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문제 정의
- 본 연구에서는 넓은 부하의 범위에서도 안정된 전원 공급과 사용시간이 감소하지 않는 슈퍼커패시터를 결합한 고효율 하이브리드 전지를 제안하고자 한다. 그림 2는 이차전지 시스템의 충방전 전체 구성도이다.
- 이는 이차전지를 이용한 시스템상에서 발생될 수 있는 순간적인 과전류 현상 제어 여부를 확인하기 위함에 그 연구의 목적이 있다. 본 실험에서 사용한 정전압기와 양극접합트렌지스터(BJT)는 model 7805과 model 2n3904를 각각 이용하였다.
제안 방법
- Simulation 분석을 통하여 얻어진 결과값과 비교분석하기 위하여 실제로 회로를 설계하여 저항의 감소에도 정전류가 되는지를 확인하였다. 또한, 슈퍼커패시터를 장착한 회로를 만들어 부하의 변화에도 슈퍼커패시터의 보조 전원을 공급하여 배터리의 전류변화를 최소화하여 전지의 전압 강하량을 최소화 하여 일반전지와의 전압 강하량을 측정하였다.
- 그림 2는 이차전지 시스템의 충방전 전체 구성도이다. 그림과 같이 슈퍼커패시터를 결합한 하이브리드배터리를 장착하여 배터리의 성능을 개선하고 전자기기에 안정적 전원을 공급할 수 있도록 설계하였다.
- 또한, 슈퍼커패시터를 장착한 회로를 만들어 부하의 변화에도 슈퍼커패시터의 보조 전원을 공급하여 배터리의 전류변화를 최소화하여 전지의 전압 강하량을 최소화 하여 일반전지와의 전압 강하량을 측정하였다. 전지는 실험의 결과를 보다 명확하게 하기 위하여 전압강하량이 비교적 크면서 큰 전압을 낼 수 있도록 리튬 이온 전지 2개를 직렬로 연결하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 슈퍼 커패시터를 결합한 이차 전지의 효율 개선을 분석하기 위하여 Pspice simulation 프로그램을 이용하여 회로를 설계하였으며, 이에 따른 실제 회로도를 제작하여 simulation결과와 비교 분석 하였다.
- 하기 위하여 설계한 회로도이다. 본 회로 실험에서는 두 정 전류회로에 슈퍼 커패시터를 병렬구조로 설계 하였을때 커패시터 상부 방전시 전류치의 변화를 실험하였다.
- 이차 전지 시스템에서의 정전류 simulation을 검증을 통하여 실제 회로에서 나타날 수 있는 정전류 현상을 분석하였다. 그림 5은 정전류 회로의 simulation 결과값이다.
- 이차전지 시스템에서 전지의 수명과 기능향상의 중요한 부분인 정전류 장치의 특성을 분석하기 위하여 Pspice simulation 프로그램을 이용하여 저항의 변화에 따른 전류치의 변화량을 분석하였다. 이는 이차전지를 이용한 시스템상에서 발생될 수 있는 순간적인 과전류 현상 제어 여부를 확인하기 위함에 그 연구의 목적이 있다.
- 그림 1. 전류 변화율에 대한 전압강하량 비교.
- 또한, 슈퍼커패시터를 장착한 회로를 만들어 부하의 변화에도 슈퍼커패시터의 보조 전원을 공급하여 배터리의 전류변화를 최소화하여 전지의 전압 강하량을 최소화 하여 일반전지와의 전압 강하량을 측정하였다. 전지는 실험의 결과를 보다 명확하게 하기 위하여 전압강하량이 비교적 크면서 큰 전압을 낼 수 있도록 리튬 이온 전지 2개를 직렬로 연결하여 사용하였다. 실험회로에서 부하저항(그림 4(b) R3) 은。〜 1 kQ의 가변저항을 사용하였다.
- 실험회로에서 부하저항(그림 4(b) R3) 은。〜 1 kQ의 가변저항을 사용하였다. 전지의 전류 변화는 부하저항을 0 〜 1 kQ까지의 변화를 1 Hz로 2분 동안 변화를 시켜 전지의 전류 변화에 대한 전압 강하량 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 이는 이차전지를 이용한 시스템상에서 발생될 수 있는 순간적인 과전류 현상 제어 여부를 확인하기 위함에 그 연구의 목적이 있다. 본 실험에서 사용한 정전압기와 양극접합트렌지스터(BJT)는 model 7805과 model 2n3904를 각각 이용하였다. 그림 3(a), (b)는 본 실험에서 Pspice simulation 프로그램을 이용하여 설계한 정전류 장치의 회로도 이다.
성능/효과
- 측정 결과, 시간에 따라 전류의 값이 점차 감소하는 경향을 보이고 있으며, 기울기가 지수 함수꼴로 나타나고 있다. 결과적으로, 지수함수 그래프의 적분값에 해당하는 전류치만큼과전류시 부하에 전류가 공급되는 것을 예상할 수 있다.
