1.서 론
전세계적으로 온실가스에 대한 규제가 강화됨에 따라 대부분의 자동차업체에서는 이산화탄소등 배기가스 축소 를 위한 연구를 진행하여 새로운 시스템이 적용된 자동 차를 제조 판매 확대하고 있다.1) 적용된 새로운 시스템 은 x-HEV (hybrid electric vehicle)자동차에 적용되는 기본 시스템인 ISG (idling stop & go) 시스템과 발전제 어 시스템을 들 수 있다. ISG 시스템은 신호대기, 교통 이 혼잡한 상황 등에서 공회전을 해야 할 상황이 처했 을 때, 엔진에서 연소가 발생하지 않도록 엔진을 정지하 고, 출발을 위해 엑셀을 밟는 순간 시동이 걸리는 시스 템을 말하며, 이로 인해 연료의 불연소구간에서 발생되 는 이산화탄소 등 배기가스를 감소시키고 있다.2) 현재 이 러한 시스템에 적용중인 battery는 대부분 개선된 AGM (absorbent glass mat) lead acid battery이다.3-9) 그리고, 추가적으로 자동차의 연비개선을 위하여 차량운전 조건 에 따라 차량용 발전기의 발전량을 가변하는 방식을 채 택하여 가속시 배터리 방전, 감속시 battery를 충전하는 충전제어 시스템이 있다. 이런 시스템의 변화에 따라 battery가 담당하는 부하가 커지고, ISG 작동 시 순간적 으로 전력이 소모된 battery를 보상하기 위하여 충전수 입성이 우수한 battery를 채택하고 있으며, 발전기의 용 량도 증대시켜 짧은 시간에 에너지를 회생할 수 있도록 하고 있다. 시스템의 변화는 battery에게 빠른 충전/방전 특성을 요구하고 있으며, 부하에 따른 내구 수명도 요 구되고 있다. 따라서 기존의 AGM battery으로만으로 대 응이 어려워짐에 따라 micro HEV를 제외한 Mild HEV 이상의 친환경차량에서는 Li battery의 적용이 확대되고 있으나, 높은 Cost와 안정성이 해결과제이다.10)
따라서, Li battery외의 전지분야에서는 Mild HEV 차 량에서 요구되는 특성에 맞게 대응할 수 있는 대안으로 capacitor분야에서는 용량을 키워서 대용량으로 에너지 저 장능력을 향상시키는 연구가 많이 시도되었으나, 우수한 power density에 비해 energy density는 부족하여 capacitor 가 단독 적용되지는 못하였다.11) 또한, 연축전지분야에서 는 연축전지와 Capacitor의 특징을 조합하여 (-)극에 Pb 전극과 Carbon 전극 2가지를 채용한 PbC라는 형태의 전 지를 연구하였다.12) 그러나, 이 연구도 자기방전등 자동 차에 요구되는 특성 만족이 어려웠다. 본 연구에서는 Micro HEV차량에 적용되고 있는 개선 연축전지인 AGM 연축전지와 EDLC (electric double layer capacitor)를 직접 병렬로 연결하는 모듈화 연구를 진행함으로써 power density와 energy density 두가지 모두 안정되게 구현할 수 있는 시스템을 구성하고자 하였다. HEV 차량에서 요 구되는 순간적인 대전류 충전/방전은 EDLC가 담당하여 충전수입성과 방전특성을 향상시키고, 기본적인 방전부 하나 에너지저장은 연축전지가 담당함으로써 Mild HEV 에서 요구되는 특성과 내구수명을 동시에 확보하고자 하 였다. 이를 위해서 모듈 구성 시 두 type의 배터리간 balance 유지를 위한 시스템을 적용하고, 환경온도별 연 축전지와 EDLC의 전압 및 전류 거동을 확인하고 수명 특성에 대한 연구를 진행하였다.
2. 실험 방법
2.1 AGM 연축전지/EDLC 통합모듈 제작
2.1.1 AGM 연축전지 제작
Pb-Ca기판에 Pb 산화물인 Active material을 도장하여 제조된 양극판과 음극판을 AGM 격리판과 서로 한장씩 배열하여 cell을 구성하였으며, 6개의 구분된 공간으로 이 뤄진 Case에 2 V cell을 차입하고 직렬로 용접하여 연 결하였다. Cover를 접착하였고, 전해액으로 황산 수용액 을 사용하여 충전을 통해 극판 활성화를 진행하였다. 20 시간율 용량 70 Ah 제품으로 제작하였으며, AGM 연축 전지의 전반적인 제조 공정을 Fig. 1에 나타내었고, Fig. 2는 전지 외관 형상을 보여주고 있다.
