시스템설계자를위한산업용리튬전지의이해와충전기술 Ver 0.3 타보스장택순작성 2017. 04. 12 www.tabos.co.kr 1
리튬전지원천기술 [ 화두 ] 이차전지용이온물질 1 차전지 = 일회용, 2 차전지 = 충전용 알칼리금속 : 1 족원소 원소번호가적을수록다른금속보다금속결합의세기가약하다. 느슨한결합. 원소번호가적은알칼리금속일수록배터리이온금속으로적합성을가진다. 이온물질특징적용응용 Li ( 상용화됨 ) 가장활성화가용이가장가볍다 ( 알칼리금속중에서 ), ( 수소보다 3 배무거울정도로가볍다. ) 단점 : 지구상에특정국가에만존재한다. 비싸다. 가볍고, 부피가작으며고밀도축전이필요한곳 이동형배터리 미래물질 Na ( 상용화안됨 ) Li 보다활성화정도가약하다. Li 보다 3.7 배 ( = 11 번원소 /3 번원소 ) 무겁다. 장점 : 쉽게구할수있는값싼원소 Li 원소보다무겁고, 싸지만에너지밀도가낮다. 고정형배터리 2
리튬전지원천기술 리튬전지는축전기 (Capacitor/Condensor) 가진화된것 특히 전해캐패시터 가진화된것 그구조가아래구조와거의유사하다. 3
리튬전지원천기술 리튬전지 (LIB) 양극활물질종류별특징 항목양극 (+) 분리막음극 (-) 기저물질 활물질 ( 활성화물질 ) 알루미늄 (Al) 박막 Co, Ni, Mn, Al, Ti 등을이용한화합물코팅 V, Ti 등고가물질합성을통한내구성향상이화두. 폴리에틸렌 (PE) 및폴리프로필렌 (PP) 을기반으로한합성수지 --------------- 박막을이용하되구멍이숭숭뚫린일종의천 (Textile) --------------- 안정성을위해세라믹등으로코팅, F( 플로우르 ) 합성수지등이현재의화두. 구리 (Cu) 박막 흑연 (C) 천연흑연 / 인조흑연 --------- 세라믹코팅 분리막 : 양극과음극이붙지못하도록하면서유기용매상 ( 일종의기름성문 ) 의리튬이온이잘지나도록한재료. ( 이상향 ) : 가까운미래에는 전해액이액체가아니라고체형을추구 건전지화 : 고온 / 저온에서사용가능, 발화성저감 양극활물질종류에따라특성이달라져서리튬전지셀제조시아래와같이분류한다. LFP계열 ( LiFe 3 PO 4 ) 계열 ( 인산철 ) 일명리튬인산철배터리 중국에서만생산 : 지나간기술, 에너지밀도가낮고수명이짧다., 한국을포함선진국에서는생산안함. NCM 계열 ( 리튬 + 니켈 + 코발트 + 망간 ) LG, 삼성생산리튬전지의대부분을차지함. LCO 계열 ( 리튬, 코발트, 산화물 ), NCA ( 리튬, 니켈, 코발트알루미늄 ), LMO ( 리튬, 망간, 산화물 ), 산화티타늄계열등등주기 : 양극코팅물질 ( 활물질 ) 의조성이비싼원소가들어갈수록성능이우세하고가격이비싸다고보면이해가쉽습니다. 4
리튬전지상용품 리튬전지형상종류별특징 리튬이온캔형은캐피시터처럼양극 / 분리막 / 음극을작게말아서원통형깡통에넣고전해액을부어만든것. 리튬이온폴리머파우치형은크게말아서이를납짝하게찌그러트려봉지에넣은것. 구분특징 1 특징 2 특징 리튬이온 내압을가지는알루미늄깡통 (CAN) 에넣은것 액체유기용매전해질 일명 : 원통형, 캔형, 각형 대량생산용이 가격저렴. 내압을가지는깡통에들어있어서부피팽창등에유리 원통형이각형보다유리 리튬이온폴리머 알루미늄봉지 ( 파우치 ) 에넣은것 겔형유기용매전해질 일명 : 파우치형, 폴리머형 얇게만들수있다. 원하는형상으로만들수있다. 초소용량에서대용량까지다양하게만들수있다. 부풀수있다. 세계적인규격화가어려워양산이어려운점도있다. 리튬이온 형과 리튬 ( 이온 ) 폴리머 형배터리는어느것이안전하다고말할수없다. 어떤제조사가어떻게만드느냐에따라성능과안전성에차이가있을수있다. 5
