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배터리 장기 충방전에 따른 가변 전압 편차를 적용한 패시브 셀 밸런싱 알고리즘 시뮬레이션 연구
송희욱(Heewook Song),임남규(Namgyu Lim),정현홍(Hyunhong Jeong),고정수(Jeongsoo Go),이성준(Seongjun Lee) 전력전자학회 2021 전력전자학술대회 논문집 Vol.2021 No.7
본 논문에서는 원통형 배터리(Samsung INR18650-30Q) 130회 충방전 사이클 실험으로 획득한 데이터를 통해 배터리의 전기적 등가회로(ECM) 모델에 적용되는 배터리 내부 파라미터의 노화 분석결과를 제시한다. 또한 가변 전압편차를 적용한 패시브 밸런싱 방법의 조건식을 제시하고 4직렬 연결된 배터리 모듈의 장기 충 방전 사이클 시뮬레이션을 통해 fresh 상태와 노화된 상태의 밸런싱 제어 결과를 통해 제안된 방법의 타당성을 보인다.
전기자동차 배터리를 위한 가변 전압 편차를 적용한 패시브 셀 밸런싱 알고리즘 연구
송희욱(Heewook Song),임남규(Namgyu Lim),정현홍(Hyunhong Jung),고정수(Jeongsoo Go),김지은(Jieun Kim),이성준(Seongjun Lee) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
최근 전기자동차(EV, Electric Vehicle) 및 e-mobility의 수요가 증가함에 따라 리튬 배터리 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. EV의 고전압, 대용량 배터리 팩은 리튬 2차 전지 셀이 다직렬 다병렬 연결되어 제작된다. 리튬전지 팩 제작 시 사용되는 리튬전지 셀들은 초기 충전상태(SOC, State of Charge)의 차이 및 내부 저항크기의 편차가 존재할 수 있고, 이는 배터리 팩 충방전시 셀들 간의 전압차이를 발생시킬 수 있다. 이러한 전압차이가 발생하는 조건에서 배터리가 충방전 사용되는 경우 특정 셀의 지속적인 과충전 및 과방전이 발생하게 되어 셀의 효율감소, 수명저하 및 더 나아가 화재의 원인이 될 수 있다. 패시브 셀 밸런싱(Passive cell balancing)은 다른 셀들 대비 높은 전압을 갖는 셀의 전압을 낮추기 위해 저항을 이용하여 셀의 충전 에너지를 소모시키는 방식이다. Fig. 1은 패시브 셀 밸런싱 알고리즘에 대한 기존 연구결과로서 셀의 평균 전압 또는 최저 전압 대비 셀간 전압편차가 고정된 설정값을 초과하는 경우 저항과 직렬 연결된 스위치를 On 동작시키는 방법이다. 이러한 사전 연구는 간략한 방법으로 셀들간의 전압 편차를 특정 범위 내로 유지시킬 수 있다는 것을 보여준다. 하지만 배터리 셀의 특성이 달라지는 경우(타입 변경)와 많은 셀이 병렬 연결된 배터리 팩의 밸런싱 조건 설계 시 밸런싱 동작을 시키고자 하는 전압편차 값이 대한 설계 기준을 제시하지는 않았다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 2 – Fig. 3와 같이 셀의 최저전압 대비 배터리의 셀의 운전되고 있는 전압(운전점)에 따라 가변되는 전압 편차 조건을 초과하는 경우 밸런싱을 수행하는 패시브 셀 밸런싱 알고리즘을 제안한다. 제안된 방법은 Samsung INR18650_30Q 원통형 셀이 4개 직렬된 4S1P 배터리 시스템을 대상으로 시뮬레이션 및 실험 검증되었고, 실험 결과를 Fig. 4에 나타낸다. 본 논문에서는 배터리의 OCV 특성, 용량, 정격전류, 밸런싱 저항 등 여러 변수로 이루어진 전압편차 관계식 도출을 통해 배터리 타입 및 초기용량이 변동되는 조건에서 Passive 셀 밸런싱을 적용한 On/Off 시점을 설정할 수 있는 방법 및 제어 알고리즘을 연구를 진행하였다.