2.1.2 EDLC 모듈 시료 준비
고출력 충전/방전을 위해서 EDLC모듈은 Fig. 3에서 나 타낸 것처럼 ㈜삼화전기에서 제작된 16 V 200 F를 사용 했으며, 이는 Alkali-activation 처리한 활성탄 전극에 PC (propylene carboante)계 전해액이 적용된 2.5 V 1200 F EDLC 셀을 케이스에 6직렬로 구성하여 제작된 모듈이다.
2.1.3 AGM 연축전지/EDLC 통합 모듈 제작
시료로 준비된 AGM 연축전지와 EDLC 모듈을 병렬 로 연결하였으며, AGM 연축전지와 EDLC 연결회로에 EDLC의 과충전을 방지키 위해 CMS (capacitor management system)을 설치하였다. Fig. 4는 실제로 제작된 EDLC 통합 모듈 사진을 나타내었다.
3.결 과
3.1 용량, 저온 CCA(cold cranking ampere) 등 전 기적 특성
3.1.1 20 hr 용량
이 시험은 Battery가 축전가능한 전기량을 20 hr율의 전 류로 평가하는 것으로 Fig. 6은 AGM 연축전지 단독 평 가 결과와 AGM 연축전지/EDLC 통합모듈 평가 결과를 보여주고 있다. 두 시료 모두 유사한 결과를 보였다. 그 래프의 유형을 관찰 시 방전 초기에는 EDLC가 소량 기 여를 하였으나, 이후에는 기여도가 없는 것으로 나타났 으며, 20 hr 용량 측정방법처럼 전기용량을 저율(low rate) - 정율(constant rate)로 측정하는 경우에는 EDLC 의 적용 효과가 미미한 것으로 판단된다.
3.1.2 -18 °C, -30 °C Cold Cranking Ampere
CCA (cold cranking amphere)는 엔진 시동 성능을 표 시하는 척도로 -18 °C 저온에서 방전시켜 30 sec 때 전 압을 측정한다. Fig. 7은 760 A의 전류로 7.2 V까지 방 전할 때 전압의 추이를 보여주고 있다. 방전시간은 AGM 연축전지가 36 sec, 통합 모듈이 38 sec로 통합모듈이 다 소 우수하였고, 그래프 유형을 세부적으로 보면 방전 초 기 8 V까지 하락하는 AGM 연축전지에 비해 통합 모듈 은 완만한 drop형상을 보이고 있다. 이는 대전류 충전/ 방전이 우수한 EDLC가 CCA시험에서 초기 약 8 sec간 방전에 기여한 것으로 판단된다. Fig. 8은 -30 °C 극저 온에서 CCA를 측정한 결과로 450 A로 7.2 V까지 방전 할 때 전압 추이를 보여주고 있다. 이 역시도 -18 °C CCA와 동일하게 방전 초기 8 sec간 EDLC가 영향을 준 것으로 판단되며, 극저온에서도 EDLC가 충분히 역할을 하는 것을 알 수 있다. 또한 빈번한 충전/방전이 이루 어지는 HEV 차량에 적합한 특성을 보이고 있다고 판 단된다.
3.1.3 0 °C Charging Acceptance
CA (charging acceptance)는 SOC (state of charge) 50 % 수준의 battery를 0 °C 온도 하에서 14.4 V 정전압 충전하면서 10분 경과 시점의 전류를 측정한다. Fig. 9 는 AGM 연축전지와 통합 모듈의 CA시험결과를 나타 내고 있으며, 통합 모듈이 초기에 100 A의 높은 전류로 충전되어 AGM연축전지의 초기 55 A 대비 높은 충전 특 성을 보였다. 이는 역시 대전류 급속 충전/방전 특성이 우수한 EDLC로 인한 영향으로 판단된다. 이런 특성은 HEV차량에 적용되는 braking시 에너지를 회생하는 시스 템에 적합한 특성을 보이고 있다.
