원전 비상전원 적용성 판단을 위한 다양한 C-rate 기반 원통형 리튬이온 배터리의 전기적 특성분석 및 모델링

C-rate based electrical characteristics and equivalent circuit modeling of 18650 cylindrical Li-ion battery for nuclear power plant application

Abstract

최근 발생한 원전 사고는 소외전원 및 비상전원의 기능이 상실되어 발전소 전체 정전이 발생한 사례를 계기로 원전의 비상전원공급용 배터리의 중요성이 부각되고 있다. 현재 원전의 비상전원공급용 배터리는 기존의 납축전지를 대신하여 리튬계열 배터리로 교체가 고려되고 있는 상황이다. 이에 따라 원통형 리튬 배터리의 적용성을 판단하기 위해 여러 가지 리튬 계열 배터리의 전기적 특성 실험을 진행하여 결과를 분석해야 한다. 본 논문은 현재 ESS(Energy Storage Systems)에 많이 사용되는 세 가지 타입의 리튬 배터리의 전기적 특성실험을 통해 적절한 배터리 타입을 선정하고, 선정된 배터리가 비상전원공급용 배터리로 사용될 때 최적의 C-rate를 제안한다. 또 배터리 모델링을 통해 배터리의 상태를 추정하며 문제점을 제시한다.

The recent incidents of Nuclear Power Plant(NPP) gave rise to a total power outage caused by the loss of the functions of the off-site and the emergency power supply. Currently, emergency power supply of NPP have been taken into account by Li-ion batteries instead of existing lead-acid batteries. In order to judge the applicability of the cylindrical Li-ion battery, it is necessary to analysis the results of various electrical tests. This paper investigates the basic electrical characteristics test of three types of cylindrical batteries in order to select the most suitable battery and estimate state of battery through equivalent circuit model and propose method to solve the problem.

Fig. 1. Experimental setup for data extraction. 그림 1. 데이터 추출을 위한 실험 셋팅

Fig. 2. Discharging/Charging current profile for capacity measurement (NCA). 그림 2. NCA 배터리의 용량 실험 프로파일

Fig. 3. Discharging/Charging current profile for OCV and Resistance measurement ($\frac{1}{8}$C ). 그림 3. OCV 실험 프로파일 ($\frac{1}{8}$C)

Fig. 4. Discharging/Charging current profile for OCV and Resistance measurement ($\frac{1}{72}$C ). 그림 4. OCV 실험 프로파일($\frac{1}{72}$C)

Fig. 5. Region of discharge to extract parameter. 그림 5. 방전 곡선에서의 파라미터 추출

Fig. 6. Equivalent electrical circuit modeling having model parameters (OCV, R_i, R_Diff, C_Diff). 그림 6. NCA 배터리의 EECM 구조

Fig. 7. Discharging voltage Comparison between EECM based voltage and experiments ( $\frac{1}{8}$C ). 그림 7. 전기적 등가회로 모델링의 비교 결과 ( $\frac{1}{8}$C )

Fig. 8. Modeling error between EECM based voltage and experiments ( $\frac{1}{8}$C ). 그림 8. 실험 결과와 모델링 결과의 오차 ( $\frac{1}{8}$C )

Fig. 9. Discharging voltage Comparison between EECM based voltage and experiments ( $\frac{1}{72}$C ). 그림 9. 전기적 등가회로 모델링의 비교 결과 ( $\frac{1}{72}$C )

Fig. 10. Modeling error between EECM based voltage and experiments ( $\frac{1}{72}$C ). 그림 10. 실험 결과와 모델링 결과의 오차 ( $\frac{1}{72}$C )

Table 1. Cell Specification. 표 1. 배터리의 사양

Table 2. Charge Capacity of three cells considering various C-rates. 표 2. 다양한 C-rate 고려 시 배터리의 충전용량 비교

Table 3. Discharge Capacity of three cells considering various C-rates. 표 3. 다양한 C-rate 고려 시 배터리의 방전용량 비교

Table 4. Discharge time of three cells considering various C-rates. 표 4. 다양한 C-rate 고려 시 배터리의 방전시간 비교

Table 5. Charging efficiency of three cells considering various C-rates. 표 5. 다양한 C-rate 고려 시 배터리의 충전효율 비교

Table 6. Internal parameters of equivalent electrical circuit model. 표 6. 등가회로 모델의 내부 파라미터