[논문]하이브리드 슈퍼커패시터를 이용한 50kW급 에너지 저장 장치 설계 및 전기적 특성

맹주철; 조문택; 윤중락

doi:10.5370/kiee.2018.67.7.854

하이브리드 슈퍼커패시터를 이용한 50kW급 에너지 저장 장치 설계 및 전기적 특성
The Design and Electrical Characteristics of 50kW Energy Storage System Using Hybrid Supercapacitor 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.7, 2018년, pp.854 - 859

맹주철 (Samwha Capacitor Co. Ltd.) , 조문택 (Daewon University College) , 윤중락 (Samwha Capacitor Co. Ltd.)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the characteristics of a hybrid supercapacitor module for power quality stabilization. Hybrid supercapacitor is an promising energy storage device that positioned between conventional EDLC and Li-ion battery. A cylindrical 7500F hybrid supercapacitor ($60{\times}138mm$) was assembled by using the $Li_4Ti_5O_{12}$ electrode as an anode and activated carbon as a cathode. Considering the ESR and efficiency has been designed to module with 41.6F 480V design results in 180 series combination. In order to determine the characteristics of the hybrid supercapacitor module for power system, hybrid supercapacitor cells were connected in series with active balancing circuit. As a result of measuring the 50kw UPS, it was discharged at the current of 104A~143A during the discharge in the voltage range of 350V~480V, and the compensation time at discharge was measured to be about 30s. These results can be used to stabilization of power quality by applying hybrid supercapacitor module.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같은 결과로 슈퍼 커패시터 대비 동일 체적에서 에너지 밀도가 높은 장점을 가진다[4-7]. 따라서 본 연구에서는 인터넷 데이터 센터의 전력 품질 안정화를 위한 방법으로 물 리적 전기 이중층을 형성하여 전기를 저장하여, 고출력 및 충/방 전 효율이 우수한 하이브리드 슈퍼커패시터 사용하여 에너지 저장 장치를 설계하고, 전기적 특성을 평가하여 에너지 저장 장치로써의 가능성을 확인하고자 한다.
본 연구에서는 단위 체적대비 슈퍼 커패시터 보다 약 2.5배의 고용량 특성을 구현할 수 있는 하이브리드 슈퍼커패시터를 적용하여 에너지 저장 장치를 설계 및 제작하여 모듈의 전기적 특성을 평가하였다. 제작된 480V, 41.

제안 방법

50kw급 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 제작하기 위해 모듈 용량을 설계하였다. 이때 모듈의 최대 전압 V_max = 480 V이고 최소 전압 V_min= 350 V로 설정하였다.
하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 그림 3과 같이 30A(10 C-rate)의 전류 밀도로 350V~480V 구간에서 충/방전을 진행하였다. 진행 결과 모듈의 방전 용량은 약 1.
8V, 7500F 하이브리드 슈퍼커패시터 셀 180개를 직렬로 연결하였다. 이와 같이 대용량 모듈을 구성하기 위해서 셀을 직렬로 연결하여 제작할 경우 개별 셀의 초기 충전용량, 방전율, ESR, 셀 위치별 발열 량 등을 고려하여 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 제작하였다. 또한, 셀간 전압 불균형 문제를 해결하여 셀 간의 전압 편차를 줄이고, 충 방전시 과전압 방지를 위해서 active 밸런싱 회로를 설계하여 적용 하였다.
6F급 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈의 300V~480V 전압 구간에서의 정 출력 방전 특성을 나타낸 그림이다. 정 출력 특성을 측정하기 위해서 10kW, 20kW, 30kW, 40kW, 50kW, 60kW의 조건에서 충/방전을 실시하였다. 이 결과 방전 출력이 증가할수록 방전 시간이 감소하였으며, 10kW 대비 60kW 일 때 약 6.
이를 통해서 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈에서 평균 셀 전압보다 높은 셀은 저항을 통해 방전하여 셀 전압을 조정하였다. 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈의 전압 사용 구간은 350V ~4 80V로 구성하였으며 충/방전시험기(Arbin 사)를 사용하여 제작된 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈의 전기적 특성을 평가하였다.
하이브리드 슈퍼커패시터 모듈의 출력 특성을 알아보기 위해서 그림 4와 같이 30A, 50A, 60A, 90A, 100A, 120A, 150A, 180A, 200A의 전류에서 충/방전 시험을 진행하였다. 전류가 증가함에 따라 방전 용량이 감소하는 경향을 보이고 있으며 30A (10C) 대비 200A(66.
하이브리드 슈퍼커패시터 에너지 저장 시스템은 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈 및 양방향 인버터를 연계하여 구성하였다. 평상시에는 계통에서 전력을 입력 받아 인버터를 통하여 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈에 에너지를 저장하고 정전 및 전압 강하가 발생하게 되면 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈의 에너지를 인버터를 통하여 출력 측에 공급하여 전압을 보상해 주는 역할을 한다.

대상 데이터

설계로부터 얻은 전압 및 용량을 고려하여 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈은 7500 F의 용량을 가지는 셀 180개를 직렬로 연결하여 제작하였다.
정격전압 2.8V, 용량 7500F을 가지는 axial type 하이브리드 슈퍼커패시터 셀을 이용하여 표 3의 규격과 같이 480V, 41.6F급 의 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 제작하였다. 모듈은 총 에너 지량은 2,244,320[J]이고 전압 사용구간은 350~480[V]이다.
하이브리드 슈퍼커패시터 단 셀을 제작하기 위해서 음극 소재는 과립 LTO와 Super-P (Timcal), PVdF (Arkema-HSV900)를 사용하였으며, 유기 용매로는 NMP를 사용하여 32%의 solid loading을 가지는 slurry를 제조한 후 집전체로 알루미늄 박을 이용하여 전극을 형성하였다. 양극은 활성탄을 이용하여 전극을 형성하였고 음극에는 LTO 전극을 적용한 전극으로 젤리 롤을 만들고 48시간 동안 진공 건조 후 1.

