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펄스 측정법에 기반한 리튬이차전지 출력 측정에 관한 전산 모사
Computational Simulation on Power Prediction of Lithium Secondary Batteries by using Pulse-based Measurement Methods 원문보기

KEPCO Journal on electric power and energy, v.1 no.1, 2015년, pp.33 - 38  

박주남 (Department of Chemical and Biological Eng., Hanbat National Univ.) ,  변승우 (Department of Chemical and Biological Eng., Hanbat National Univ.) ,  (Department of Chemical and Biological Eng., Hanbat National Univ.) ,  한세경 (Department of Electrical Engineering, Kyungpook National University) ,  최진혁 (KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation) ,  유명현 (Department of Chemical and Biological Eng., Hanbat National Univ.) ,  이용민 (Department of Chemical and Biological Eng., Hanbat National Univ.)

초록
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시간대별 효율적인 전력 운영과 전력품질 향상을 위해 ESS (Energy Storage System)의 보급이 세계적으로 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 ESS용 전원소자로 리튬이차전지의 채용이 급격히 늘어남에 따라, 리튬이차전지의 수명 및 출력 열화 거동을 측정 및 예측하는 기술이 시급히 요구되고 있다. 특히, ESS 운영에 있어 핵심 특성인 리튬이차 전지 출력은 측정이 어려울 뿐만 아니라, 정확한 측정을 위해서는 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 ESS용 리튬이차전지 단전지를 전산 모델링 한 후, 펄스 측정법을 적용하여 충전상태에 따른 방전 및 충전시의 직류저항(DC-IR)과 출력을 예측한다. 또한, 두 가지 펄스 측정법인 HPPC (Hybrid Pulse Power Characteristics)와 J-Pulse (JEVS D 713, Japan Electric Vehicle Association Standards)의 결과를 비교 분석한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Energy storage systems (ESSs) have been utilized widely in the world to optimize the power operation system and to improve the power quality. As lithium secondary batteries are the main power supplier for ESSs, it is very important to predict its cycle and power degradation behavior. In particular, ...

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
리튬이차전지내에서 발생하는 물리화학적 현상을 수치적으로 해석하기 위해서 무엇이 사용되는가? 리튬이차전지내에서 발생하는 물리화학적 현상을 수치적으로 해석하기 위해서 네 개의 지배 방정식과 한개의 반응속도 방정식이 사용된다 [6]-[8][11][12]. 지배방정식은 전극 내 활물질(Active Material)을 의미하는 고체상(Solid Phase)과 전극 및 분리막 내부 기공에 함침된 액체 전해액을 의미하는 액체상(Liquid Phase)으로 나눠지며, 각 물질 균형 방정식(Material Balance Equation)과 전하 균형 방정식(Charge Balance Equation)으로 나눠지게 되어 총 네 개의 지배 방정식을 이용하여 각 상들의 농도 (Concentration) 및 전위(Potential) 값을 계산하게 된다.
리튬이차전지의 장점은 무엇인가? 이러한 요구에 부응하기 위해서는 전력운영방식에 적합한 이차전지를 선택하여 ESS를 구성하는 것이 중요하다. 리튬이차전지는 고출력 및 고에너지밀도 특성뿐만 아니라 낮은 자가방전율과 높은 에너지 전환효율이란 장점으로 인해 ESS의 전원소자로 채용률이 빠르게 증가하고 있다 [1][4][5]. 이 때, ESS 운영방식에 적합한 리튬이차전지의 선택과 운영 최적화를 위한 실측 데이터를 확보하는 것이 매우 중요하다.
전력망에 ESS를 도입하는 방법은 어떠한 효과를 가져오는가? 최근 에너지 수요 증가에 따른 추가 전력 확보 및 운영 최적화, 그리고 전력품질 향상의 중요성이 높아지고 있으며, 이에 대한 해결책 중 하나로 전력망에 ESS (Energy Storage System)를 도입하는 것이다. 이 방법은 부하평준화(Load Leveling) 및 순동예비력(Spinning Reserve) 확보뿐만 아니라 피크부하배분(Peak Shaving) 효과를 얻을 수 있으며, 주파수 조정(Frequency Regulation) 및 신재생 에너지 출력 (Renewable Energy) 안정화와 같은 전력 품질향상에 기여하고 있다 [1]-[3]. 이러한 요구에 부응하기 위해서는 전력운영방식에 적합한 이차전지를 선택하여 ESS를 구성하는 것이 중요하다.
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참고문헌 (15)

