[논문]원전 비상전원 적용성 판단을 위한 다양한 C-rate 기반 원통형 리튬이온 배터리의 전기적 특성분석 및 모델링

김건우; 박성윤; 박진형; 김종훈; 박성백; 김영미

doi:10.7471/ikeee.2019.23.2.667

원전 비상전원 적용성 판단을 위한 다양한 C-rate 기반 원통형 리튬이온 배터리의 전기적 특성분석 및 모델링
C-rate based electrical characteristics and equivalent circuit modeling of 18650 cylindrical Li-ion battery for nuclear power plant application 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.23 no.2, 2019년, pp.667 - 674

김건우 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University) , 박성윤 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University) , 박진형 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University) , 김종훈 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University) , 박성백 (Dept. of Nuclear Safety Research, Korea Institute of Nuclear Safety) , 김영미 (Dept. of Nuclear Safety Research, Korea Institute of Nuclear Safety)

초록
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최근 발생한 원전 사고는 소외전원 및 비상전원의 기능이 상실되어 발전소 전체 정전이 발생한 사례를 계기로 원전의 비상전원공급용 배터리의 중요성이 부각되고 있다. 현재 원전의 비상전원공급용 배터리는 기존의 납축전지를 대신하여 리튬계열 배터리로 교체가 고려되고 있는 상황이다. 이에 따라 원통형 리튬 배터리의 적용성을 판단하기 위해 여러 가지 리튬 계열 배터리의 전기적 특성 실험을 진행하여 결과를 분석해야 한다. 본 논문은 현재 ESS(Energy Storage Systems)에 많이 사용되는 세 가지 타입의 리튬 배터리의 전기적 특성실험을 통해 적절한 배터리 타입을 선정하고, 선정된 배터리가 비상전원공급용 배터리로 사용될 때 최적의 C-rate를 제안한다. 또 배터리 모델링을 통해 배터리의 상태를 추정하며 문제점을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The recent incidents of Nuclear Power Plant(NPP) gave rise to a total power outage caused by the loss of the functions of the off-site and the emergency power supply. Currently, emergency power supply of NPP have been taken into account by Li-ion batteries instead of existing lead-acid batteries. In order to judge the applicability of the cylindrical Li-ion battery, it is necessary to analysis the results of various electrical tests. This paper investigates the basic electrical characteristics test of three types of cylindrical batteries in order to select the most suitable battery and estimate state of battery through equivalent circuit model and propose method to solve the problem.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Experimental setup for data extraction. 그림 1. 데이터 추출을 위한 실험 셋팅
그림 Fig. 2. Discharging/Charging current profile for capacity measurement (NCA). 그림 2. NCA 배터리의 용량 실험 프로파일
표 Table 1. Cell Specification. 표 1. 배터리의 사양
표 Table 2. Charge Capacity of three cells considering various C-rates. 표 2. 다양한 C-rate 고려 시 배터리의 충전용량 비교