성능/효과

정 출력 특성을 측정하기 위해서 10kW, 20kW, 30kW, 40kW, 50kW, 60kW의 조건에서 충/방전을 실시하였다. 이 결과 방전 출력이 증가할수록 방전 시간이 감소하였으며, 10kW 대비 60kW 일 때 약 6.8% 용량 감소율을 보였다. 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈의 전압 사용구간인 350V~480V에서의 방전 출력 50kW 일 때의 방전시간을 측정한 결과 약 39초가 측정되었다.
또한 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈의 350V~480V의 전압 구간에서 50kW에서의 부하로 충/방전시 방전 시간은 30초로 측정되었다. 이와 같은 결과는 하이브리드 슈퍼커패시터를 에너지 저장 장치로 적용시 모듈의 전압 강하 및 방전 효율뿐만 아니라 단자간의 접촉 저항 및 전력 변환 장치의 효율 등을 고려하여 모듈을 설 계하여야 함을 알 수 있었다. 하이브리드 슈퍼 커패시터 모듈을 적용하여 인터넷 데이터 센터의 정전 사고시 예비 시스템이 기동하여 전력을 공급할 수 있도록 단기간 에너지 저장 장치로 활용 가능할 것으로 예상된다.
5배의 고용량 특성을 구현할 수 있는 하이브리드 슈퍼커패시터를 적용하여 에너지 저장 장치를 설계 및 제작하여 모듈의 전기적 특성을 평가하였다. 제작된 480V, 41.6F급 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈의 전류별 충/방전 특성 결과 30A(10C) 대비 200A(66.6C)에서 약 89.5%의 용량 유지율을 나타내었으며, 정 출력 특성 결과 10kW 대비 60kW일 때 약 93.2% 용량 유지율을 보였다. 또한 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈의 350V~480V의 전압 구간에서 50kW에서의 부하로 충/방전시 방전 시간은 30초로 측정되었다.

후속연구

이와 같은 결과는 하이브리드 슈퍼커패시터를 에너지 저장 장치로 적용시 모듈의 전압 강하 및 방전 효율뿐만 아니라 단자간의 접촉 저항 및 전력 변환 장치의 효율 등을 고려하여 모듈을 설 계하여야 함을 알 수 있었다. 하이브리드 슈퍼 커패시터 모듈을 적용하여 인터넷 데이터 센터의 정전 사고시 예비 시스템이 기동하여 전력을 공급할 수 있도록 단기간 에너지 저장 장치로 활용 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초고용량 슈퍼커패시터로 무엇이 있는가?	초고용량 슈퍼커패시터의 종류에는 활성탄을 전기이중층 커패시터(EDLC : Electric Double Layer Capacitor), 의사 커패시터 (Pseudo Super capacitor)와 하이브리드 슈퍼커패시터가(Hybrid supercapacitor)가 있다. 전기 이중층 커패시터는 활성탄 표면에서 이온들의 물리적인 흡/탈착 반응을 이용하여 높은 출력 특성 및 긴 충/방전 사이클을 가지는 장점이 있지만 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다.
	슈퍼커패시터의 에너지 밀도가 높은 이유는 무엇인가?	의사 커패시터는 금속산화물 또는 폴리머 활물질에서의 redox 반응을 이용하는 것으로 사용전압이 낮은 단점이 있다. 하이브리드 슈퍼커패시터는 비대칭 구조를 갖는 커패시터로써 양극은 활성탄을 사용하고 음극에는 리튬 티탄산화물(Li4Ti5O12, LTO)을 적용하여 활성탄 전극에는 이온의 물리적 흡/탈착 반응에 의한 전기 이중층 반응에 의하여 전하를 저장하고, 양극에는 리튬의 삽입/탈리 반응(화학 반응)에 의하여 전하를 저장하는 메커니즘을 가진다. 이와 같은 결과로 슈퍼 커패시터 대비 동일 체적에서 에너지 밀도가 높은 장점을 가진다[4-7].
	인터넷 데이터 센터에 전력 품질 안정화 대책이 필요한 이유는 무엇인가?	최근에는 IoT, 빅 데이터를 이용한 4차 산업의 중요성이 증가됨에 따라 안정적인 인터넷 서 비스를 제공할 수 있는 인터넷 데이터 센터(IDC:Internet Data Center)의 중요성이 증가되고 있다. 특히 인터넷 데이터 센터는 24시간 운영하여 서비스를 제공하므로 자연 재해, 전력 설비 고장 및 전력 품질 장애 사고 등의 주요 장비의 셧다운을 미연에 방 지하여, 막대한 경제적 손실 피해를 발생하지 않게 하기 위해 전력 품질 안정화 대책이 필요하다[1]. 인터넷 데이터 센터에서는 순시 전압 저하 및 정전으로부터 보호하기 위해 다양한 예비 시스템이 널리 사용되고 있다.

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Ju Cheul Maeng, Jung Rag Yoon, Trans. KIEE, vol. 66, pp. 357-362 (2017)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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