[논문]진동 및 충격 환경에 따른 배터리 전기적 모델링 및 열해석 연구

윤창오; 이평연; 한동호; 임철우; 장민호; 김종훈

진동 및 충격 환경에 따른 배터리 전기적 모델링 및 열해석 연구
A study on battery electrical modeling and thermal analysis by vibration and shock environment 원문보기

윤창오 (충남대학교) , 이평연 (충남대학교) , 한동호 (충남대학교) , 임철우 (KAIST 인공위성연구센터) , 장민호 (한국항공우주연구원) , 김종훈 (충남대학교)

발사체 및 인공위성에서 발사시부터 우주까지 도달하는데 다양한 환경이 주어진다. 본 논문에서는 발사체의 단분리 및 페어링 분리시 생기는 충격 환경과 대기가 발사체 표면에 충돌하여 생기는 진동 환경에 대한 배터리 내부 변화를 분석한다. 환경시험을 반영한 전기적 모델링을 설계하고 전기적 파라미터를 기반으로 배터리 열해석과 실제 배터리팩 내부 열을 측정하여 비교 및 분석한다.

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문제 정의

실제 환경과 동일하게 시험을 진행하기에는 장시간과 고비용이 소요되며 결과에 따른 보완이 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 발사체가 지상부터 임무가 완료되는 지점까지의 환경을 모사하여 성능을 보장할 수 있는지 검증한다. 환경시험의 종류로는 진동, 충격, 열진공, 진공, 감압 등의 실험이 있다.

제안 방법

방전 용량을 측정하기 위해 CC CV(Constant Current Constant Voltage) 충전 방식으로 만충 후 1C rate의 전류로 방전하여 측정한다. OCV 프로파일은 측정된 방전용량을 기반으로 CC CV로 만충 후 1C rate의 방전 전류로 3분 방전 및 1시간의 휴지 기간을 주며 SOC(State of Charge) 100 10%에서 SOC 5%별로 수행하여 OCV 및 방전저항을 구한다. 리튬이온 배터리는 낮은 SOC 영역(10 0%)에서 저항의 크기가 급격하게 커지므로 낮은 SOC 영역에서는 SOC 2%별로 방전하여 파라미터를 추출한다.
환경시험으로 인한 배터리팩 내부 열변화와 Comsol 기반 열해석을 그림 9에 표기하였다. 동일한 환경시험을 통해 추출된 배터리셀 내부 파라미터를 열해석에 대입하여 진행하였다. 화학적 접근법으로 배터리 열해석을 하는게 정밀하지만 장시간과 고비용의 단점이 있다.
모든 환경시험은 동일한 환경 조건에서 그림 1처럼 원통형 셀과 배터리팩의 3축을 모두 고려하여 종합적인 영향을 분석한다. 축에 대한 시험 순서는 X Y Z로 회전하여 진행한다.
배터리 셀 및 배터리팩의 내부 파라미터 분석을 위한 전기적 실험은 크게 방전 용량과 OCV 프로파일로 나눌 수 있다. 방전 용량을 측정하기 위해 CC CV(Constant Current Constant Voltage) 충전 방식으로 만충 후 1C rate의 전류로 방전하여 측정한다. OCV 프로파일은 측정된 방전용량을 기반으로 CC CV로 만충 후 1C rate의 방전 전류로 3분 방전 및 1시간의 휴지 기간을 주며 SOC(State of Charge) 100 10%에서 SOC 5%별로 수행하여 OCV 및 방전저항을 구한다.
그림 1과 같이 리튬이온 배터리의 전기적 등가회로 모델링할 수 있다. 배터리 모델링은 RC ladder의 수가 많을수록 배터리의 다이나믹 특성을 세밀하게 표현할 수 있지만 RC ladder의 증가에 따른 알고리즘의 복잡성과 부하가 커질 수 있으므로 1개의 RC ladder로 모델링을 설계한다. 환경시험으로 내부 파라미터의 변화가 R_i와 R_diff에서 증가하므로 단순화된 배터리 전기적 모델링에 환경시험을 반영하여 그림 1처럼 모델링을 설계할 수 있다.
환경시험의 종류로는 진동, 충격, 열진공, 진공, 감압 등의 실험이 있다. 본 논문에서는 발사체의 주요 성능 저하 요인으로 진동과 충격을 선정하고 공인되어 있는 인증 기준으로 나타낸 국제 인증 기준과 우주 항공 산업체의 인증 기준을 선정하여 실험을 진행한다.
본 논문은 화학적 접근법이 아닌 전기적 접근법으로 배터리 내부 저항을 통해 열해석을 진행하였고, 비교적 높은 추정의 열해석을 기대할 수 있다. 이러한 열해석을 통해 배터리 내부 발열 특성에 대한 안정성을 확보할 수 있다.
우주 발사체는 고출력을 요구하므로 고출력 배터리 셀인 NCA(LiNiCoAIO2) 계열의 18650 HE4을 사용하였고 진동 및 충격 시험을 통해 배터리 내부 파라미 터를 분석하였다.
정현파 진동 시험은 ISO 17546의 프로파일을 참고하여 5 100Hz의 주파수 영역에서 시험을 진행하며, 랜덤 진동 시험은 NASA ‘guidelines on lithium ion battery use in space applications’의 프로파일을 참고하여 20 2000Hz의 영역에서 9.58G rms 의 힘으로 시험을 진행한다.
발사체의 진동 시험은 크게 정현파 진동과 랜덤 진동으로 나눌 수 있다. 진동 시험기에 배터리팩을 탑재하여 정현파 진동과 랜덤 진동 프로파일에 따라 진동을 주어 배터리팩 내부 파라미터 변화를 확인한다. 진동 프로파일의 경우 발사체가 지상부터 우주에 도달하는 시간인 4분으로 시험을 진행한다.
UL 2054, UL 1642, IEC 62133의 국제 인증 기준을 참고하여 175g, 3ms의 반정현파 충격으로 실험을 진행하였다. 충격 시험기에 정육면체 배터리팩을 탑재하여 배터리의 우주 발사체 및 발사체의 단분리 및 페어링 분리를 고려하여 각 축(X,Y,Z)마다 3회의 충격 시험을 진행한다. 그림 2는 실제 충격 시험 시 응답 파형이다.

대상 데이터

UL 2054, UL 1642, IEC 62133의 국제 인증 기준을 참고하여 175g, 3ms의 반정현파 충격으로 실험을 진행하였다. 충격 시험기에 정육면체 배터리팩을 탑재하여 배터리의 우주 발사체 및 발사체의 단분리 및 페어링 분리를 고려하여 각 축(X,Y,Z)마다 3회의 충격 시험을 진행한다.
) 계열의 18650 HE4을 사용하였고 진동 및 충격 시험을 통해 배터리 내부 파라미 터를 분석하였다. 배터리팩은 정육면체 형태로 4S4P의 직병렬 조합을 통해 설계하였다.배터리 셀 및 배터리팩의 내부 파라미터 분석을 위한 전기적 실험은 크게 방전 용량과 OCV 프로파일로 나눌 수 있다.

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