표 Table 3. Discharge Capacity of three cells considering various C-rates. 표 3. 다양한 C-rate 고려 시 배터리의 방전용량 비교
표 Table 4. Discharge time of three cells considering various C-rates. 표 4. 다양한 C-rate 고려 시 배터리의 방전시간 비교
표 Table 5. Charging efficiency of three cells considering various C-rates. 표 5. 다양한 C-rate 고려 시 배터리의 충전효율 비교
$Fig. 3. Discharging/Charging current profile for OCV and Resistance measurement (<TEX>$\frac{1}{8}$</TEX>C ). 그림 3. OCV 실험 프로파일 (<TEX>$\frac{1}{8}$</TEX>C)$ 그림 Fig. 3. Discharging/Charging current profile for OCV and Resistance measurement ($\frac{1}{8}$C ). 그림 3. OCV 실험 프로파일 ($\frac{1}{8}$C)
$Fig. 4. Discharging/Charging current profile for OCV and Resistance measurement (<TEX>$\frac{1}{72}$</TEX>C ). 그림 4. OCV 실험 프로파일(<TEX>$\frac{1}{72}$</TEX>C)$ 그림 Fig. 4. Discharging/Charging current profile for OCV and Resistance measurement ($\frac{1}{72}$C ). 그림 4. OCV 실험 프로파일($\frac{1}{72}$C)
그림 Fig. 5. Region of discharge to extract parameter. 그림 5. 방전 곡선에서의 파라미터 추출
그림 Fig. 6. Equivalent electrical circuit modeling having model parameters (OCV, R_i, R_Diff, C_Diff). 그림 6. NCA 배터리의 EECM 구조
$Fig. 7. Discharging voltage Comparison between EECM based voltage and experiments ( <TEX>$\frac{1}{8}$</TEX>C ). 그림 7. 전기적 등가회로 모델링의 비교 결과 ( <TEX>$\frac{1}{8}$</TEX>C )$ 그림 Fig. 7. Discharging voltage Comparison between EECM based voltage and experiments ( $\frac{1}{8}$C ). 그림 7. 전기적 등가회로 모델링의 비교 결과 ( $\frac{1}{8}$C )
$Fig. 8. Modeling error between EECM based voltage and experiments ( <TEX>$\frac{1}{8}$</TEX>C ). 그림 8. 실험 결과와 모델링 결과의 오차 ( <TEX>$\frac{1}{8}$</TEX>C )$ 그림 Fig. 8. Modeling error between EECM based voltage and experiments ( $\frac{1}{8}$C ). 그림 8. 실험 결과와 모델링 결과의 오차 ( $\frac{1}{8}$C )
표 Table 6. Internal parameters of equivalent electrical circuit model. 표 6. 등가회로 모델의 내부 파라미터
$Fig. 9. Discharging voltage Comparison between EECM based voltage and experiments ( <TEX>$\frac{1}{72}$</TEX>C ). 그림 9. 전기적 등가회로 모델링의 비교 결과 ( <TEX>$\frac{1}{72}$</TEX>C )$ 그림 Fig. 9. Discharging voltage Comparison between EECM based voltage and experiments ( $\frac{1}{72}$C ). 그림 9. 전기적 등가회로 모델링의 비교 결과 ( $\frac{1}{72}$C )
$Fig. 10. Modeling error between EECM based voltage and experiments ( <TEX>$\frac{1}{72}$</TEX>C ). 그림 10. 실험 결과와 모델링 결과의 오차 ( <TEX>$\frac{1}{72}$</TEX>C )$ 그림 Fig. 10. Modeling error between EECM based voltage and experiments ( $\frac{1}{72}$C ). 그림 10. 실험 결과와 모델링 결과의 오차 ( $\frac{1}{72}$C )

