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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 73, No. 04, p.749-755

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 06 March 2024Revised : 23 March 2024Accepted : 24 March 2024

DOI :

https://doi.org/10.5370/KIEE.2024.73.4.749

배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치를 통한 납축전지의 충방전 특성

Characteristics of Lead Acid Batteries Through a Battery-Specific Bidirectional DC Power Supply

윤용호 (Yong-Ho Yoon) ^†iD

^†Corresponding Author : Department of Electrical Engineering, Gwangju University, Korea. E-mail:yhyoon@gwangju.ac.kr

License :

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Translated Abstract

As the demand and field of use for lead acid batteries increases, interest in test methods and test facilities that consider the characteristics and safety of batteries is also increasing. Basically, there are problems related to the charging time, self-discharge, charging and discharging characteristics, and energy density (low energy density) of lead acid batteries. The charging and discharging characteristics of lead acid batteries are stable within a certain range, but excessive discharging or overcharging reduces performance and shortens lifespan, and repeated charging and discharging has a significant impact on changes in the characteristics and lifespan of the battery. When charging a lead acid battery, conditions such as voltage, current, time, and temperature are often within the range set by the battery specifications. And the discharge operation is directly related to the usage time and performance of the lead acid battery and is evaluated as its own performance factor. Therefore, due to the complex characteristics of lead acid batteries due to charging and discharging, research on optimization and management is needed in various ways. Therefore, in this paper, we built a test facility that can analyze the charging and discharging characteristics of lead acid batteries. And using these test facilities, we aim to promote the safety of lead-acid batteries by analyzing their operation and analysis through charging and discharging experiments.

Key words

Lead?Acid Battery, Test Facility, Charging, Discharging, C-Rate

1. 서 론

납축전지는 현재까지 개발된 최초의 충전식 배터리 형태 중 하나로 자동차 시동용, 사이클용, UPS용 등 다양한 용도로 활용되어 여러 분야에서 중요한 역할을 하고 있다^[1]. 이러한 납축전지는 리튬이온 배터리에 비해 무겁고 부피가 크며, 짧은 충ㆍ방전 사이클을 가지고 수명이 짧은 단점을 가지고 있다. 하지만 리튬이온 배터리와 비교할 때 광범위한 가용성, 낮은 자본비용, 높은 전류용량의 특징으로 지금까지 꾸준히 사용되고 있다. 이러한 납축전지의 이점을 바탕으로 특별히 효율적이면서 낮은 비용으로 전원백업 시스템 분야에서 주요 에너지원으로 사용되면서 수요를 촉진하고 있다. 따라서 납축전지 시장은 2022~2030년 동안 7.00%의 CAGR(연복리 성장률)로 성장하여 2030년까지 478억 달러에 도달 및 수요가 증가하여 배터리 및 에너지 저장산업의 성장을 주도할 것으로 예상한다.

납축전지의 수요 및 사용분야 증가에 따라 배터리의 특성과 안전성을 고려하는 시험방법과 시험설비에 관한 관심도 또한 증가하고 있다. 기본적으로 납축전지의 충전시간, 자기방전, 충ㆍ방전 특성, 에너지 밀도(낮은 에너지 밀도)에 따른 문제점들이 존재한다. 납축전지의 충·방전 특성은 일정한 범위에서 안정적이지만, 과도한 방전이나 과충전은 성능 하락 및 수명을 단축하며 충ㆍ방전 반복은 배터리의 특성과 수명의 변화에 큰 영향을 미친다^[2].

납축전지 충전 시 전압, 전류, 시간 및 온도 등의 조건은 배터리 사양으로 정해진 범위에서 이루어지는 경우가 많다. 그리고 방전동작은 납축전지의 사용시간 및 성능과 직결되어 자체 성능요소로 평가된다. 따라서 납축전지는 충ㆍ방전에 따른 복합적인 특성으로 인해 다양한 방법으로 최적화 및 관리에 관한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 납축전지의 충ㆍ방전 특성을 분석할 수 있는 시험설비를 구축하였다. 그리고 이러한 시험설비를 활용하여 충ㆍ방전 실험을 통해 납축전지의 동작 및 분석을 통해 납축전지의 안전성을 도모하고자 한다.

2. 납축전지 특성

납축전지는 납 산화물로 구성된 양(+)극과 음(-)극(해면질, 다공성 납)으로 구성되며, 두 전극 사이에는 물과 황산으로 구성된 전해질 용액을 사용한다. 이러한 구성은 에너지 저장을 위한 화학반응을 촉진하고, 전기 단락을 방지하기 위한 중요한 역할을 한다. 따라서, 납축전지는 다른 화학 물질을 기반으로 하는 배터리보다 kWh당 낮은 비용으로 더 많은 에너지를 제공하며, 재활용률이 높아 시간이 지남에 따라 운영 비용이 감소한다.