3.2 SBA S0101 ISG 수명
3.2.1 연축전지와 모듈의ISG 수명
SBA S0101 시험은 ISG 시스템이 적용된 차량에서 요 구되는 시험 방법이다. Fig. 10은 AGM 연축전지와 통 합 모듈의 수명시험 결과를 나타내고 있다. 이 그래프 에서는 매 3,600 cycle때 300 A 방전 전압을 보여주고 있다. 초기 3,600 cycle때 AGM 연축전지는 10.9 V, 통합 모듈은 11.5 V를 기록하여 통합모듈이 더 높은 수준의 방 전 특성을 보여주고 있다. 이는 EDLC가 높은 전류의 방 전시 기여를 하고 있다고 판단되며, 초기 이후에 AGM 연축전지는 지속적으로 전압 강하가 일어나 약 90,000 cycle에 수명이 종료되었다. 반면, EDLC가 적용된 통합 모듈은 150,000 cycle이 넘어서는 시점에서도 전압이 10 V 이상 유지하는 것을 확인할 수 있으며, Cycle이 진행 될수록 0.08 V/week씩 감소하는 AGM 연축전지와는 달 리 통합모듈은 약 0.02 V/week가량 소폭 감소하는 것으 로 보아 금번 연구의 기본 컨셉이었던 고출력의 EDLC 가 고율 방전(high rate discharge) 부하를 일부 분담하 여 AGM 연축전지의 수명을 증대시키는 효과가 있는 것 으로 판단된다.
3.2.2 Cycle중 충방전 전류 거동
AGM 연축전지에 비해 향상된 수명 특성을 갖는 AGM/ ELDC 통합 모듈의 요인을 분석하기 위해 오실로스코프 를 이용하여 전류거동을 분석하였다. Fig. 11은 SBA S0101 시험중 1 cycle의 전류를 분석한 결과이다. AGM 연축전지는 인가된 전류를 그대로 부담하고 있음을 보 여주고 있으나, 통합 모듈의 경우 45 A 방전 초기에 EDLC에서 거의 대부분의 전류를 분담하고 시간이 지날 수록 AGM 연축전지가 전류 부담이 증가하고, EDLC는 전류 부담이 감소됨을 알 수 있다. Fig. 11의 내부 그래 프에 300 A 방전에서의 전류 거동을 좀 더 명확히 확 인하기 위해서 1 sec 범위를 확대해서 나타내었다. 방전 초기에 EDLC가 170 A, AGM 연축전지가 130 A를 부 담했다가 1 sec 말기에 EDLC가 130 A, AGM 연축전지 170 A로 변하는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 전 류량에 관계없이 EDLC가 AGM 연축전지에 비해 먼저 전류를 부담하고 서서히 AGM 연축전가 전류를 부담하 는 것으로 확인되었다. 이는 통합모듈이 SBA S0101수 명시험에 더 우수한 결과를 보인 근거로 판단되며, EDLC 가 우선적으로 고전류를 부담하는 현상에 대해선 내부 저항으로 그 해답을 찾을 수 있다. 200 F의 EDLC가 갖는 내부저항은 3.0 mΩ 이하이며, AGM 연축전지의 내부저항은 3.2 ~ 3.5 mΩ 수준이다. 따라서, 전류의 흐 름은 내부저항이 낮은 EDLC 먼저 치중되며, 점차적으 로 AGM 연축전지쪽으로 그 흐름이 이동하는 것으로 판 단된다.
4. 결 론
x-HEV차량의 시스템에서 요구되는 순간적인 대전류 급 속 충전/방전 특성향상과 이로 인한 수명향상을 위해서 AGM 연축전지에 EDLC를 적용한 통합모듈에 대한 연 구를 진행하였다.
저온 대전류 방전인 CCA 특성에서 AGM 연축전지 단 독사용 대비 초기 약 8초간 EDLC의 영향을 받아 통합 모듈 시료가 우수한 특성을 보였으며, 충전수입성의 경 우도 초기 충전전류가 AGM연축전지 대비 약 2배가량 높은 값을 확인하였다. 이는 빈번한 시동과 가감속시 순 간 대전류 충/방전이 요구하는 x-HEV차량 시스템에 적 합한 특성을 보여주고 있다.
수명측면에서 기존 AGM 연축전지만 단독으로 사용하 였을 때 비해 약 2배 이상의 수명이 향상되었으며, 이 는 EDLC가 초기 고율방전 부하를 부담하므로써, AGM 연축전지의 수명이 증대된 것으로 판단되며, EDLC의 낮 은 내부저항으로 인해 초기 충방전에 기여도가 높아진 결과로 사료된다.
따라서, x-HEV차량에 요구하는 충전/방전 특성과 수명 에 충분한 효과 있는 것으로 판단되어 차기 연구에서는 Fig. 12와 같이 자동차에 직접 적용하여 Field 시험을 진 행할 계획이다.
