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차량 주행 조건에서 납축전지의 동적 거동 및 수명 예측 모델링

초록/요약

일반적으로 납축전지는 차량의 시동 성능 위주로 최적 설계되어 있다. 최근 차량에 전장 시스템과 납축전지를 활용한 연비 기술 적용으로 인해 납축전지의 충·방전 사용 빈도를 증가 시키고 있다. 또한, 자동차에 적용된 배터리는 고온 환경에 노출되어 있다. 충·방전양의 증가와 고온 조건에서의 사용은 납축전지의 내구 수명을 단축시키고 있다. 본 연구에서는 납축전지의 노화 수명 모델 구현을 통해 배터리 내구 수명을 예측하는 방법을 제시하고자 한다. 납축전지의 노화에 영향을 미치는 요인은 방전율, 충전 시간, 완충 시간, 온도 조건 등이 있다. 본 논문에서는 노화 모델을 구현에 앞서 동적 거동 모델을 구현하였다. 1차원 모델링을 통하여 12V 차량용 납축전지의 동적 거동을 예측하였다. 수학적 모델에는 전기 화학 반응과 전지 내부에서 일어나는 이온 물질 전달을 포함하였다. 모델링을 검증하기 위해 용량이 다른 2개(68Ah, 90Ah)의 납축전지 모델링 결과를 실험 결과와 비교하였다. 본 연구에서 사용한 납축전지는 차량에 적용되고 있는 납축전지를 사용하였다. 방전 실험의 조건은 C/3, C/5, C/10, C/20의 방전율을 조합하여 진행하였다. 그리고 충전과 방전이 연속적으로 일어나는 동적 실험을 수행하였다. 모델링 결과와 실험 결과를 비교하여 보면 모델링 결과가 실험 결과를 잘 예측하는 것을 볼 수 있었다. 개발한 동적 거동 모델에 수명 예측을 위해서 노화에 가장 큰 영향을 주는 극판 부식 현상과 활물질 탈락을 노화 모델링에 반영하였다. 개발한 납축전지의 노화 모델을 검증하기 위하여 납축전지의 가속 충·방전 실험을 수행하였으며 모델링 결과가 실험 결과를 잘 예측하는 것을 볼 수 있었다. 마지막으로 개발한 배터리 모델을 차량 전력제어 시스템과 연동시켜 차량 전원제어 시뮬레이션을 실시하여 정상적으로 동작함을 확인하였다. 배터리 모델을 포함한 전체 시스템 시뮬레이터의 결과를 실제 차량 실험 결과와 비교하여 모델의 유효성을 확인하였다.

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목차

1. 서론 1

2. 납축전지의 수학적 모델 7
2.1. 납축전지 (Lead-Acid Battery) 전기화학 특성 7
2.2. 납축전지의 노화 메커니즘과 열화인자 11
2.2.1. 양극 기판 부식 (Corrosion of the positive grid) 14
2.2.2. 비가역적인 황산 결정화 (Hard/irreversible sulphation) 14
2.2.3. 양극 활물질 탈락 (Shedding) 15
2.2.4. 수분 감소 (Water loss / drying out) 15
2.2.5. 양극 활물질의 퇴화 (Active materials degradation) 15
2.2.6. 전해질 층화 (Electrolyte stratification) 16
2.3. 납축전지 모델 입출력 인자 19
2.4. 동적 거동 모델 22
2.5. 수명 예측 모델 32

3. 납축전지 실험 35
3.1. 충방전 실험 35
3.1.1. 온도 별 정전류 방전 실험 51
3.1.2. 방전 전류 변화 실험 53
3.1.3. 충방전 동적 거동 실험 58
3.2. 가속 충방전 실험 64

4. 납축전지 모델링 결과 및 고찰 70
4.1. 충방전 모델링 결과 및 고찰 70
4.1.1. 방전 전류 변화 모델링 결과 및 고찰 70
4.1.2. 충방전 동적 거동 모델링 결과 및 고찰 73
4.2. 노화 모델링 결과 및 고찰 79

5. 납축전지 모델의 차량 전력제어시스템 적용 결과 85
5.1. 차량 전력제어 시스템 모델 85
5.2. 배터리 모델과 차량 전력제어 시스템 모델 연동 90
5.3. 90Ah 배터리 모델 적용 결과 94
5.4. 68Ah 배터리 모델 적용 결과 100
6. 결론 106

참고 문헌 (Bibliography) 108
Abstract 111

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