리튬전지셀상용품 ( 사양서보기예 ) 원통형리튬전지 LG 화학 배터리의축전에너지단위 ( Wh 또는 Ah 및 V ) [ 참고 ] 물리학적환산 : J ( 주울 ) 평균전압 3.6V, 3Ah 리튬전지셀 3.6V x 3Ah = 10.8Wh 10.8Wh x 3,600sec = 38,880 J W = V x A W = J/sec, J ( 주울 ) 은에너지단위 Wh = J/sec x 1 Hour = J/sec x 3,600 sec = 3,600 J 10.8Wh의의미는 10.8W 전력을 1시간사용이가능하다. 1.08W의전력을 10시간사용가능하다. 제품군 D X L ( mm ) 리튬이온셀당평균전압 = 3.6V ~ 3.7V/Cell Model Capacity Energy Power Remark High Energy 18 x 65 B4 2.6Ah 9.5Wh 5.2A NCM C4 2.85Ah 10.4Wh 5.7A NCM E1 3.2Ah 12Wh 6.4A LCO Middle Rate MG1 2.85Ah 10.3Wh 10A NCM MJ1 3.5Ah 12.7Wh NCM High Rate HE2 2.5Ah 20A NCM 20 x 65 hg6 3.0Ah 30A NCM 6
타보스리튬전지기준 ( 사양서보기예 ) 원통형리튬전지 LG 화학 내부저항큰순서 : High Energy Model (Basic Rate) > Middle Rate > High Rate [ 내부저항이작으면 ] 1 순간적으로많은전류를부하에공급할수있는능력이있음. 2 배터리발열이적어고신뢰성시스템구축가능 3 가격상승요인. [ 전압강하로인한배터리전압이낮아지는문제 ] 내부저항이높으면동일한전류가흐를때더큰전압강하가생김 ( V = I x R 에의한전압강하 ) 예를들어모터에전류를공급할때갑자기큰전류가흐르면전압강하 V가커져전지전압이뚝떨어지게됨. 즉배터리측면에서저전압상태가되어모터를구동할수없게된다. [ 내부저항으로인한배터리발열문제 ] 저항손실량 ( W = I 2 x R ) 에의해배터리온도가상승하고, 이에따라배터리수명단축 [ 내부저항의변화량을측정함으로써배터리가고장이났는지, 수명이저하되었는지알수있다. 배터리는지속적으로사용함에따라내부저항이증가된다. 배터리내부저항측정기를 배터리테스터 라부른다. 배터리제조및품질관리에사용됨. 이상적인전지실제전지 ( 내부저항존재 ) 7
리튬전지팩제조 / 타보스기준 리튬전지셀 (Cell) 적용이차전지의산업용제품상품화 1 - 타보스제조기준 - ( 테슬러전기차방식리튬전지팩 ) BMS 2 ( Battery Management Systems ) 보드장착 ( 자동냉각장치장착포함 ) 24V 및 48V 배터리조립예 BMS 는출력용량에따라좌측사진과다른여러종류가있습니다.. 좌측사진은참고용임. BMS 1 ( Battery Management Systems ) 보드장착 8
리튬전지팩제조 / 타보스기준 리튬전지셀 (Cell) 적용이차전지의산업용제품상품화 2 주기 1 : 7S-6P : 셀을 7 개를직렬로묶고또 6 개를병렬로묶는다는의미, S (Serial), P(Parallel) 주기 2 : 전압을높여사용하면전류를줄일수있어유리. 단산업용은 60V 이하의안전전압사용요구, 모터및각종제어장치가 60V 미만으로많이개발되어설계용이. 24V용배터리 / 산업용전기차에서가장많이사용되는전압 [ 설계예 ] : 요구조건축전에너지가 1,700Wh급이목표, 7S x 6P x 4P (4뭉치병렬연결 ), 리튬전지셀은 2.9Ah/Cell Middle Rate 사용전압 = 7S x 3.6V = 25.4V, 전류량 = 6P x 4P x 2.9Ah = 69.6Ah 총에너지 = 25.4V x 70Ah = 1,760Wh 48V 용배터리 / 산업용전기차에서 2 번째로많이사용되는전압 360V 용배터리 / 승용차용전기차에서사용되는최저전압 20S x 5S 형 : 100 S x 3.6V/Cell = 약 360V 600~800V 용배터리 / 승용차용전기차에서사용 차세대자동차에서사용 14S x 4S X 4S 형 = 224 S 형 : 224 S x 3.6V/Cell = 약 800V 주기 : 전압을높이면전류가낮아져전선두께를가늘게할수있어서여러모로유리 9
