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Kafe 바로가기주관연구기관 | 충남대학교 Chungnam National University |
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연구책임자 | 김종훈 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2020-09 |
과제시작연도 | 2020 |
주관부처 | 과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
과제관리전문기관 | 한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 | TRKO202100016144 |
과제고유번호 | 1711104151 |
사업명 | 우주핵심기술개발(R&D) |
DB 구축일자 | 2021-11-13 |
키워드 | 리튬이온 셀.스크리닝.배터리 시스템.전기적 등가회로 모델링.충전/수명 상태.신뢰성 판단.고장 유형 및 분석.우주 인증.Li-Ion cell.Screening.Battery system.electrical circuit modeling.ECM.State-of-charge/State-of-health.reliability.Failure Modes Effects and Criticality Analysis.FMECA.Cell qualification. |
□연구개발 목표
본 과제의 연구 목표는 우주용 리튬이온 배터리 셀 선택 및 스크리닝 알고리즘을 제안하는 것으로서, 이를 통해 인공위성의 전력 공급원인 배터리 시스템의 효율적인 운용을 도모하고자 한다. 본 과제에서 사용되는 배터리 셀은 국산화 및 고용량 원통형을 원칙으로 하며, 배터리 시스템이 요구하는 용량과 충전 종지전압, 그리고 성능조건에 부합하는 직병렬조합 배터리 시스템 최적 설계를 목표로 한다. 전기화학적 특성이 유사한 셀을 사전에 선별하는 스크리닝 기법 및 선택된 셀의 물리적, 전기적, 화학적, 안정성 실험을 통한 우주
□연구개발 목표
본 과제의 연구 목표는 우주용 리튬이온 배터리 셀 선택 및 스크리닝 알고리즘을 제안하는 것으로서, 이를 통해 인공위성의 전력 공급원인 배터리 시스템의 효율적인 운용을 도모하고자 한다. 본 과제에서 사용되는 배터리 셀은 국산화 및 고용량 원통형을 원칙으로 하며, 배터리 시스템이 요구하는 용량과 충전 종지전압, 그리고 성능조건에 부합하는 직병렬조합 배터리 시스템 최적 설계를 목표로 한다. 전기화학적 특성이 유사한 셀을 사전에 선별하는 스크리닝 기법 및 선택된 셀의 물리적, 전기적, 화학적, 안정성 실험을 통한 우주 인증 절차(cell qualification)를 수립한다. 이를 바탕으로 설계된 배터리 시스템의 전기적 등가회로 모델링(electrical circuit modeling; ECM) 기반 충전상태(state-of-charge; SOC) 및 수명상태(state-of-health; SOH) 정보를 확보한다. 신뢰성(reliability) 시험으로부터 극한 조건에서의 배터리 시스템 운용을 보장하며, 예기치 않은 인공위성의 고장 발생 시, 이의 진단 기법(failure modes, effects, and critically analysis; FMECA)을 추가로 연구한다.
□연구개발 내용
본 연구의 세부내용은 다음과 같다. 우선, 인공위성의 전력 공급원인 배터리 시스템을 위한 최적의 리튬이온 셀을 선택한다. 장시간 전력 및 배터리 시스템의 국산화를 위해서 최종적으로 고용량 원통형 리튬이온 셀을 선택하며, 설계되는 배터리 시스템의 제원(용량 및 충전 종지전압) 및 성능 조건을 만족하는 최적의 직병렬조합을 사전에 구성하고 이의 특성실험을 실시한다. 배터리 시스템 설계 시, 시스템 내부의 배터리 셀 간 발생할 수 있는 전압 및 SOC 불균형 시작을 최대한 늦추고 이의 감소를 위해 스크리닝 알고리즘을 제안하고 이를 구현한다. 기본 특성실험을 통한 스크리닝 기본 인자 외, 중요 인자 추출을 위한 추가 전기화학적 특성실험 및 이의 세부 분석을 실시하여 정교함을 높인다. 선택된 고용량 리튬이온 셀을 토대로 물리적, 전기적, 화학적, 안정성 실험으로부터 리튬이온 셀의 우주 인증 절차를 수립함으로써 배터리 시스템의 신뢰성을 확보한다. 설계된 배터리 시스템의 충전상태 및 수명상태의 주기적 모니터링을 위한 전기적 등가회로 모델링 기반 SOC/SOH 추정알고리즘 연구를 통해 배터리 시스템 중간 SOC 영역(partial SOC)에서의 운용 및 장시간 수명을 확보할 수 있는 방안을 강구한다. 등가회로 모델 적용은 곧 적응제어 기반의 알고리즘을 의미하나, 인공위성 탑재 및 이의 전류프로파일 특성 상, 복잡한 SOC/SOH 추정알고리즘이 아닌 전류적산법 및 용량정보를 토대로 간단히 구현될 수 있다(변동가능). 신뢰성 시험을 통해 극한 조건에서의 배터리 시스템 운용을 보장하며, 예기치 않은 고장 발생 시, 이를 잘 진단할 수 있는 기법 FMECA를 연구 및 적용하여 인공위성의 효율성을 더욱 높인다.
□활용계획 및 기대효과(응용분야 및 활용범위 포함)
인공위성을 위한 고용량 리튬이온 배터리 셀 선택 및 안정적인 직병렬조합 구성을 취한 스크리닝 기법을 제안함으로써 배터리 시스템의 효율적 동작을 기대할 수 있다. 기본 특성실험을 통한 실험데이터 외에 스크리닝 중요 인자를 위한 다양한 전기화학적 특성실험을 실시하여 이의 정교성을 더욱 높일 수 있다. 스크리닝 기법을 통해 정지궤도위성, 차세대소형 및 중형위성, 과학기술위성, 달 탐사위성에 적합한 최적의 배터리 시스템 설계가 가능하며, 해당연구를 위해 고려된 리튬이온 배터리 셀 및 시스템의 국산화를 통해 국내의 리튬이온 배터리 관련기업의 이미지 상승 제고의 효과도 더해질 것이다.
(출처 : 요약문 2p)
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