화, 수명특성에 따른 리튬2 차전지의 충방전 특성을 모델링하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법에 의하여 얻어진 충방전특성곡선은 실험데이터와 거의 일치함을 확인할 수 있었으나, 저온(-20℃) 에서의 방전특성 모델링값은 실험 데이터와 약간의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
제안 방법
2는 계산된 a에의해 모델링된 방전특성과 실측데이터의 방전 특성을 비교한 것이다. 다음은 이 모델링된 1.0C의 방전특성곡선을가지고 0.2C, 0.5C, 2.0C의 방전특성곡선을 구하는 방법에 대하여 제안하기로 한다. 먼저, 기준 방전특성곡선 (1.
1 과 같다. 대상전지의 용량은 3.0 V를 종지전압으로 하여 산출된 1.0C (1306 mAh) 으로서, 충전방식은 정전류(충전전류 0.2 C, 0.5 C, 1.0 C, 2.0 C) i 정전압(4.2 V) — 정전류(0.1 C) 의 일반적인 방식을 채택하였고, 방전방식은 종지전압 2.5 V가 아닌 3.0 V로 하였으며, 충전 및 방전용량은 각각의 충전 종지 조건 및 방전 종지 조건까지의 충전 및방전된 양으로 하였다.
방전 특성과 같은 방법으로 기준 충전특성곡선(0.5 C) 으로부터 각각의 주어긴 충전 조건에서의 전압 보상과 보정계수를 적용하여 02 C, 1.0 C, 2.0 C의 모델링 결과와 실험 데이터를 비교하였다.
Step 5. 방전전류 L0C의 101, 201, 301, 401, 501 cycles종료직후 방전실험데이터와 Step 4에서얻어진 방전심도에 대한 방전 전압 값들로부터 각 싸이클에서의 내부저항Rm 와 용량보정계수, 를 구한다.
수명 특성이란 충/방전횟수가 증가함에 따라 활성 이온의 감소로 인하여 단자전압과 용량의 감소로 나타나며 그 감소율은 전지의 전체 용량과 관계한다. 본 논문에서는 단자 전압의 김소 요인을 전지의 내부저항의 증가로 등가화하여 다음의 식(3) 과 같이 수명특성을 고려한 방전특성 모델링 방법을 제안한다.
본 절에서는 3절에서 제안한 방법에 의거하여 방전특성, 충전특성, 온도특성 및 수명특성을 모델링하고, 이로부터 얻은 시뮬레이션 데이터를 실험테이터와 비교하여고찰하여 보도록 한다.
여기에서는 편의상 0.5C 충전전류(0.659 mA)를 기준 충전 특성곡선으로 하였다. 이때 가로축은 방전이 아닌 충전이기 때문에 SOC (State of Charge)로 나타낸다.
대상 데이터
본 논문에서의 실험 데이터는 국내 모기업에서의 리튬이온폴리머 전지 생산라인에서 평균적으로 얻어진 데이터를 이용한 것으로서 그 실험 조건은 표 2.1 과 같다. 대상전지의 용량은 3.
성능/효과
이러한 오차는 계산상에서 충전시간을 보다 세분화 하여 계산함으로써 줄 일 수 있다. 4.2 V 종지 전압 부분을 제외하고 모델링 된 값은 실험 데이터에 거의 일치하는 것을 확인 할 수 있다.
이는 전지의 저온 특성의 경우 그래프에서 알 수 있듯이 특성곡선이 온도에 따라 곡선의 모양이 비선형적으로 변하므로 수학적 등가화를 통한 모델링에 그 한계가 있음을 보여준다. 결과적으로, 본 논문에서 제안한 리튬이차전지의 충방전특성 모델링 방법은 근소한 오차 내에서 실험 데이터와 거의 근접한 결과를 얻을 수 있는 방법임이 입증되었다.
0 C)에서의 전지의 단자 전압 및 방전 용량의 변화를 보이고 있다. 그래프에서 보듯이 방전 전류가 작을수록 전지의 단자 전압과 전지의 방전 용량은 증가하며, 방전 전류가 클수록 단자전압과 전지의 방전용량이 감소함을 알 수 있다.
