이차전지 회로모델링을 위한 계수보정법 최적화 연구

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 리튬-폴리머 배터리 모델링의 정확도 향상을 위해 기존에 사용되는 RCtank 기반 배터리 모델 구조의 계수 보정법을 제안한다.
전기자동차용 배터리 및 산업용 배터리 등은 수백 개 이상의 배터리 셀의 조합으로 구성되며, 배터리 셀은 저항 및 커패시터 성분의 조합으로 표현 할 수 있다. 수백 개 이상의 배터리 셀은 서로 다른 전기적 특성을 갖고 있어, 배터리의 충·방전에 따라 셀 간 용량 편차가 발생한다. 이러한 배터리 셀 간 용량 편차는 배터리의 수명을 단축하는 핵심요소이다. 배터리 셀 간 용량 편차를 줄이기 위해 수동형, 능동형 배터리의 셀 간 전압 평형화(cell balancing)기술이 연구 및 개발되었다. 하지만, 실제 배터리의 저항, 커패시터 성분의 값을 추정 할 수 없기 때문에 배터리 셀 간 전압 평형화의 정확도에 한계가 있으며, 배터리 셀 간 용량편차를 줄이는 시간도 비교적 긴 시간이 소요된다. 기존 RC Tank 기반 배터리 등가 모델이 연구되었지만, 배터리 셀별 전기적 특성이 모두 다르기 때문에 실제 배터리 충·방전 특성을 따라가지 못한다.
따라서, 본 논문에서는 배터리 셀별 실질적인 전기적 등가 모델 구현이 가능한 리튬-폴리머 배터리 RC Tank 구조 매개변수의 계수 보정법을 제안한다. 배터리의 전기적 등가모델은 리튬 폴리머 배터리의 충·방전 동적특성을 모사하기 위한 OCV(개방전압, Open Circuit Voltage), 저항 및 커패시터로 구성된다. 배터리 전기적 등가모델의 회로 구성은 배터리의 충·방전시 배터리 SOC(잔존용량, State of Charge)레벨을 모사하기 위한 직렬저항과 회로 내부에 흐르는 전류의 변화로 인한 과도 상태시 SOC레벨을 모사하기 위한 2단의 RC Tank로 구성된다. 이때, 배터리를 구성하는 모든 요소(저항, 커패시터 등)들은 SOC에 대한 함수를 갖는 가변소자이며, SOC 함수의 정수와 지수함수의 합으로 표현된다.
제안하는 배터리 모델 회로 매개변수의 계수보정법은 다음과 같다.

1. 배터리 선정 및 사용할 배터리 모델 토폴로지 선정
2. 배터리의 충·방전 특성곡선 추출
3. 2단 저항 및 커패시터 가변을 통해 실제 충·방전 특성곡선과 모델의 시뮬레이션 값의 평균 오차율을 5.0 % 이내로 갖는 저항 및 커패시터 값 추출
4. C-Rate(전류모드: 완전히 방전된 배터리가 1시간동안 완전 충전될 수 있는 전류의 세기) 가변에 따른 실제 충·방전 특성곡선과 시뮬레이션 결과의 평균오차율이 5.0 % 이내인 저항 및 커패시터 값 추출

배터리 전기적 모델의 시뮬레이션은 매틀랩에서 지원하는 시뮬링크를 사용하였으며, 제안하는 배터리 모델 계수 보정법 검증을 위한 배터리 모델은 Gajin社의 280 mAh, 650 mAh 저용량 리튬폴리머 배터리를 사용하였다(정격전압 3.7 V). 다양한 전류모드 환경에서 제안하는 배터리 모델 회로 매개변수의 계수 보정법 검증을 위해 0.25 C, 0.5 C, 0.75 C, 1 C 총 4가지 전류모드에서 실험 및 시뮬레이션을 진행하였고, 위의 두 가지 종류의 배터리를 모델링한 평균 오차율은 모두 5% 이내이다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 목차 i
• 그림목차 iii
• 표 목차 v
• 국문요약 vi
• I. 서론 1
• II. 배터리 모델링 개요 4
• 2.1 배터리 모델 정의 4
• 2.1.1 리튬 이차전지 특성 4
• 2.1.2 배터리 전력관리 시스템 및 배터리 셀 간 전압 평형화 6
• 2.2 배터리 모델링 9
• 2.2.1 전기적 배터리 모델 9
• 2.2.2 SOC 추정법 12
• III. 배터리 모델링 회로의 계수보정법 16
• 3.1 전기적 배터리 모델 구조 16
• 3.1.1 정적 용량 17
• 3.1.2 개방회로 전압 18
• 3.1.3 과도 응답 19
• 3.2 전기적 배터리 모델 구현 21
• 3.2.1 SOC 블럭 22
• 3.2.2 OCV 함수 블럭 24
• 3.2.3 RC 함수 블럭 26
• 3.3 배터리 충·방전 실험 28
• 3.3.1 실험 환경 28
• 3.3.2 실험 순서 30
• 3.3.3 Measurement versus Simulation 32
• 3.4 배터리 모델링 회로 매개변수 계수보정 35
• 3.4.1 모델링 알고리즘 35
• 3.4.2 파라메터 매개변수 계수보정 37
• 3.5 배터리 모델링 검증 42
• 3.5.1 전류모드 별 검증 42
• 3.5.2 배터리 용량 별 검증 45
• ⅤI. 결론 47
• 참고 문헌 48
• Abstract 53
• 감사의 글 56