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 비상전원공급용 배터리의 적용성을 판단하고, 최적의 배터리 소재와 구동 C-rate를 제시하기 위해 기존의 ESS(Energy Storage System) 에 적용되고 있는 NCA, NMC, LFP 세 가지 종류의 18650 원통형 배터리들의 전기적 특성 실험을 진행하였다. 현재 원전에서 요구하는 비상전원공급용 배터리의 백업 타임은 2시간, 4시간, 8시간, 등으로 다양하며 외부자원의 유입 없이 발전소 내에서 보수적으로 최대한 대처 가능한 시간을 72시간 으로 제안하고 있다.

제안 방법

2절의 결과 리튬 이온 배터리가 비상 전원 공급용 배터리로서 작동할 경우, 최적의 구동 C-rate는 1/8C로 나타나며, 외부자원의 유입이 없는 상태에서 발전소 내 최대 보수 대처시간으로 요구되는 시간인 72시간의 배터리 모델링에 필요한 파라미터를 추출하기 위해 OCV 실험을 진행했다. 그림 3과 그림 4는 NCA 배터리의 1/8C, 1/72C OCV 실험의 조건 으로 완충된 상태에서 방전을 진행하였다.
그리하여 최종적으로 부하에 맞는 용량을 계산하고, 비상전원공급용 배터리를 설계할 수 있다. OCV(Open Circuit Voltage) 실험을 바탕으로 모델 링에 필요한 파라미터를 추출하여 선정된 배터리의 전기적 등가회로를 모델링하고, 모델을 바탕으로 배터리의 상태를 추정하며 그 과정에서 발생된 문제점을 제시하고 해결방안 및 최적의 배터리와 구동 C-rate를 제안한다.
그림 3과 그림 4는 NCA 배터리의 1/8C, 1/72C OCV 실험의 조건 으로 완충된 상태에서 방전을 진행하였다. 각 C-rate별로 5%씩 방전이 진행되며 방전이 끝나면 한 시간의 휴지시간을 적용하여 온도를 안정시킨뒤 각 방전 구간에서 HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization)기법을 적용하여 각 구간에서의 저항, OCV, 등 모델링에 필요한 파라미터를 추출 한다. HPPC 기법을 적용함으로써 전압 응답곡선에서 방전 및 휴지시 배터리의 전압 응답 시정수를 안정적으로 설정하여 내부 직렬저항 및 분극저항을 도출할 수 있다[4].
현재 원전에서 요구하는 비상전원공급용 배터리의 백업 타임은 2시간, 4시간, 8시간, 등으로 다양하며 외부자원의 유입 없이 발전소 내에서 보수적으로 최대한 대처 가능한 시간을 72시간 으로 제안하고 있다. 따라서 제안되는 백업 타임을 충족시키는 배터리를 선정하기 위해 그림 1과 같은 장비를 사용하여 세 가지의 원통형 셀의 전기적 특성 실험을 통해 요구되는 백업 타임과 보수적으로 대처 가능한 최대시간에 따라 각각 실험한다. 용량 실험을 통해 각각의 요구되는 백업 타임에 맞는 C-rate(1/2C, 1/4C, 1/8C, 1/72C)별 방전용량을 구하고 정격충전을 통해 충전용량을 추출한다.
용량을 산출하기 위해 실험 데이 터의 방전구간과 충전구간에서의 용량을 전류적산법으로 계산하며, 추출된 용량을 바탕으로 충전효율을 계산하고 각 C-rate마다 충전효율을 비교하여 최적의 C-rate를 제안할 수 있다. 또한 OCV 실험을 통해 등가회로 모델링에 필요한 파라미터들을 추출하여 모델을 모사한다. 모사된 모델을 바탕으로 수학적 접근을 통해 단자전압을 추정할 수 있다.
본 논문은 최근 발생한 원전 사고로 인해 원전의 비상전원공급용 배터리가 기존 납축전지를 대신해서 다방면에서 장점이 많은 리튬계열 배터리로의 교체가 고려되는 상황에서 양극 구성 물질이 서로 다른 세 가지 원통형 배터리의 기초적인 전기적 특성 실험 및 분석을 통해 가장 적절한 배터리의 종류를 선정하며 최적의 구동 C-rate를 제안한다. 또한 배터리의 기본 모델링을 통해 배터리의 상태 추정을 하며 성능을 검증하고 문제점을 제시한다. 발전소 내에서 외부자원의 유입 없이 최대한 대처해야하는 72시간 이상 방전이 가능하며, 현재 제안되는 백업 타임을 고려하여 전기적 특성 실험의 결과를 분석했을 때 NCA계열의 배터리가 비상전원공 급용 배터리로 사용되기에 가장 적절하다고 판단 되며 NCA계열 리튬 배터리의 최적의 구동 C-rate 는 충전효율이 가장 좋은 1/8C로 제안한다.