7 은 리튬이온폴리머전지의 500 cycle 동안에 일어나는 충전, 방전 전압/전류의 특성을 보이고 있다. 리튬이온폴리머전지는 다른 전지들과 마찬가지고 충/방전의 심도에 따라 단자 전압이 큰 영향을 받게되는데, 반복된 충/방전특성 결과를 종합한 결과, 충/방전조건에 따라 전지의 내부저항(3湿 ) 이 변하는 특성을 고찰 할 수 있다. 충방전 횟수의 증가에 따라 전극과 계면에서 고체상태의 부동태막(passivation film)이 만들어지며, 일단 형성되면 전해질 내에 용해되지 않고 충/방전 횟수증가에 따라 두께가 증가하게 되며, 전기적 모델링에서이는 내부저항의 변화로 고려될 수 있다.
이것은 충/방전 횟수가증가 할수록 전지의 내부저항 또한 비례하여 증가하는것을 의미한다. 모델링된 결과, 각각의 사이클에서 결과값은 실험 데이터에 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었으며, 특히, 기준(1.0C, 25 ° C , ICycle)방전특성의 모델링 결과는 실험데이터와의 비교에 있어서 평균오차가 0.1%미만으로 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다.
8에 제시한다. 모델링된 결과를보면, 낮은 온도일수록 그 오차는 커지는 것을 확인 할수 있다. 이것은 2장에서 고찰 한 바와 같이 온도에 따른방전 특성이 비선형적으로 변하므로 모든 SOD구간에서동일한 보정계수를 적용하는 것은 이러한 비선형적 변화를 충실히 표현하는데 한계가 있다.
실험에서 전지의 용량이 1300 mA인 경우 충/방전 횟수가 500회 일 때 총 방전용량은 약 95%로 감소하는 것으로 나타났다. 전지의 용량이 적을 경우 충/방전 횟수 증가에 따른 용량 감소 비는 증가하며, 이것은 전지의 특성을 결정짓는 요소인 내부 저항이 충/방전용량에 의존적인 특성을 갖고 있다는 것을 입증하고 있다.
제안하였다. 제안된 방법에 의하여 얻어진 충방전특성곡선은 실험데이터와 거의 일치함을 확인할 수 있었으나, 저온(-20℃) 에서의 방전특성 모델링값은 실험 데이터와 약간의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 제안된 리튬이차전지의 모델링 방법은 모델링 구성이 쉽고, 층방전특성결과를 빠르게 산출 할 수가 있다는 장점이 입증되어, 다른 종류의 2차전지에도 그 확대적용이 기대 된다.
때 크게 네 가지로 분류 할 수 있다. 첫째로, 전지내부의 물리, 화학적인 반응을 상세히 기술하는 물리적인모델링 방법으로 전지의 충/방전 특성을 가장 정확하게표현할 수 있다. 그 예로는 시간함수 상에서 전지 cell의전위를 복잡한 미분공식으로 표현하는 방법E과 리튬전지를 시뮬레이션하기위해 사용되는 Dualfoil 이라는Fortran Program미이 있다.
충방전조건에 따른 충방전 특성과 수명특성을 고려한 방전 특성 모델링에서는 평균 오차가 0.5 [%] 미만의 수치로서 실험 데이터에 매우 근접한 결과를 얻었으며, 온도변화에 따른 방전특성모델링에서는 약 1.73 [%]로서 약간 평균 오차가 커짐을 알 수 있다. 이는 전지의 저온 특성의 경우 그래프에서 알 수 있듯이 특성곡선이 온도에 따라 곡선의 모양이 비선형적으로 변하므로 수학적 등가화를 통한 모델링에 그 한계가 있음을 보여준다.
후속연구
제안된 방법에 의하여 얻어진 충방전특성곡선은 실험데이터와 거의 일치함을 확인할 수 있었으나, 저온(-20℃) 에서의 방전특성 모델링값은 실험 데이터와 약간의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 제안된 리튬이차전지의 모델링 방법은 모델링 구성이 쉽고, 층방전특성결과를 빠르게 산출 할 수가 있다는 장점이 입증되어, 다른 종류의 2차전지에도 그 확대적용이 기대 된다.
특히 전자기기의 경우에는 펄스파의 부하가 대부분이다. 따라서, 향후 연구과제로는 정적 특성을 바탕으로 리튬이차전지의 동적 특성 모델에 대한 연구가 필요하다.
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