리튬전지팩제조 / 타보스기준 리튬전지셀 (Cell) 보호 / 관리회로 BMS (Battery Management Systems ) 주기 : 리튬은지구상에서가장강한알칼리금속 ( 화재등안전에취약 ) 보호관리목적 안전관리측면 편의성향상측면 - 과전압차단및자동복귀 - 저전압차단및자동복귀 - 과전류차단및자동복귀 - 합선차단및자동복귀 - 셀밸런싱 ( 다수의배터리전압이일정하게유지 ) - 과열자동차단 - 수명증가를위한냉각장치 - 부하용량에따라회로기판의전류용량설계, 열설계, 내구성, 안전성, 수명설계적용.. - 정확한잔량의감지 (SOC / State Of Charge ) - 정확한건강도 ( 수명 ) 의감지 (SOH / State Of Health ) - 충전예상시간 - 방전예상시간 - 배터리의잔량 (Wh, Ah) - 전압및전류정보 ( V, A ) - 배터리온도정보 배터리상태통신포트 상위제어기에정보전달 : CAN / RS485 / RS422 / RS232C 주기 : 잔량, 건강도는배터리의내부저항및입출력전류의누적연산, 전압, 온도등의정보를바탕으로연산. 10
리튬전지적용가격 전기차에의리튬전지적용분석 전기승용차리튬전지적용비용 / 테슬라기준 최대 200 마력모터 x 평균부하율 20% x 3 시간연속주행 본사진은이해를돕기위한이미지컷 = 200 마력 x 750W/ 마력 x 20% x 3H = 90 KWh / 테슬라모델중최고모델 자동차사배터리제조원가가격 = 90 KWh x 35만원 / KWh = 3,150만원, 현재 2017년기준자동차용대량양산형리튬전지단가최저기준배터리소비자가격 50%~60% Up = 4,700만원 ~ 5,040만원 산업용무인반송차 (AGV) 적용비용 최대 200W 모터 x 평균부하율 30% x 12시간연속주행 = 최소 720 KWh 안전율감안 880Wh 적용 / Middle Rate 셀적용 타보스공급가 : 880Wh, 62만원 산업용의경우전기차가격이리튬전지가격에비해 10 배가까이 높기때문에배터리가격이문제가되지않음. 본사진은이해를돕기위한이미지컷 타보스는 S 사,H 사,L 사등굴지의기업에리튬전지및충전기를공급하고있으나고객정보보호차원에서일반사진을첨부합니다. 11
충전기 / 타보스기준 충전기의충전제어 정전류 (CC) / 정전압제어 (CV) 풍선불때제어하는것처럼 정유량 (CC) 의공기를주입하다가 풍선이터지지않도록 ( 일정압력을초과하지않도록 ) 정격압력을유지하면서 (CV) 주입공기량을줄이며마무리한다. CC = Constant Current, CV = Constant Voltage 충전기사양예시 : 29.4V / 10A 7S리튬전지 ( 평균25.4V, 최대 29.4V 배터리용 ) 의미 : 배터리가비어있을때 10A의전기를지속적으로주입하다가 (CC), 배터리전압이 29.4V 가까이올라가면이때부터는충전전류를지속적으로줄이며 29.4V 넘지않도록 (CV). 해서는안될일 : 29.4V 리튬전지에일반직류전원공급장치 ( 예를들면 28V 파워공급장치 ) 에직접연결하면전류제어가안되기때문에리튬전지에과대한전류가흘러들어가서리튬전지를파손시킨다. 12
