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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 홍순찬
- 발행연도
- 2013
- 저작권
- 단국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수62
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2차전지는 노트북컴퓨터, 휴대전화, 캠코더 등에 광범위하게 사용되고 있으며 에너지 저장 시스템, 전기자동차 등의 대용량 시스템으로도 그 적용범위가 확대되고 있다. 2차전지의 사용이 보편화됨에 따라 전지의 성능 또한 중요한 요소가 되고 있다. 특히 전기자동차의 경우에는 전지의 성능에 따라 차량주행거리 등이 영향을 받으므로 2차전지 제작사는 전지의 성능향상을 위한 연구개발을 지속적으로 수행하고 있다.
2차전지의 성능을 최대한 확보하기 위해서는 전지 조립공정 후 최적의 활성화 공정과 사이클러 공정을 거쳐야 한다. 활성화 공정과 사이클러 공정은 기본적으로 2차전지를 수 차례에 걸쳐 충전 및 방전을 반복함으로 이루어지는데 이러한 충방전을 제대로 하기 위해서는 충방전 요건을 충족시켜줄 수 있는 충방전기가 필요하다. 이러한 용도의 충방전기로는 리니어방식과 스위칭방식의 충방전기가 있는데, 리니어방식의 충방전기는 효율이 50[%] 이하이고 방전시 방전에너지를 회생시킬 수가 없다. 또한 전력소자를 통하여 열에너지로 방출해야 한다는 단점 때문에 주로 소형전지에 사용된다. 반면에 스위칭방식의 충방전기는 효율이 70[%] 이상이며 방전시 에너지를 회생할 수 있어서 리니어방식보다 장치의 부피와 무게도 상당히 작아지는 장점이 있어 중대형 전지에 주로 사용된다. 그런데 전지의 활성화와 전지의 수명시험, 신뢰성시험 및 특성시험 등을 하는 사이클러 공정에서 2차전지를 최대전압까지 충전하고 0[V]까지 방전해야 하는 경우에 충방전기의 구성이 간단하지 않다. 왜냐하면 충전시에는 별 어려움이 없으나 방전시에는 스위칭 소자의 전압강하와 배선선로의 전압강하의 합이 1~2[V] 정도 되므로 2차전지의 전압을 이 전압 이하로 방전시키기가 용이하지 않기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 기존의 방식에서는 충전용 전원장치 외에 별도로 방전용 전원장치를 추가해야 하는 번거로움이 있고 장치의 구성 또한 복잡하다는 문제가 있다.
본 논문에서는 2차전지의 활성화 및 사이클러 공정에 필요한 충전 및 완전방전을 위한 새로운 방식의 충방전기를 제안한다. 제안한 방식은 기존의 충방전기와는 달리 완전방전을 위한 별도의 부가적 전원장치가 없이 하나의 전력변환기로 충전은 물론 완전방전도 가능하다는 장점이 있다. 본 논문에서 시험 대상으로 하는 2차전지는 전기자동차용 리튬폴리머 전지로서 전압변동의 범위는 2.7~4.2[V]이며 용량은 40[Ah]이다. 최대 충전전압이 4.2[V]의 저압이므로 전원장치는 강압변압기를 사용한 고주파 스위칭방식의 양방향 DC-DC 컨버터로 구성하였으며 스위칭 소자는 MOSFET를 사용하였다. 일반적인 DC-DC 컨버터와 상이한 점은 2차전지와 연결되는 저압부의 회로구성이 새로운 방식이라는 것이며 방전시 완전방전이 가능하도록 고안되었다. 상기 용량의 리튬폴리머 전지의 충방전을 위하여 2차측 출력전압이 5[V]이고 출력전류가 50[A]급인 충방전기를 제안한 방식으로 설계 및 제작하여 다양한 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안한 방식의 유용성과 타당성을 입증하였다. 제안한 방식은 2차전지 충방전기의 소형 경량화 및 신뢰도 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.
