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문제 정의
- x-HEV차량의 시스템에서 요구되는 순간적인 대전류 급속 충전/방전 특성향상과 이로 인한 수명향상을 위해서 AGM 연축전지에 EDLC를 적용한 통합모듈에 대한 연구를 진행하였다.
- 12) 그러나, 이 연구도 자기방전등 자동차에 요구되는 특성 만족이 어려웠다. 본 연구에서는 Micro HEV차량에 적용되고 있는 개선 연축전지인 AGM 연축전지와 EDLC (electric double layer capacitor)를직접 병렬로 연결하는 모듈화 연구를 진행함으로써 power density와 energy density 두 가지 모두 안정되게 구현할 수 있는 시스템을 구성하고자 하였다. HEV 차량에서 요구되는 순간적인 대전류 충전/방전은 EDLC가 담당하여 충전수입성과 방전특성을 향상시키고, 기본적인 방 전 부하나 에너지저장은 연축전지가 담당함으로써 Mild HEV 에서 요구되는 특성과 내구수명을 동시에 확보하고자 하였다.
제안 방법
- AGM 연축전지에 비해 향상된 수명 특성을 갖는 AGM/ ELDC 통합 모듈의 요인을 분석하기 위해 오실로스코프를 이용하여 전류거동을 분석하였다. Fig.
- Cover를 접착하였고, 전해액으로 황산 수용액을 사용하여 충전을 통해 극판 활성화를 진행하였다. 20 시간율 용량 70Ah 제품으로 제작하였으며, AGM 연 축전지의 전반적인 제조 공정을 Fig.
- 본 연구에서는 Micro HEV차량에 적용되고 있는 개선 연축전지인 AGM 연축전지와 EDLC (electric double layer capacitor)를직접 병렬로 연결하는 모듈화 연구를 진행함으로써 power density와 energy density 두 가지 모두 안정되게 구현할 수 있는 시스템을 구성하고자 하였다. HEV 차량에서 요구되는 순간적인 대전류 충전/방전은 EDLC가 담당하여 충전수입성과 방전특성을 향상시키고, 기본적인 방 전 부하나 에너지저장은 연축전지가 담당함으로써 Mild HEV 에서 요구되는 특성과 내구수명을 동시에 확보하고자 하였다. 이를 위해서 모듈 구성 시 두 type의 배터리간 balance 유지를 위한 시스템을 적용하고, 환경온도별 연 축전지와 EDLC의 전압 및 전류 거동을 확인하고 수명 특성에 대한 연구를 진행하였다.
- Pb-Ca기판에 Pb 산화물인 Active material을 도장하여 제조된 양극판과 음극판을 AGM 격리판과 서로 한 장씩 배열하여 cell을 구성하였으며, 6개의 구분된 공간으로 이뤄진 Case에 2V cell을 차입하고 직렬로 용접하여 연결하였다. Cover를 접착하였고, 전해액으로 황산 수용액을 사용하여 충전을 통해 극판 활성화를 진행하였다.
- 시료로 준비된 AGM 연축전지와 EDLC 모듈을 병렬로 연결하였으며, AGM 연축전지와 EDLC 연결회로에 EDLC의 과충전을 방지키 위해 CMS (capacitor management system)을 설치하였다. Fig.
- 1에 나타내었다. 시험은 AGM 연축전지 단독시험과 AGM 연축전지/EDLC 통합 모듈 시험 2가지로 진행하였고, 시험환경은 Table 1에 제시된 항목별 조건을 적용하였다.
- HEV 차량에서 요구되는 순간적인 대전류 충전/방전은 EDLC가 담당하여 충전수입성과 방전특성을 향상시키고, 기본적인 방 전 부하나 에너지저장은 연축전지가 담당함으로써 Mild HEV 에서 요구되는 특성과 내구수명을 동시에 확보하고자 하였다. 이를 위해서 모듈 구성 시 두 type의 배터리간 balance 유지를 위한 시스템을 적용하고, 환경온도별 연 축전지와 EDLC의 전압 및 전류 거동을 확인하고 수명 특성에 대한 연구를 진행하였다.
