DC μ-Grid 기반 배터리 충/방전 시스템의 에너지 효율에 관한 연구

여성대(Sung-Dae Yeo),김종운(Jong-Un Kim),이경량(Kyung-Ryang Lee),한철규(Cheol-Kyu Han),류태형(Tae-Hyoung Ryu),김경화(Kyeong-Hwa Kim),김성권(Seong-Kweon Kim) 한국전자통신학회 2015 한국전자통신학회 논문지 Vol.10 No.12

Li-ion 배터리를 생산하는데 있어서 충/방전을 통한 formation 과정이 필요하다. 이 과정에서 방전기의 부하저항을 통해 방전하게 되는데 이때 에너지 손실이 발생한다. 따라서 본 논문에서는 DC μ-Grid 기반의 충/방전시스템에서 배터리를 효율적으로 운영하는 방안에 대해 연구하였다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과, DC μ-Grid 기반의 충/방전 시스템에서 충전 배터리 set 3개 기준 대비 방전 배터리 set의 수가 133%를 초과하게 되면 망 전압이 안정화되는 과정에서 발생하는 전압 fluctuation 폭을 초과하기 때문에 시스템에 치명적인 손상을 야기한다. 따라서 충전 배터리 set 3개 기준 대비 방전 배터리 set의 수를 133%까지 운영할 수 있으며 획기적인 에너지 절감 효과를 확인할 수 있었다. Formation process through charge/discharge operation is needed in manufacturing Li-ion battery. In the process battery is discharged by a load resistor of discharger. Here, energy losses happen. Therefore, in this paper, the efficient energy operation of battery is studied in the charge/discharge system based on DC μ-Grid. A result of computer simulation shows that if in the charge/discharge system based on DC μ-Grid, the number of discharge batteries in comparison with three charge battery sets exceeds 133%, voltage fluctuation that occurs while the grid voltage stabilizes, which makes the system fatal. Therefore, it was demonstrated that a remarkable energy saving effect could be achieved when the number of discharge battery set is maintained to be 133% in comparison with three charge battery sets.

충전 전류 및 전압 특성을 이용한 리튬 배터리 잔여 사용 수명 추정

필계개(J. K. Bi),류하오(H. Liu),이재천(J. C. Lee),이용욱(Y. W. Lee),신민정(M. J. Shin) 유공압건설기계학회 2021 유공압건설기계학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.11

현재 리튬 배터리는 대표적인 2차 에너지 저장 장치로서 에너지 저장 밀도가 높기 때문에 여러 분야에 널리 사용되고 있다. 하지만 충·방전이 반복되면서 배터리 용량이 점차 낮아지고 배터리 퇴행 특성이 나타난다. 본 연구는 NASA 에임스(AMES)가 발표한 배터리 충방전 실험 데이터를 이용하여 리튬 배터리의 잔여 수명(RUL)을 추정하였다. 먼저 배터리 용량과 충전 전압과 충전 전류의 상관관계를 찾았고 파티클 필터(PF) 알고리즘을 이용한 확률분포를 기반으로 노화 과정과 배터리 잔여 사용수명을 예측하였다. 결과는 이 방법이 리튬 배터리의 임계 잔여 사용수명을 효과적으로 추정할 수 있는 것으로 나타났다.

급속 충전 알고리즘에 따른 전기자동차 배터리 성능 비교 평가

윤효정(Hyojung Yoon),김태훈(Tae-Hoon Kim),정진범(Jin-Beom Jeong) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