2차전지의 성능을 최대한 확보하기 위해서는 전지 조립공정 후 최적의 활성화 공정과 사이클러 공정을 거쳐야 한다. 활성화 공정과 사이클러 공정은 기본적으로 2차전지를 수 차례에 걸쳐 충전 및 방전을 반복함으로 이루어지는데 이러한 충방전을 제대로 하기 위해서는 충방전 요건을 충족시켜줄 수 있는 충방전기가 필요하다. 이러한 용도의 충방전기로는 리니어방식과 스위칭방식의 충방전기가 있는데, 리니어방식의 충방전기는 효율이 50[%] 이하이고 방전시 방전에너지를 회생시킬 수가 없다. 또한 전력소자를 통하여 열에너지로 방출해야 한다는 단점 때문에 주로 소형전지에 사용된다. 반면에 스위칭방식의 충방전기는 효율이 70[%] 이상이며 방전시 에너지를 회생할 수 있어서 리니어방식보다 장치의 부피와 무게도 상당히 작아지는 장점이 있어 중대형 전지에 주로 사용된다. 그런데 전지의 활성화와 전지의 수명시험, 신뢰성시험 및 특성시험 등을 하는 사이클러 공정에서 2차전지를 최대전압까지 충전하고 0[V]까지 방전해야 하는 경우에 충방전기의 구성이 간단하지 않다. 왜냐하면 충전시에는 별 어려움이 없으나 방전시에는 스위칭 소자의 전압강하와 배선선로의 전압강하의 합이 1~2[V] 정도 되므로 2차전지의 전압을 이 전압 이하로 방전시키기가 용이하지 않기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 기존의 방식에서는 충전용 전원장치 외에 별도로 방전용 전원장치를 추가해야 하는 번거로움이 있고 장치의 구성 또한 복잡하다는 문제가 있다.
본 논문에서는 2차전지의 활성화 및 사이클러 공정에 필요한 충전 및 완전방전을 위한 새로운 방식의 충방전기를 제안한다. 제안한 방식은 기존의 충방전기와는 달리 완전방전을 위한 별도의 부가적 전원장치가 없이 하나의 전력변환기로 충전은 물론 완전방전도 가능하다는 장점이 있다. 본 논문에서 시험 대상으로 하는 2차전지는 전기자동차용 리튬폴리머 전지로서 전압변동의 범위는 2.7~4.2[V]이며 용량은 40[Ah]이다. 최대 충전전압이 4.2[V]의 저압이므로 전원장치는 강압변압기를 사용한 고주파 스위칭방식의 양방향 DC-DC 컨버터로 구성하였으며 스위칭 소자는 MOSFET를 사용하였다. 일반적인 DC-DC 컨버터와 상이한 점은 2차전지와 연결되는 저압부의 회로구성이 새로운 방식이라는 것이며 방전시 완전방전이 가능하도록 고안되었다. 상기 용량의 리튬폴리머 전지의 충방전을 위하여 2차측 출력전압이 5[V]이고 출력전류가 50[A]급인 충방전기를 제안한 방식으로 설계 및 제작하여 다양한 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안한 방식의 유용성과 타당성을 입증하였다. 제안한 방식은 2차전지 충방전기의 소형 경량화 및 신뢰도 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.
목차
Ⅰ. 서 론 11. 연구배경 및 필요성 12. 연구내용 63. 논문의 구성 7Ⅱ. 기존의 2차전지 충방전기 81. 리니어방식의 충방전기 82. 스위칭방식의 충방전기 113. 스위칭방식 충방전기의 한계 14Ⅲ. 제안한 스위칭방식 충방전기 161. 제안한 충방전기의 회로 구성 및 동작원리 172. 충전동작 해석 183. 방전동작 해석 234. 제안한 충방전기의 영전압 방전 구현 31Ⅳ. 충방전 시스템 설계 331. 충방전기의 사양 332. 변압기 및 LC필터 설계 343. 정전압 및 정전류 제어기 설계 43Ⅴ. 시뮬레이션 481. 충전 시뮬레이션 542. 방전 시뮬레이션 593. 상태공간평균화법을 이용한 시뮬레이션 64Ⅵ. 실험결과 및 검토 681. 실험장치의 구성 682. 실험결과 763. 실험결과 고찰 85Ⅶ. 결 론 88참 고 문 헌 90부록 A. 스위칭방식 충방전기의 해석 94부록 B. 상태공간평균화법에 의한 해석 112부록 C. 제어 프로그램 139영 문 요 약 165
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