본 논문에서는 배터리의 비선형적 방전 특성인 회복효과를 사용하여 배터리의 사용 시간을 연장하는 기법을 제안한다. 일반적으로 배터리의 사용 시간을 예측할 때에는 배터리 내부에 저장된 에너지가 일정하다고 가정하지만, 실제로는 배터리 내부의 화학 반응 때문에 배터리를 계속 방전시키지 않고 중간에 쉬는 시간을 만들어주면 더 많은 에너지를 끌어낼 수 있는데 이를 회복효과라 한다. 제안하는 기법에서는 다수의 배터리 셀을 교대로 방전시킴으로서 기기의 전력 공급은 그대로 유지하면서 배터리 셀 일부를 쉬게 하여 회복효과를 발생시키고, 이에 따라 배터리의 사용 시간을 연장시킬 수 있다. 실험 결과, 2개의 배터리 셀을 기존처럼 병렬 연결하여 방전시키는 것에 비해 배터리 셀을 교대로 방전시키면 배터리 사용시간이 약 7% 증가하였다.
본 논문에서는 배터리의 비선형적 방전 특성인 회복효과를 사용하여 배터리의 사용 시간을 연장하는 기법을 제안한다. 일반적으로 배터리의 사용 시간을 예측할 때에는 배터리 내부에 저장된 에너지가 일정하다고 가정하지만, 실제로는 배터리 내부의 화학 반응 때문에 배터리를 계속 방전시키지 않고 중간에 쉬는 시간을 만들어주면 더 많은 에너지를 끌어낼 수 있는데 이를 회복효과라 한다. 제안하는 기법에서는 다수의 배터리 셀을 교대로 방전시킴으로서 기기의 전력 공급은 그대로 유지하면서 배터리 셀 일부를 쉬게 하여 회복효과를 발생시키고, 이에 따라 배터리의 사용 시간을 연장시킬 수 있다. 실험 결과, 2개의 배터리 셀을 기존처럼 병렬 연결하여 방전시키는 것에 비해 배터리 셀을 교대로 방전시키면 배터리 사용시간이 약 7% 증가하였다.
This paper proposes a battery lifetime enhancement method based on the nonlinear discharge charisteristics called recovery effect. In general, the stored energy in a battery is considered in the prediction of battery lifetime. However, due to the chemical reaction in a battery, more energy can be dr...
This paper proposes a battery lifetime enhancement method based on the nonlinear discharge charisteristics called recovery effect. In general, the stored energy in a battery is considered in the prediction of battery lifetime. However, due to the chemical reaction in a battery, more energy can be drawn from a battery when it is not continuously but intermittently discharged, which is called recovery effect. In the proposed method, several battery cells are alternately discharged, and some battery cells rest while maintaining the system power supply. This makes recovery effect of battery cells, which extends battery lifetime. In the experiment, battery lifetime increases about 7% in the alternating discharge of two battery cells, when compared with conventional parallel discharge.
This paper proposes a battery lifetime enhancement method based on the nonlinear discharge charisteristics called recovery effect. In general, the stored energy in a battery is considered in the prediction of battery lifetime. However, due to the chemical reaction in a battery, more energy can be drawn from a battery when it is not continuously but intermittently discharged, which is called recovery effect. In the proposed method, several battery cells are alternately discharged, and some battery cells rest while maintaining the system power supply. This makes recovery effect of battery cells, which extends battery lifetime. In the experiment, battery lifetime increases about 7% in the alternating discharge of two battery cells, when compared with conventional parallel discharge.
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문제 정의
본 논문에서는 스마트 기기에서 사용되는 배터리의 사용시간 연장을 위한 배터리 셀 제어 기법을 제안한다. 일반적으로 배터리의 종류에 관계없이 배터리에서 지속적으로 전류를 끌어내는 경우에 비해 배터리의 방전을 멈추고 일정 시간 쉬게 하는 경우가 배터리에서 더 많은 전력량을 끌어낼 수 있다.
본 논문에서는 스마트 기기의 배터리 사용 시간 연장을 위해 여러 개의 배터리 셀을 교대로 방전하는 기법을 제안하였다. 2개의 배터리 셀을 교대로 기기에 연결하여 하나는 기기의 전력 공급을 담당하고 다른 하나는 쉬게 한다면 전력을 공급하는 배터리 셀은 배터리 사용시간이 감소하며, 쉬고 있는 배터리 셀에서는 사용시간이 증가한다.