최근 높은 판매율을 보이고 있는 전기자동차는 성능, 연료 유지비 등에 대한 이용자 만족도가 상당히 높은 반면, 전기차 충전 불편과 인프라 부족은 아직까지도 구매의 걸림돌로 작동하고 있다. 따라서 전기차 충전 불편 문제 해소를 위해서는 근본적 문제인 배터리의 성능 해결 방안과 전기차를 빠르고 편리하게 충전할 수 있는 실질적 해소 방안에 대한 연구가 병행되어야 한다. 근본적 문제 해결 방안으로는 고율 충전이 가능한 배터리의 소재 개발이 이루어지고 있으며, 이와 동시에 응용 기술 중의 하나인 충전 성능을 향상시킬 수 있는 급속 충전 제어 기술을 개발하여 이용자들이 당면한 실질적 문제 해결이 필요하다. 본 연구에서는 국내에 양산, 보급된 전기차들을 고려하여, 실사용에 유의미한 전기차 충전 시간 단축을 위해 10분 충전으로 100km 주행이 가능한 급속 충전 알고리즘 개발에 대하여 논한다. 전기차 배터리 상태를 고려하여 충전 시간을 단축할 수 있는 총 4가지(3/4-step MSCC, PC, CC)충전 알고리즘의 제안 및 비교 평가를 통해 이들의 타당성을 검증한다. 이를 위해 최적 충전 알고리즘 적용에 따른 배터리 성능 및 수명 영향도를 정량적으로 평가할 수 있는 표준 시험법 및 RPT 시험법을 정립하며, 이를 기반으로 전기차 셀을 대상으로 평가·검증한다. 또한 현재 출시된 전기차의 급속 충전 알고리즘을 분석하여, 이를 기준으로 제안된 알고리즘의 유효성을 확인하여 최적의 충전 알고리즘을 선정한다. 선정된 알고리즘은 향후 열 관리 시스템을 고려하여 모듈 및 팩 레벨까지 확대 적용하여 실차 적용 적절성을 검증할 예정이다.

전기자동차 충/방전 최적 제어를 위한 배터리 팩 내부 편차 기반 최대 가용 출력 추정 알고리즘 연구

박진형(Jinhyeong Park),김재원(Jaewon Kim),이미영(Miyoung Lee),김종훈(Jonghoon Kim) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

고전압 배터리 시스템에서 정확한 가용 출력을 예측하는 것은 가속 및 회생제동이 빈번한 전기자동체에서 충/방전 모드 및 안전 영역을 제어하는데 가장 중요한 지표 중 하나이다. 일반적인 배터리 시스템 제어 방법의 경우 고전압 배터리 팩을 하나의 셀로 가정하여 제어를 실시한다. 하지만, 고전압 배터리 팩의 경우 수백개의 셀로 구성되는 시스템이기 때문에 성능이 비교적 떨어지는 셀이 포함될 가능성이 높다. 기존 방법의 경우, 단순 전압 정보를 기반으로 배터리 팩 내부 편차를 제어한다. 하지만, 단순 현재 측정되는 전압 정보만으로는 시스템 출력 요구에 따른 예측이 불가능하다. 따라서, 고전압 배터리 팩의 안전한 충/방전 제어를 하기 위해 셀 간 편차를 반영한 최대 출력 예측이 요구된다. 본 논문에서는 기존 배터리 팩 단위 제어가 아닌 셀 단위 최대 출력 정보를 기반 충/방전 제어를 위한 방법을 제안한다. 본 논문에서는 배터리 팩 내부 셀 간 편차를 반영한 State of charge (SOC) 추정 알고리즘을 기반으로 가용 출력 추정 방법론은 제시한다. 또한, 배터리 팩 내부 고장 셀 판별 및 불 균일도 선별을 위해 가용 출력 정보를 활용한다. 본 방법론은 확장 칼만 필터 (Extended Kalman filter; EKF)를 기반으로 배터리 팩 내부 SOC를 추정하며, 최대 가용 출력 추정을 위한 배터리 팩 내부 파라미터는 MAFF-RLS (Multiple adaptive forgetting factor-recursive least square)를 사용한다. 최종적으로, 배터리 팩 열화 실험을 통해 셀 간 편차가 발생하는 데이터를 활용하여 셀 선별을 실시하고 검증한다.