- 제작된 통합 모듈은 자동차에서 요구하는 battery 시험 방법과 ISG 수명시험을 진행하였고, 시험 방법은 Table 1에 나타내었다. 시험은 AGM 연축전지 단독시험과 AGM 연축전지/EDLC 통합 모듈 시험 2가지로 진행하였고, 시험환경은 Table 1에 제시된 항목별 조건을 적용하였다.
대상 데이터
- Cover를 접착하였고, 전해액으로 황산 수용액을 사용하여 충전을 통해 극판 활성화를 진행하였다. 20 시간율 용량 70Ah 제품으로 제작하였으며, AGM 연 축전지의 전반적인 제조 공정을 Fig. 1에 나타내었고, Fig. 2는 전지 외관 형상을 보여주고 있다.
- 고출력 충전/방전을 위해서 EDLC모듈은 Fig. 3에서 나타낸 것처럼 ㈜삼화전기에서 제작된 16V 200 F를 사용했으며, 이는 Alkali-activation 처리한 활성탄 전극에 PC (propylene carboante)계 전해액이 적용된 2.5V 1200 F EDLC 셀을 케이스에 6직렬로 구성하여 제작된 모듈이다.
성능/효과
- 1) 적용된 새로운 시스템은 x-HEV (hybrid electric vehicle)자동차에 적용되는 기본 시스템인 ISG (idling stop & go) 시스템과 발전제어 시스템을 들 수 있다. ISG 시스템은 신호대기, 교통이 혼잡한 상황 등에서 공회전을 해야 할 상황이 처했을 때, 엔진에서 연소가 발생하지 않도록 엔진을 정지하고, 출발을 위해 엑셀을 밟는 순간 시동이 걸리는 시스템을 말하며, 이로 인해 연료의 불연소구간에서 발생되는 이산화탄소 등 배기가스를 감소시키고 있다.
- ISG 시스템은 신호대기, 교통이 혼잡한 상황 등에서 공회전을 해야 할 상황이 처했을 때, 엔진에서 연소가 발생하지 않도록 엔진을 정지하고, 출발을 위해 엑셀을 밟는 순간 시동이 걸리는 시스템을 말하며, 이로 인해 연료의 불연소구간에서 발생되는 이산화탄소 등 배기가스를 감소시키고 있다.2) 현재 이러한 시스템에 적용중인 battery는 대부분 개선된 AGM (absorbent glass mat) lead acid battery이다.3-9) 그리고, 추가적으로 자동차의 연비개선을 위하여 차량운전 조건에 따라 차량용 발전기의 발전량을 가변하는 방식을 채택하여 가속시 배터리 방전, 감속시 battery를 충전하는 충전제어 시스템이 있다.
- 11은 SBA S0101 시험중 1cycle의 전류를 분석한 결과이다. AGM 연축전지는 인가된 전류를 그대로 부담하고 있음을 보여주고 있으나, 통합 모듈의 경우 45A 방전 초기에 EDLC에서 거의 대부분의 전류를 분담하고 시간이 지날수록 AGM 연축전지가 전류 부담이 증가하고, EDLC는전류 부담이 감소됨을 알 수 있다. Fig.
- 방전 초기에 EDLC가 170A, AGM 연축전지가 130A를 부담했다가 1sec 말기에 EDLC가 130A, AGM 연축전지 170A로 변하는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 전류량에 관계없이 EDLC가 AGM 연축전지에 비해 먼저 전류를 부담하고 서서히 AGM 연축전가 전류를 부담하는 것으로 확인되었다. 이는 통합모듈이 SBA S0101 수명시험에 더 우수한 결과를 보인 근거로 판단되며, EDLC 가 우선적으로 고전류를 부담하는 현상에 대해선 내부저항으로 그 해답을 찾을 수 있다.