제안 방법
이는 GUI (Graphic User Interface) 환경으로 되어있어 그래프나 차트를 통해 실시간으로 측정 데이터를 관찰할 수 있다. 또한 랩뷰와 연동하여 소프트웨어적으로 원하는 디지털 신호와 아날로그 전압을 발생시키고 입력 신호의 전압, 전류, 로직값을 실시간으로 측정할 수 있는 장비인 DAQ (Data Acquisition)를 이용하여 통합 실험 환경에서 알고리즘 수행, 배터리 제어, 전류/전압/전력 측정, 배터리 사용시간 측정을 한 번에 수행하였다.
모니터링 부는 입력 전압값과 스위칭되어 출력되는 출력 전압 값을 실시간으로 모니터링해주고 수집된 데이터 값을 저장하는 기능으로 구성하였다. 전압 비교부는 실시간으로 전압을 비교하여 다중 셀의 전압값을 서로 비교하도록 구성하였다.
제안하는 기법을 검증하기 위해서는 배터리 셀의 연결 상태를 소프트웨어 적으로 원하는 대로 제어해서 스마트 기기에 전력을 공급하고 배터리의 전류, 전압, 전력을 측정하며 최종적으로는 스마트 기기의 배터리 사용 시간을 측정해야 하는데, 이를 수행할 수 있는 통합 실험 환경을 구성하는데 여러 가지 어려움이 따른다. 본 논문에서는 기존의 C/C++ 등의 언어와 다르게 그래픽 기반으로 되어있어 비교적 손쉽게 작성할 수 있는 랩뷰 (Labview)를 이용하여 실험 소프트웨어를 작성함으로서 실험 환경을 구성하였다. 이는 GUI (Graphic User Interface) 환경으로 되어있어 그래프나 차트를 통해 실시간으로 측정 데이터를 관찰할 수 있다.
본 논문에서는 제안하는 기법의 배터리 사용 시간 개선 효과를 측정하기 위해 그림 6과 같이 랩뷰로 실험 소프트웨어를 구성하였다. 랩뷰는 그래픽 기반 프로그래밍 언어로서 기존의 프로그래밍 언어보다 유연하게 테스트, 측정 및 제어 어플리케이션을 신속히 작성할 수 있는 개발 환경이다.
모니터링 부는 입력 전압값과 스위칭되어 출력되는 출력 전압 값을 실시간으로 모니터링해주고 수집된 데이터 값을 저장하는 기능으로 구성하였다. 전압 비교부는 실시간으로 전압을 비교하여 다중 셀의 전압값을 서로 비교하도록 구성하였다. 스위치 컨트롤부는 배터리의 연결상태를 제어하고 모니터링 함으로서 현재 어느 셀이 디바이스와 연결되어 있는지 확인할 수 있도록 구성하였다.
일반적으로 배터리의 종류에 관계없이 배터리에서 지속적으로 전류를 끌어내는 경우에 비해 배터리의 방전을 멈추고 일정 시간 쉬게 하는 경우가 배터리에서 더 많은 전력량을 끌어낼 수 있다. 제안하는 기법에서는 여러 개의 배터리 셀을 병렬로 연결하여 사용하는 스마트 기기에서 배터리 셀을 교대로 방전함으로서 매순간마다 몇 개의 배터리 셀은 기기의 전력 공급을 도맡고 몇 개의 배터리 셀은 휴지시간을 가짐으로서 전체적인 배터리 사용시간을 연장한다.
제안하는 기법은 배터리의 전력 용량 자체를 늘리지는 않지만 배터리의 방전 방식만을 바꿈으로서 배터리의 사용 시간을 연장하며, 실제로 배터리 내부 물질의 변화 없이도 배터리의 전력 용량을 늘리는 효과를 가져온다고 볼 수 있다. 배터리 사용시간에 중요한 영향을 미치는 배터리 방전 특성인 회복효과를 이용하여 배터리 셀의 연결 상태를 제어하고 교대로 부하와 연결되어 방전시켜 실험한 결과, 기존의 방법인 병렬로 고정으로 연결하여 방전할 때의 배터리 사용시간보다 약 7%가 증가하였음을 확인하였다.