소비자는 배터리 스왑핑 전기차를 선호할까?: 이산선택실험법을 이용한 잠재선호 분석

황인성 한국기술혁신학회 2023 기술혁신학회지 Vol.26 No.6

전기차의 구조적 한계에 기인하는 긴 충전시간을 극복하기 위해 기존의 유선충전(Plug-in charging) 방식 대신 배터리 스왑핑(Battery swapping) 방식을 채택하는 기업이 늘고 있다. 이에 본 연구는 이산선택실험법(Discrete choice experiment)을 사용해 유선충전 전기차 및 배터리 스왑핑 전기차 구매에 대한 소비자 선호를 비교 분석하였다. 차량의충전방식, 충전시간, 충전인프라 접근성, 총소유비용, 주행거리, CO2 배출량을 속성으로 선택집합을 구성하였으며, 이를 기반으로 한국 소비자 400명 대상의 설문조사를 실시했다. 혼합로짓모형(Mixed logit model)으로 효용함수 추정결과, 소비자는 배터리 스왑핑 전기차보다 유선충전 전기차를 더 선호하며 선택집합을 구성하는 모든 속성이 소비자 선호에 유의한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 실증결과는 전기차 시장 침투율을 높이고자 하는 정부와 기업에정책적·전략적 시사점을 제시할 것으로 기대된다. To overcome charging time limitation of electric vehicles (EVs), there is a growing trend among companies to adopt battery swapping methods instead of the conventional plug-in charging approach. This study aims to carry out a comparative analysis of consumer preferences when considering the purchase of plug-in charging EV and battery swapping EV. A discrete choice experiment was conducted involving 400 Korean consumers, wherein charging time, charging infrastructure accessibility, total cost of ownership, driving range, and carbon dioxide (CO2) emissions were considered as key attributes. The estimation results using a mixed logit model revealed that all attributes had a significant impact on consumer preferences. Additionally, Korean consumers exhibited a stronger preference for plug-in charging EVs over battery swapping EVs. The findings of this study are expected to offer valuable policy and strategic insights for governments and companies aiming to enhance the market penetration of EVs.

스택 구조를 갖는 리튬 배터리 보호 IC 구현

이주연 국제차세대융합기술학회 2022 차세대융합기술학회논문지 Vol.6 No.9

휴대용 IT 기기들에는 에너지 밀도가 높은 리튬 배터리를 많이 사용한다. 그러나 리튬 배터리를 사용하 는 전자기기들은 안전성 문제를 해결하기 위해서는 반드시 보호회로를 탑재하여 사용해야한다. 보호회로는 리튬 배터리의 전압을 모니터링하는 배터리 보호 IC와 과충전 및 과방전시 스위치 역할을 하는 듀얼 N-channel MOSFET 등으로 구성되어있다. PCM은 배터리 제어 IC와 MOSFET를 PCB에 실장하여 사용한다. 따라서 본 논문은 배터리 제어 IC와 스위치 역할을 하는 MOSFET의 2개의 반도체 Die Chip을 이용하여 하나의 패키지 형 태로 구현하고자 한다. 부품의 면적을 축소하기 위한 방법은 MOSFET 위에 배터리 제어 IC를 쌓아 올려 하나의 패키지로 제작한다. 스택구조를 갖는 하나의 패키지로 구현하면 기존 부품의 면적에서 최소 44%의 절감효과를 갖 게 된다. 또한, 하나의 패키지 형태를 갖는 배터리 보호 IC는 과충전, 과방전, 과전류, 단락 등의 기능을 갖는다. Portable IT devices used lithium batteries with high energy density. But electronic devices using lithium batteries must be equipped with a protection circuit to solve the safety problem. The protection circuit was consists of a battery protection IC with lithium battery voltage monitoring and dual N-channel MOSFETs with switch in case of overcharge and over-discharge. PCM uses a battery control IC and MOSFET mounted on a PCB. Therefore, this paper intends to implement it in a single package using two semiconductor die chips of a battery control IC and switch on the MOSFET. A method to reduce the area of a device is to stack a battery control IC on top of a MOSFET and manufacture it as a single package. When implemented as a single package with a stack structure, at least 44% of savings compared to existing parts of size can be achieved. In addition, the battery protection IC having a single package has functions such as overcharge, overdischarge, overcurrent, and short circuit.

에너지저장시스템에서 발전량 예측을 통한 능동적 배터리 충전 관리 방안

김정준(Jung-Jun Kim),채범석(Beom-Seok Chae),이영관(Young-Kwan Lee),조기환(Ki-Hwan Cho) 한국스마트미디어학회 2020 스마트미디어저널 Vol.9 No.1

신재생 에너지를 활용이 높아지면서 에너지저장시스템의 활용과 효율성에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 태양광 에너지저장시스템을 구성하는 서브시스템에서 이상 징후 발생에 능동적으로 대처할 수 있는 운영이 요구된다. 본 논문은 태양광 발전량 데이터를 표본으로 하여 예측 발전량을 추정하여 에너지 관리하는 방안을 제안한다. 실시간으로 예측된 배터리 충전 전력과 배터리 랙 총 충전 전력을 비교하여 충전 전력을 조절하는 모형을 적용한다. 그 결과로 배터리의 발열 억제 및 충방전율을 유지시켜 에너지저장시스템의 에너지 저장을 안정적으로 높일 수 있다. Along with increasing the renewable energy utilization, many researches have paid attention on the utilization and efficiency of energy storage systems. Especially, it is required an operational model in order to actively respond with each system’s failure of sub-systems in the solar energy storage system. This paper proposes an energy management scheme by estimating the newly generated power based on the solar power generation samples. With comparing the estimated battery charging power in real time and the total charging power of the battery rack, a charge model is applied to adjust the charging power, As a result, the stability of energy storage system would be improved by suppressing the battery heat while maintaining battery C-Rate.

