초록

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트램 및 전기자동차와 같은 운송 시스템에 들어가는 배터리팩은 지속적인 진동을 받게 되고 이러한 진동은 SOH(State of Health)를 감소시킨다. 뿐만 아니라 진동으로 인해 배터리팩 내부 셀들 간의 SOH가 불균일해지는 문제점이 있다. SOH의 불균형은 배터리의 수명을 단축시킨다. 본 논문에서는 각 셀 간의 SOH 균형을 위한 Thermal Balancing 기법을 제시한다.

트램 및 전기자동차와 같은 운송 시스템에 들어가는 배터리팩은 지속적인 진동을 받게 되고 이러한 진동은 SOH(State of Health)를 감소시킨다. 뿐만 아니라 진동으로 인해 배터리팩 내부 셀들 간의 SOH가 불균일해지는 문제점이 있다. SOH의 불균형은 배터리의 수명을 단축시킨다. 본 논문에서는 각 셀 간의 SOH 균형을 위한 Thermal Balancing 기법을 제시한다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 본 논문은 앞서 언급한 방법과 다르게 진동에 의한 SOH감소의 근본적인 원인을 논의하고 진동의 물리적인 원인과 온도상승에 따른 간접적인 원인으로 나누어서 온도상승에 따라 발생한 SOH 불균형을 Thermal balancing을 통해 해결하는 방법을 제시한다.
• 본 논문은 진동에 의한 온도차이로 발생한 배터리팩 내부 셀들의 SOH 불균형을 줄이기 위해 셀 간의 열 교환을 통한 Thermal Balancing 기법을 제안하였다. MapleSim을 이용한 모의실험을 통해 SOH 불균형을 줄이는 것을 확인하였으며 이를 통해 제안한 방법의 효과를 검증하였다.

제안 방법

• SOH 불균형을 줄이기 위해 연구가 진행되었고 여러 방법들이 제시되었다. 첫 번째 방법으로 각 셀의 SOH에 비례하게 부하를 분담하는 방법이 제시되었고, 이 방법은 좋은 SOH를 갖은 배터리가 더 많은 부하를 공유하여 모든 셀의 수명이 같아지도록 만든다.^[1] 두 번째 방법으로 배터리 팩을 구성할 때 가장 열화 된 셀을 새 것으로 교체해서 배터리 팩의 수명을 늘리는 방법도 제시되었다.
• 첫 번째 방법으로 각 셀의 SOH에 비례하게 부하를 분담하는 방법이 제시되었고, 이 방법은 좋은 SOH를 갖은 배터리가 더 많은 부하를 공유하여 모든 셀의 수명이 같아지도록 만든다.^[1] 두 번째 방법으로 배터리 팩을 구성할 때 가장 열화 된 셀을 새 것으로 교체해서 배터리 팩의 수명을 늘리는 방법도 제시되었다.^[2]
• 각각 다른 온도의 셀을 이용하여 직렬 및 병렬로 구성한 배터리팩(그림 3)을 MapleSim을 사용하여 모의실험을 수행한 결과 시간에 따라 온도 차이에 의한 SOH 차이가 커지는 것을 그림4를 통해 볼 수 있다. 이후 Thermal Balancing 기법에 따라 열 전도체를 이용하여 열 교환이 이뤄지도록 구현하였다.

이론/모형

• 본 논문에서는 HD2 셀의 진동에 의한 용량 및 저항 변화를 전기 화학적 임피던스 분광법(EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy)으로 분석하였다. 그림 1은 이상적인 HD2 셀과 진동 후 셀의 용량 변화를 나타낸다.

성능/효과

• 그에 따른 온도의 상승은 배터리 내부 반응을 활발하게 만들며 화합물의 축적으로 전극, 전해질 계면에서의 SEI(Solid Electrolyte Interphase)층의 두께가 증가한다.^[5] SEI층의 두께증가에 의해 저항은 증가되고 저항증가는 전력손실 즉 SOH 감소를 의미한다. 배터리 팩 내부 셀 간의 온도의 차이는 SOH 불균형을 악화시키게 되며 배터리 간의 온도 차이를 줄이므로 SOH 불균형을 감소시킬 수 있다.
• 본 논문은 진동에 의한 온도차이로 발생한 배터리팩 내부 셀들의 SOH 불균형을 줄이기 위해 셀 간의 열 교환을 통한 Thermal Balancing 기법을 제안하였다. MapleSim을 이용한 모의실험을 통해 SOH 불균형을 줄이는 것을 확인하였으며 이를 통해 제안한 방법의 효과를 검증하였다.

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