제안하는 기법을 검증하기 위해서는 배터리 셀의 연결 상태를 소프트웨어 적으로 원하는 대로 제어해서 스마트 기기에 전력을 공급하고 배터리의 전류, 전압, 전력을 측정하며 최종적으로는 스마트 기기의 배터리 사용 시간을 측정해야 하는데, 이를 수행할 수 있는 통합 실험 환경을 구성하는데 여러 가지 어려움이 따른다. 본 논문에서는 기존의 C/C++ 등의 언어와 다르게 그래픽 기반으로 되어있어 비교적 손쉽게 작성할 수 있는 랩뷰 (Labview)를 이용하여 실험 소프트웨어를 작성함으로서 실험 환경을 구성하였다.
제안하는 방법으로 실험하는 과정에서는 배터리 셀을 교대로 방전하다가 중간에 병렬로 연결을 고정하여 방전하는 부분이 있다. 이는 배터리의 화학적 특징에 의해 충전량이 많을수록 배터리가 안정화되기 때문에 완전충전 상태에서는 배터리 회복효과가 잘 일어나지만 전압이 어느 정도 떨어진 시점에서는 회복효과가 약해지기 때문이다.
대상 데이터
그림 8은 병렬방전과 교대방전에 따른 배터리 사용시간을 측정하여 비교한 그래프이다. 본 논문에서는 750 mAh Li-ion 배터리 2개를 배터리 셀로 사용하였다. 사용된 부하인 아이패드의 경우 750 mAh Li-ion 배터리를 완전충전 하였을 때 전압이 약 4.
또한 랩뷰를 통해 실제 신호와 인터페이스하고 데이터를 분석 할 수 있다. 실험 소프트웨어는 그림 5와 같이 모니터링부, 주기컨트롤부, 전압 비교부, 스위치 컨트롤부, 병렬전환부, 전압 평균값 계산부로 구성하였다.
성능/효과
본 논문에서는 스마트 기기의 배터리 사용 시간 연장을 위해 여러 개의 배터리 셀을 교대로 방전하는 기법을 제안하였다. 2개의 배터리 셀을 교대로 기기에 연결하여 하나는 기기의 전력 공급을 담당하고 다른 하나는 쉬게 한다면 전력을 공급하는 배터리 셀은 배터리 사용시간이 감소하며, 쉬고 있는 배터리 셀에서는 사용시간이 증가한다. 일반적으로 전력을 공급하는 배터리 셀의 사용시간 감소보다 쉬고 있는 배터리 셀의 사용시간 증가가 더 크기 때문에 전체적으로는 배터리의 사용 시간이 늘어난다.
4번의 측정 결과는 표 1과 같다. 기존의 병렬 방전 기법에서 배터리 사용시간의 평균값은 9733초로 측정되었고 제안하는 배터리 교대 방전 기법에서 배터리 사용시간의 평균값은 10418초로 측정되었다. 따라서 배터리 셀을 교대로 방전하는 것만으로도 7%의 사용시간 연장을 얻을 수 있었다.
배터리에 저장된 전력량이 일정하더라도 시스템이 배터리에서 실제 끌어 쓸 수 있는 전력의 양은 배터리의 충·방전 조건 및 시스템의 동작 조건에 따라 달라진다. 따라서 배터리 방전특성을 활용하여 배터리셀의 연결 상태를 제어하여 전력을 종합적으로 관리하면 높은 에너지 효율을 얻을 수 있다.
기존의 병렬 방전 기법에서 배터리 사용시간의 평균값은 9733초로 측정되었고 제안하는 배터리 교대 방전 기법에서 배터리 사용시간의 평균값은 10418초로 측정되었다. 따라서 배터리 셀을 교대로 방전하는 것만으로도 7%의 사용시간 연장을 얻을 수 있었다.
제안하는 기법은 배터리의 전력 용량 자체를 늘리지는 않지만 배터리의 방전 방식만을 바꿈으로서 배터리의 사용 시간을 연장하며, 실제로 배터리 내부 물질의 변화 없이도 배터리의 전력 용량을 늘리는 효과를 가져온다고 볼 수 있다. 배터리 사용시간에 중요한 영향을 미치는 배터리 방전 특성인 회복효과를 이용하여 배터리 셀의 연결 상태를 제어하고 교대로 부하와 연결되어 방전시켜 실험한 결과, 기존의 방법인 병렬로 고정으로 연결하여 방전할 때의 배터리 사용시간보다 약 7%가 증가하였음을 확인하였다.