하이브리드 자동차 열관리를 위한 리튬 이온 배터리 열관리 2차원 모델링

한재영(Jaeyoung Han),김성수(SungSoo Kim),유상석(Sangseok Yu) 한국자동차공학회 2012 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2012 No.11

EVs and Hybrid electric vehicles depends strongly on their battery affects. The performance of the battery is sensitive to battery temperature and the temperature of the battery will affect the reliability of the battery and improve performance and extend the life. In particular, the temperature distribution of cell to cell in battery pack differ for cooling characterisrics and cooling methode. It is desirable to have a temperature distribution of <5°C from cell to cell. Appropriate modeling for Automotive application battery thermal management shortens the battery design and development process. This study presents temperature distribution between cell for cooling characterisrics and cooling methode through a two-dimensional using the Matlab/Simulinkⓡ. The battery assumes prismatic and consists of 10 cell. Battery thermal management model consists heat generation, heat transfer and pressure drop. Especially The heat generation model considers charge/discharge state. Therefore, this study confirms temperature distribution of between cell for appropriate battery thermal management, and By applying the integrated model of a lithium-ion battery, while driving the battery to ensure proper thermal management.

전기 자동차용 니켈수소 배터리 1차원 열전달 모델링

한재영(Jaeyoung Han),박지수(Jisoo Park),유상석(Sangseok Yu),김성수(Sung-soo Kim) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集B Vol.38 No.3

전기 자동차의 연료 소모량은 배터리 성능에 의존한다. 배터리의 성능은 작동온도에 민감하기 때문에, 배터리 온도 관리는 성능과 내구성을 보장한다. 특히, 배터리 팩에서의 모듈의 온도 분포는 냉각 특성에 영향을 미친다. 이 연구는 모듈 사이의 온도 분포를 확인 할 수 있는 배터리 열적 모델링에 초점을 두었다. 본 연구의 배터리 모델은 NiMH 각형 모델이며, 10개의 모듈로 구성되어졌다. 배터리 열 모델은 열 발생, 채널을 통과하는 대류 열 전달 그리고 모듈 사이의 전도 열 전달로 구성되었다. 배터리 내에서 발생되는 열발생 모델은 충/방전 동안의 전기적인 저항열에 의해 계산되어 진다. 모델은 전 하이브리드 자동차의 운전 동안 적절한 열관리의 전략을 결정한다. Fuel consumption rates of electric vehicles strongly depend on their battery performance. Because the battery performance is sensitive to the operating temperature, temperature management of the battery ensures its performance and durability. In particular, the temperature distribution among modules in the battery pack affects the cooling characteristics. This study focuses on the thermal modeling of a battery pack to observe the temperature distribution among the modules. The battery model is a prismatic model of 10 NiMH battery modules. The thermal model of the battery consists of heat generation, convective heat transfer through the channel and conduction heat transfer among modules. The heat generation is calculated by the electric resistance heat during the charge/discharge state. The model is used to determine a strategy for proper thermal management in Electric vehicles.

주행환경을 고려한 배터리교환형 전기버스의 배터리 수명을 예측하기 위한 실험방법 고찰

주용호(Yongho Joo),김정용(Jeongyong Kim),박정인(Jungin Park),최웅철(Woongchul Choi) 한국자동차공학회 2014 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2014 No.11

Among numerous efforts for successful deployment of electric vehicles in the market, public transportation sector has attracted plenty of interests from many government entities. One of the main reason for this attraction comes from the idea of tax money being used for public welfare and at the same time used for better environment. As a part of these efforts, a newly introduced battery swappable electric bus system has been under pilot program for almost a year now. This system uses a battery pack specifically designed for battery swapping stations located in certain intervals along the bus routes and the batteries in the system serve the system with a specific power and energy requirements. In this paper, an experimental method to identify the life time of the battery specifically for the said system is introduced. Also, a methodology to monitor aging characteristics of the battery is discussed under real life battery usage patterns.