그림 2는 NCA 배터리의 기본 용량실험의 프로 파일을 나타내며 NMC, LFP 배터리의 용량실험 또한 그림과 같이 실험이 진행 되었다. 배터리의 용량실험 조건으로 항온ㆍ항습 챔버를 사용하여 외기온도를 상온(25℃)로 유지한 상태에서 실험을 진행했다. 배터리의 용량실험은 다음과 같은 과정으로 진행하였다.
현재 원전에서는 비상전원공급용 배터리의 백업 타임은 다양하게 적용되고 있다. 본 논문에서는 기존 납축전지를 대신하여 리튬계열 배터리로 사용이될 경우에 최적의 구동 C-rate를 제안하기 위해 1/2C, 1/4C, 1/8C, 1/72C의 전류를 인가하여 용량 실험을 진행한다. 용량을 산출하기 위해 실험 데이 터의 방전구간과 충전구간에서의 용량을 전류적산법으로 계산하며, 추출된 용량을 바탕으로 충전효율을 계산하고 각 C-rate마다 충전효율을 비교하여 최적의 C-rate를 제안할 수 있다.
본 논문은 최근 발생한 원전 사고로 인해 원전의 비상전원공급용 배터리가 기존 납축전지를 대신해서 다방면에서 장점이 많은 리튬계열 배터리로의 교체가 고려되는 상황에서 양극 구성 물질이 서로 다른 세 가지 원통형 배터리의 기초적인 전기적 특성 실험 및 분석을 통해 가장 적절한 배터리의 종류를 선정하며 최적의 구동 C-rate를 제안한다. 또한 배터리의 기본 모델링을 통해 배터리의 상태 추정을 하며 성능을 검증하고 문제점을 제시한다.
따라서 제안되는 백업 타임을 충족시키는 배터리를 선정하기 위해 그림 1과 같은 장비를 사용하여 세 가지의 원통형 셀의 전기적 특성 실험을 통해 요구되는 백업 타임과 보수적으로 대처 가능한 최대시간에 따라 각각 실험한다. 용량 실험을 통해 각각의 요구되는 백업 타임에 맞는 C-rate(1/2C, 1/4C, 1/8C, 1/72C)별 방전용량을 구하고 정격충전을 통해 충전용량을 추출한다. 추출된 방전용량과 충전용량을 활용하여 충전 효율을 계산하고, 비교함으로써 비상전원공급용 배터리로 사용될 배터리의 선정과 그 배터리로 구성된 비상 전원용 배터리의 적절한 구동 C-rate를 제안할 수있다.
본 논문에서는 기존 납축전지를 대신하여 리튬계열 배터리로 사용이될 경우에 최적의 구동 C-rate를 제안하기 위해 1/2C, 1/4C, 1/8C, 1/72C의 전류를 인가하여 용량 실험을 진행한다. 용량을 산출하기 위해 실험 데이 터의 방전구간과 충전구간에서의 용량을 전류적산법으로 계산하며, 추출된 용량을 바탕으로 충전효율을 계산하고 각 C-rate마다 충전효율을 비교하여 최적의 C-rate를 제안할 수 있다. 또한 OCV 실험을 통해 등가회로 모델링에 필요한 파라미터들을 추출하여 모델을 모사한다.
용량 실험을 통해 각각의 요구되는 백업 타임에 맞는 C-rate(1/2C, 1/4C, 1/8C, 1/72C)별 방전용량을 구하고 정격충전을 통해 충전용량을 추출한다. 추출된 방전용량과 충전용량을 활용하여 충전 효율을 계산하고, 비교함으로써 비상전원공급용 배터리로 사용될 배터리의 선정과 그 배터리로 구성된 비상 전원용 배터리의 적절한 구동 C-rate를 제안할 수있다. 그리하여 최종적으로 부하에 맞는 용량을 계산하고, 비상전원공급용 배터리를 설계할 수 있다.
각 방전 구간에서의 파라미터는 그림 5와 같이 추출된다. 휴지 시간이 끝난 즉시의 전압에서 OCV를 추출하며 그 직후 전압 강하에 의한 전압 차이에 전류 값을 나눠주어 모델의 직렬저항을 추출한다. 또 전압 변화량의 36.