본 논문에서는 750 mAh Li-ion 배터리 2개를 배터리 셀로 사용하였다. 사용된 부하인 아이패드의 경우 750 mAh Li-ion 배터리를 완전충전 하였을 때 전압이 약 4.2V이고 아이패드와 연결하여 실험한 결과 약 3.3V이하에서는 시스템이 동작을 하지 못하였으므로, 공급 전합의 유효범위는 4.2V에서 3.3V정도로 확인 되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
회복효과가 발생하는 이유는?
배터리에서 지속적으로 전류를 끌어다 쓰는 경우에는 배터리 셀의 전압이 계속 낮아지지만, 시스템이 휴면 상태 (sleep mode)에 들어가서 배터리로부터 전류를 끌어 쓰지 않는 시간이 있는 경우에는 배터리의 출력 전압이 상승하여 결과적으로 배터리의 잔여 용량이 증가하게 되는데, 이를 배터리의 회복효과 (recovery effect)라고 한다. 회복효과가 발생하는 이유는 배터리에서 전류를 끌어쓰지 않는 휴지시간 동안에 전극에서 먼 전해질은 안정적으로 가까운 전해질 쪽으로 전자를 전달할 수 있게 되어 결과적으로더 많은 전하를 배터리에서 끌어낼 수 있기 때문이다. 이와 같이 방전률 효과 및 회복효과는 배터리의 사용시간 및 배터리 사용시간 연장을 위한 중요한 특성임을 알 수 있다.
회복효과란?
본 논문에서는 배터리의 비선형적 방전 특성인 회복효과를 사용하여 배터리의 사용 시간을 연장하는 기법을 제안한다. 일반적으로 배터리의 사용 시간을 예측할 때에는 배터리 내부에 저장된 에너지가 일정하다고 가정하지만, 실제로는 배터리 내부의 화학 반응 때문에 배터리를 계속 방전시키지 않고 중간에 쉬는 시간을 만들어주면 더 많은 에너지를 끌어낼 수 있는데 이를 회복효과라 한다. 제안하는 기법에서는 다수의 배터리 셀을 교대로 방전시킴으로서 기기의 전력 공급은 그대로 유지하면서 배터리 셀 일부를 쉬게 하여 회복효과를 발생시키고, 이에 따라 배터리의 사용 시간을 연장시킬 수 있다.
방전률 효과란?
그림 1은 같은 용량의 배터리에서 방전 전류에 따른 배터리의 사용 시간을 비교한 그림으로, 동일한 전력량이 충전되어 있더라도 방전 전류에 따라 방전 시간에서는 큰 차이를 보여주고 있다.[4]-[6] 즉, 시스템이 끌어 쓰는 전류가 높아지면 배터리 사용시간이 줄어들고, 시스템이 끌어쓰는 전류가 낮아지면 배터리 사용 시간이 낮아지는 것을 알 수 있다. 이를 방전률 효과 (rate capacity effect)라고 한다.
참고문헌 (8)
C. Park, K. Jang, S. Woo, and J. Choi, "Design of a High-Resolution Integrating Sigma-Delta ADC for Battery Capacity Measurement", Journal of IKEEE, vol. 16, no. 1, pp. 28-33, Jan. 2012.
C. Yim, J. Kim, and S. Park, "Synchronous Buck Converter with High Efficiency and Low Ripple Voltage for Mobile Applications", Journal of IKEEE, vol. 15, no. 4, pp. 319-323, Dec. 2011
J. Nam, J. choi, J. Baek, and H. Hwang, "A Study on Cell Equalizing of Secondary Battery", Proceeding of Power Electronics Annual Conference, pp. 143-145, Nov. 2006.
R. Rao, S. Vrudhula, and D. Rakhmatov, "Battery Models for Energy Aware System Design", IEEE Computer, vol. 36, pp. 1019-1030, Dec. 2003.
M. Doyle, and J. Newman, "Analysis of Capacity-Rate Data for Lithium Batteries Using Simplified Models of the Discharge Process", Journal of Applied Electrochemistry, vol. 27, no. 7, pp. 846-856, Jul. 1997.
F. Qin, M. H. Wahab, Y. Wang, and Y. Yang, "Battery Recovery Aware Sensor Networks", Proceedings of Symposium on Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc, and Wireless Networks, pp. 203-211, 2009.
Y. Jang and S. Lee, "Battery Lifetime Enhancement Technology Using Recovery Effect", Journal of IEEK, vol. 48, no. 6, pp. 316-321, Jun. 2011.
T. Martin, "Balancing Batteries, Power, and Performance: System Issues in CPU Speed-Setting for Mobile Computing", PhD Thesis, Carnegie Mellon University, 1999.
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