  1. Cho, J., Jeong, S. & Kim, Y., "Commercial and research battery technologies for electrical energy storage applications," Progress in Energy and Combustion Science, 48, pp.84-101, June, 2015. 

  2. Hongjae Myung., "Consideration for Technical Trend of Large Scale BESS PCS," Power Electronics Annual Conference, The Korean Institute of Power Electronics, Koera, yesan, 2011, pp.273-272 

  3. Geon-Pyo Lim, Hyun-Gyu Han, Byung-Hoon Chang, Seung-Kwon Yang, Yong-Beum Yoon, "Demonstration to Operate and Control Frequency Regulation of Power System by 4MW Energy Storeage System," The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers P, 2014, pp.169-177 

  4. Divya, K. & O stergaard, J., "Battery energy storage technology for power systems An overview," Electric Power Systems Research, 79, pp.511-520, September, 2009. 

  5. Poullikkas, A. "A comparative overview of large-scale battery systems for electricity storage," Renewable and Sustainable Energy Reviews, 27, pp.778-788, July, 2013. 

  6. Doyle, M., Fuller, T. F. & Newman, J., "Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium/polymer/insertion cell," Journal of the Electro chemical Society, 140, pp.1526-1533, January, 1993. 

  7. Doyle, M., Newman, J., Gozdz, A. S., Schmutz, C. N. & Tarascon, J. M., "Comparison of modeling predictions with experimental data from plastic lithium ion cells," Journal of the Electrochemical Society, 143, pp.1890-1903, June, 1996. 

  8. Mao, J., Tiedemann, W. & Newman, J., "Simulation of temperature rise in Li-ion cells at very high currents," Journal of Power Sources, 271, pp.444-454, August, 2014. 

  9. Hyewon Lee & Yong Min Lee., "Principles and Comparative Studies of Various Power Measurement Methods for Lithium Secondary Batteries ," Journal of the Korean Electrochemical Society, 10(3), pp.115-123, August, 2012. 

  10. Younghoon Kim, Songhun Yoon, "Electrochemical Characterization Methods for Lithium Secondary Batteries,"Polymer Science and Technology, 23(3), pp.307-312, June, 2012. 

  11. Sukbeom You, Joosik Jung, Kyeong-Beom Cheong and Jooyoung Go., "Numerical Simulation of Lithium-Ion Batteries for Electic Vehicles," 'Journal of Mechanical Science and Technology B, 35(6), pp.649-656, March, 2011. 

  12. Dae-Hyun Lee & Do-young Yoon., "Computational Modeling of Charge-Discharge Characteristics of Lithium-Ion Batteries," Journal of Energy Engineering, 20(4), pp.278-285, November, 2011. 

  13. Wang, C.-W. & Sastry, A. M., "Mesoscale modeling of a Li-ion polymer cell," Journal of The Electrochemical Society, 154(11), A1035-A1047, August, 2007. 

  14. Vyroubal, P., Maxa, J., Kazda, T. & Vondrak, J., "The Finite Element Method in Electrochemistry Modelling of the Lithium-Ion Battery," ECS Transactions, Journal of Power Sorces, U.S. San Francisco, 2014, 48, pp.289-296 

  15. Xu, M., Zhang, Z., Wang, X., Jia, L. & Yang, L., "A pseudo three-dimensional electrochemical-thermal model of a prismatic LiFePO 4 battery during discharge process," Energy, 80, pp.303-317, February, 2015. 

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