충전기 / 타보스기준 [ 기본안전기능및편의 ] 충전기의기타보조기능 / 타보스제품기준 예비충전기능 ( Pre Charging ) : 리튬전지가연결되어있는지감지하며, 연결되어있으면최저전압에도달할때까지미세펄스충전. 회로단락보호및자동복귀 : 출력선합선을자동감지및출력을차단 / 합선해지시자동복귀. 배터리의과충전, 과전류충전방지기능. 1차 AC전원단과 2차출력DC전원단이전기적으로절연. 배터리역극성결선충전방지기능 : 감지장치가있어서 + / - 가바뀌어접속되어도배터리및충전기가고장나지않도록. 이때모니터링기능이있어사용자가결선을바로잡으면정상충전을할수있도록하는기능. 배터리와전선으로연결되어있지않을때출력전류차단기능 : 충전기전원이켜져있더라도충전기출력단자에충전전류가출력되지않게하는기능. [ 고급기능 ] 상위제어기와통신으로연결제어 : 충전전류필요시수지제어기능, 모니터링기능, 13
리튬전지부하로연결된모터에대한고찰 모터작동원리이해 모터는동시에발전기이다. [ 화두 ] : 돌아가는모터축을못돌아가게하면왜모터가탈까? 모터는모터본연의역할도하지만, 일단회전하면역기전류를공급하는발전기역할을한다. V in = 24V [ 모터회전시의발전전압 ] V Gen = 22V ( 약부하회전수 3,000 rpm 에서 ) = 18V ( 중부하회전수 2,500 rpm 에서 ) = 16V ( 고부하회전수 2,000 rpm 에서 ) = 0V ( 모터축회전강제고정 0 rpm 에서 ) 전원 공급부 Vin V V Gen R 모터 등가회로 모터코일의저항을 R = 100Ω 이라가정하자 ( 통상적인데이터에의함 ) 모터코일저항에걸리는전압 V = Vin V Gen 모터코일의 저항 위원리는 DC 모터이든 AC 모터이든동일함. 모터에흐르는전류 I = V /R = (Vin V Gen ) / R 약부하시 I = (24V-22V)/1Ω = 2A 중부하시 I = (24V-18V)/1Ω = 6A 고부하시 I = (24V-16V)/1Ω = 8A 초기기동시 ( 기동전류 ) 모터축강제고정시 I = (24V-0V)/1Ω = 24A * 모터부하가많으면전류가많이흘러모터과열 * 모터축강제고정시 초고전류가흘러모터코일피복이녹아합선. 합선되면코일저항이낮아져초고열발생 소손 14
리튬전지부하로연결된모터에대한고찰 모터기동전류를배터리가공급할수있는가? 기동전류공급이충분하도록리튬전지셀을 Middle Rate 급으로사용하며, BMS 가제어하는방전전류크기를충분히크게할필요. 리튬전지팩사양서참조 기동전류공급이충분하도록리튬전지셀을 Middle Rate 급으로사용하며 BMS 의전류방전 용량을충분히크게할필요. 리튬전지팩사양서참조 모터기동전류는모터정격전류의 5 배이상. 전원 공급부 Vin V V Gen R 모터 등가회로 모터기동전류를줄이는일반적인방법은모터속도제어장치로가속시간을길게, 즉초기기동속도를천천히하도록지령. 제어기내부적으로는 Vin 전압을서서히올림 모터코일의 저항 위원리는 DC 모터이든 AC 모터이든동일함. 15
리튬전지부하로연결된모터에대한고찰 모터작동원리이해 모터는동시에발전기이다. [ 화두 ] : 모터회전시생기는발전전력을이용할수는없을까? 배터리구동전기차감속및제동시에너지의회생이용 모든승용전기차는회생제동을이용하고있다. 1감속시생기는에너지, 2경사로를내려갈때생기는에너지를배터리에충전 배터리사용시간증대 산업용전기차는대부분아직회생제동을많이이용하고있지못하다. 상품화저조 급경사전기철도의제동방법 배터리 Vin 전원 승압 & 충전기 모터등가회로 V Gen R 시스템 ( 전기차 ) 에축적되는위치에너지를어떠한방법으로든시스템외부로에너지를방출하자! 브레이크만으로제동하면브레이크가다타버린다. 모터에서생성된 ( 발전되는에너지를 ) 저항으로태워서열로없애버린다. : 발전제동 ( 저항제동 ) 발전된전기를승압시켜서전원선으로송전하고송전된전기에너지는다른부하에서소진한다. ( 송전전에연결된모든부하를통해 ) : 회생제동 ( = 에너지의재생 ) 16