성능/효과

4절에서 배터리를 전기적 등가회로 모델링을 진행 했으며 모델링의 단자전압 시뮬레이션 결과와 시뮬 레이션 오차 그래프는 그림 7, 그림 8, 그림 9, 그림 10과 같이 나타난다. 1/8C, 1/72C의 시뮬레이션 결과 공통적으로 SOC 10% 이상의 구간에서는 대체로 오차범위가 5% 이하로 정확한 결과를 나타내지만, SOC가 10% 이하 구간에서 시뮬레이션 오차가 비교적 크게 나타남을 확인할 수 있다. 그림 8의 결과 1/8 C의 시뮬레이션 평균 오차는 약 0.
또한 배터리의 기본 모델링을 통해 배터리의 상태 추정을 하며 성능을 검증하고 문제점을 제시한다. 발전소 내에서 외부자원의 유입 없이 최대한 대처해야하는 72시간 이상 방전이 가능하며, 현재 제안되는 백업 타임을 고려하여 전기적 특성 실험의 결과를 분석했을 때 NCA계열의 배터리가 비상전원공 급용 배터리로 사용되기에 가장 적절하다고 판단 되며 NCA계열 리튬 배터리의 최적의 구동 C-rate 는 충전효율이 가장 좋은 1/8C로 제안한다. 기본 모델링 및 상태추정의 결과로는 SOC 10%이하의 구간에서는 오차가 5% 이상으로 현저하게 크게 나타나는 문제점이 있다.
각각의 배터리의 방전구간과 충전구간에서 용량을 추출한 결과는 표 2, 표 3과 같다. 세 가지 종류의 배터리 모두 1/8C에서 충전 용량 및 방전용량이 가장 크게 나타났으며 표 4와 같이 LFP 타입을 제외한 NCA, NMC 타입의 배터 리는 1/8C에서 요구되는 백업 타임 이상 방전이 가능하다. 외부자원의 유입이 없는 상태에서 요구되는 72시간 이상 방전을 할 수 있는 타입의 배터리는 NCA가 유일하게 나타났다.
세 가지 종류의 배터리 모두 1/8C에서 충전 용량 및 방전용량이 가장 크게 나타났으며 표 4와 같이 LFP 타입을 제외한 NCA, NMC 타입의 배터 리는 1/8C에서 요구되는 백업 타임 이상 방전이 가능하다. 외부자원의 유입이 없는 상태에서 요구되는 72시간 이상 방전을 할 수 있는 타입의 배터리는 NCA가 유일하게 나타났다. 또한 기존의 납축전 지로 설계된 배터리의 충전효율은 배터리를 방전한 후 다시 충전하는 경우, 방전 전의 상태로 충전이 될 때까지의 충전 량에 대한 방전 량의 비로 나타낼 수 있다.
표 5를 참고하면 충전 효율은 세 가지 배터리 타입 모두 1/8C에서 가장 높게 나타난 다. 이에 따라 구동 C-rate는 1/8C로 제안할 수 있으며, 비상상황 대비 방전 시간 및 충전 효율을 고려했을 때, 비상전원공급용 배터리를 설계함에 있어서 NCA 타입의 배터리가 가장 적절하다고 판단된다.

참고문헌 (6)

M. Coleman, C. K. Lee, C. Zhu, and W. G. Hurley, "State-of-Charge Determination From EMF Voltage Estimation: Using Impedance, Terminal Voltage and Current for Lead-Acid and Lithium-ion Batteries," IEEE, Vol.54, No.5, pp.2550-2557, 2007. DOI: 10.1109/TIE.2007.899926

상세보기
J. Xu, M. Gao, J. Yao, H. Xu, "Design and Study on the State of Charge Estimation for Lithium-ion Battery Pack in Electric Vehicle," 2009 International Conference on Artificial Intelligence and Computational Intelligence, 2009. DOI: 10.1109/AICI.2009.289
Tae-Ho Eom, Min-Ho Shin, Jeong Lee, Jun-Mo Kim, Chung-Yuen Won, "Analysis to battery life time according to charge/discharge temperature of Li-ion battery,"
Gregory L. Plett, "Battery Management Systems Volume I Battery Modeling," 2015.
Chang Yoon Chun, B.H. Cho, Jonghoon Kim, "Covariance controlled state-of-charge estimator of LiFePO4cells usinga simplified hysteresis model," Electrochimica Acta, Vol.265, pp.629-637, 2018. DOI: 10.1016/j.electacta.2018.01.178

상세보기
US Department of Energy. Battery test manual for plug-in hybrid electric vehicles, revision 2.

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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