- 그림 8는 일반 이차 전지와 하이브리드 전지의 전압강하량에 대하여 나타내고 있다. 그 결과 슈퍼커패시터를 장착한 전지의 전압 강하량이 슈퍼커패시터를 장착하지 않은 이차 전지의 전압 강하량 대비 62 % 향상된 결과를 보여 주고 있다. 일반적으로, 일반 전지가 약 1시간 이상을 사용함을 생각해 보면 많은 전압강하량을 줄일 수 있어 전지의 효율개선에 많은 도움을 주는 것으로 나타났다.
- 일반적인 회로에서는 공급전압이 일정할 때, 저항과 전류는 반비례하여 저항이 감소하면 전류는 증가하는 것이 기본적인 회로의 원리이다. 그러나, 그림 5에서 볼 수 있듯이 정 전압기인 model 7805를 사용했을 경 우 300 Q에서 100 Q까지 에서는 일정하게 16 mA정도로 정전류 되어 과전류가 방지됨을 확인할 수 있었다. 이회로에 슈퍼 커패시터를 장착할 경우 충전되어 있던 커패시터의 전류가 빠져나가게 됨을 예상할 수 있다.
- 또한 슈퍼커패시터를 결합한 하이브리드 전지를 제작할 경우, 일반 전지와 비교실험에 의하여 넓은 부하 범위에서 일반 전지보다 전압강하량이 감소하며, 사용 시간이 증가된 것으로 나타났다. 따라서 슈퍼 커패시터를 결합한 하이브리드 전지는 일반 전지보다 사용시간과 배터리의 수명이 증가한다는 것을 알 수 있었다.
- 공급할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 슈퍼커패시터를 결합한 하이브리드 전지를 제작할 경우, 일반 전지와 비교실험에 의하여 넓은 부하 범위에서 일반 전지보다 전압강하량이 감소하며, 사용 시간이 증가된 것으로 나타났다. 따라서 슈퍼 커패시터를 결합한 하이브리드 전지는 일반 전지보다 사용시간과 배터리의 수명이 증가한다는 것을 알 수 있었다.
- 이회로에 슈퍼 커패시터를 장착할 경우 충전되어 있던 커패시터의 전류가 빠져나가게 됨을 예상할 수 있다. 또한, 300 Q-1000 Q에서는 정상적인 전류와 저항의 반비례관계가 나타남을 확인하였다. 양극접합트렌지스터 model 2n3904를 이용한 결과에서도 저항이 작아짐에도 전류 값이 7.
- 슈퍼커패시터를 결합한 이차 전지의 단위 시간당 전압 강하비율은 일반 이차전지 대비 62 %의 향상된 효율을 나타냄을 분석 결과 알 수 있었다. 일반 전지의 사용시간을 고려하였을 때, 본 연구에서 보여 주고 있는 결과는 미래의 이차 전지 시스템설계에 많은 도움을 줄 것으로 사료된다.
- 또한, 300 Q-1000 Q에서는 정상적인 전류와 저항의 반비례관계가 나타남을 확인하였다. 양극접합트렌지스터 model 2n3904를 이용한 결과에서도 저항이 작아짐에도 전류 값이 7.2 mA에서 더이상 감소 않아 정전류되어 과전류가 방지 된다는 것을 확인하였다.
- 제안한 하이브리드 전지는 Pspice에서 simulation 을 통하여 과전류시 전지의 큰 전류변화를 방지하며, 커패시터에서 보조 전원을 사용해 안정된 전원을 공급할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 슈퍼커패시터를 결합한 하이브리드 전지를 제작할 경우, 일반 전지와 비교실험에 의하여 넓은 부하 범위에서 일반 전지보다 전압강하량이 감소하며, 사용 시간이 증가된 것으로 나타났다.
- 있다. 측정 결과 저항이 감소함에 따라 전류치가 일정한 것을 볼 수 있었으며, 결과적으로 저항이 변할지라도 정전류 현상이 나타남을 알 수 있었다. 이러한 결과는 simulation 결과와 일치하는 것을 보여 주고 있다.
- 보여 주고 있다. 측정 결과, 시간에 따라 전류의 값이 점차 감소하는 경향을 보이고 있으며, 기울기가 지수 함수꼴로 나타나고 있다. 결과적으로, 지수함수 그래프의 적분값에 해당하는 전류치만큼과전류시 부하에 전류가 공급되는 것을 예상할 수 있다.
후속연구
- 일반 전지의 사용시간을 고려하였을 때, 본 연구에서 보여 주고 있는 결과는 미래의 이차 전지 시스템설계에 많은 도움을 줄 것으로 사료된다.
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