- 두 시료 모두 유사한 결과를 보였다. 그래프의 유형을 관찰 시 방전 초기에는 EDLC가 소량 기여를 하였으나, 이후에는 기여도가 없는 것으로 나타났으며, 20hr 용량 측정방법처럼 전기용량을 저율(low rate) - 정율(constant rate)로 측정하는 경우에는 EDLC 의 적용 효과가 미미한 것으로 판단된다.
- 이 역시도 -18℃ CCA와 동일하게 방전 초기 8sec간 EDLC가 영향을 준 것으로 판단되며, 극저온에서도 EDLC가 충분히 역할을 하는 것을 알 수 있다. 또한 빈번한 충전/방전이 이루어지는 HEV 차량에 적합한 특성을 보이고 있다고 판단된다.
- 이는 EDLC가 높은 전류의 방전 시 기여를 하고 있다고 판단되며, 초기 이후에 AGM 연축전지는 지속적으로 전압 강하가 일어나 약 90, 000 cycle에 수명이 종료되었다. 반면, EDLC가 적용된 통합모듈은 150, 000cycle이 넘어서는 시점에서도 전압이 10 V 이상 유지하는 것을 확인할 수 있으며, Cycle이 진행될수록 0.08V/week씩 감소하는 AGM 연축전지와는 달리 통합모듈은 약 0.02V/week가량 소폭 감소하는 것으로 보아 금번 연구의 기본 컨셉이었던 고출력의 EDLC 가 고율 방전(high rate discharge) 부하를 일부 분담하여 AGM 연축전지의 수명을 증대시키는 효과가 있는 것으로 판단된다.
- 11의 내부 그래프에 300A 방전에서의 전류 거동을 좀 더 명확히 확인하기 위해서 1sec 범위를 확대해서 나타내었다. 방전 초기에 EDLC가 170A, AGM 연축전지가 130A를 부담했다가 1sec 말기에 EDLC가 130A, AGM 연축전지 170A로 변하는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 전류량에 관계없이 EDLC가 AGM 연축전지에 비해 먼저 전류를 부담하고 서서히 AGM 연축전가 전류를 부담하는 것으로 확인되었다.
- 2V까지 방전할 때 전압의 추이를 보여주고 있다. 방전시간은 AGM 연축전지가 36sec, 통합 모듈이 38sec로 통합모듈이 다소 우수하였고, 그래프 유형을 세부적으로 보면 방전 초기 8V까지 하락하는 AGM 연축전지에 비해 통합 모듈은 완만한 drop형상을 보이고 있다. 이는 대전류 충전/ 방전이 우수한 EDLC가 CCA시험에서 초기 약 8sec간 방전에 기여한 것으로 판단된다.
- 수명측면에서 기존 AGM 연축전지만 단독으로 사용하였을 때 비해 약 2배 이상의 수명이 향상되었으며, 이는 EDLC가 초기 고율방전 부하를 부담하므로써, AGM 연축전지의 수명이 증대된 것으로 판단되며, EDLC의 낮은 내부저항으로 인해 초기 충방전에 기여도가 높아진 결과로 사료된다.
- 저온 대전류 방전인 CCA 특성에서 AGM 연축전지 단독사용 대비 초기 약 8초간 EDLC의 영향을 받아 통합모듈 시료가 우수한 특성을 보였으며, 충전수입성의 경우도 초기 충전전류가 AGM연축전지 대비 약 2배가량 높은 값을 확인하였다. 이는 빈번한 시동과 가감속시 순간 대전류 충/방전이 요구하는 x-HEV차량 시스템에 적합한 특성을 보여주고 있다.
후속연구
- 따라서, x-HEV차량에 요구하는 충전/방전 특성과 수명에 충분한 효과 있는 것으로 판단되어 차기 연구에서는 Fig. 12와 같이 자동차에 직접 적용하여 Field 시험을 진행할 계획이다.
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