반면에 화학적으로 이루어진 납축전지의 특성상 배터리 내부에 부식이나 파괴를 초래할 수 있다. 과도한 방전은 배터리의 과열 및 화재 현상을 일으키며 가스 발생으로 인한 사고사례의 원인이 될 수 있다. 따라서 납축전지의 충ㆍ방전 특성을 분석함으로써, 사용 범위를 예측하여 배터리 사고사례를 사전에 방지해야 한다.

2.1 납축전지 구성

납축전지의 구조는 그림 1과 같이 양극(+), 음극(-), 전해질, 격리판, 외부 커버 및 연결 단자로 구성된다. 충·방전 반응 중 납 산화물이 양극에서 발생하고 음극에서는 다공성 납이 발생한다. 이러한 두 극 사이에는 황산과 물을 혼합한 전해질이 존재하여 전기를 전달하고 화학반응을 조절한다. 또한 양극과 음극은 전기적으로 절연된 분리막을 통해 분리되어 전해액에서 발생할 수 있는 전기 단락을 방지한다.

그림 1. 납축전지 구조

Fig. 1. Lead-acid battery structure

그림 2. 납축전지 내부 구성

Fig. 2. Lead-acid battery internal configuration

납축전지의 기본 셀 전압은 보통 공칭전압 2[V]로, 완전충전 시 셀 전압은 2.45[V]까지 상승하며 완전방전 시 1.75[V]까지 떨어진다. 납축전지의 전체전압은 내부 셀의 연결 개수에 따라 결정되어 6[V], 12[V], 24[V]로 구성된다. 12[V]의 배터리를 기준으로 6개의 셀이 직렬 연결되어 최대 충전전압은 14.7[V]까지 허용되며, 완전방전 경우에는 10.5[V]까지 전압이 떨어지게 되면 열화된다. 따라서 완전방전의 10.5[V]에 도달하기 전 재충전을 통해 전압을 높여야 하며 자체 방전으로 인한 전압감소를 주의하고 주기적으로 전압을 유지해 주어야 한다.

이러한 특징의 12[V] 납축전지 내부 구성을 그림 2에서 보여주고 있다. 기본적으로 내부 셀은 6개로 구성 되어있으며 그림 2(a)와 같이 6개의 셀이 직렬로 연결된 형태로, 6개의 셀이 1개의 납축전지로 구성되고 공칭전압은 12[V]이다. 또한 그림 2(a)와 같이 내부 셀을 전기적 특성회로 나타낸 그림 2(b)는 각 셀의 전압이 2[V]로 구성된 배터리를 직렬로 6개 연결된 형태의 총 12[V]의 내부 회로로 표현할 수 있다.

2.2 납축전지 충ㆍ방전 특성

(1) 충전 특성

납축전지 충전 특성은 정전류(Constant Current, CC) 충전, 정전압(Constant Voltage, CV) 충전 및 충전 공회전(Charge Idle Time, CIT)으로 그림 3과 같이 크게 3단계로 나뉜다^[3]. 이러한 정전류(CC) 충전은 일정한 전류를 인가하여 충전하는 방식으로 C-rate (Current rate, 충방전속도) 조건에 따라 용량 대비 충전전류를 인가한다.

정전류(CC) 충전 후, 충전전압에 도달하면, 배터리의 과충전 방지를 위해 정전압(CV) 충전으로 진행된다. 이후 충전종지전류(Cut-Off)에 도달하게 되면 충전이 종료된다. 일반적으로 충전종지전류는 납축전지 전류용량의 1/10로 설정하며 정전류(CC)와 정전압(CV)을 이용한 충전 방식을 CC-CV 충전 모드라고 한다. 또한 충전 공회전은 완충 후 충전이 종료되어 전류가 흐르지 않게 되는 순간 배터리 내부회로에 의해 전압이 떨어지는 현상을 보여준다^[4].

그림 3. 납축전지 충전특성

Fig. 3. Lead-acid battery charge characteristics

(2) 방전 특성

그림 4는 납축전지의 방전특성에 해당하는 그래프를 보여주고 있다. 전류의 크기에 따라 방전시간이 달라지기 때문에 크기에 따른 정전류(CC)의 값이 방전 종료까지 유지되며 방전전압은 계속해서 감소한다. 그리고 설정된 방전종지 전압값까지 도달 시 방전전류는 0[A]가 되며 방전이 종료되고 있음을 알 수 있다.

반면에 방전종지전압을 설정하지 않고 완전방전 시 배터리의 휴지기에 전압이 빠르게 하강할 수 있으며 이는 전체 배터리 사용 용량의 감소 원인이 된다. 또한 오랜 시간 동안 방전상태로 두면, 자기 방전으로 인해 사용할 수 있는 용량 감소 및 내부 구조에 손상이 일어난다. 따라서 일정 수준 이상 충전상태를 유지하기 위해서는 주기적으로 충전해야 한다.

방전 공회전은 방전 종료 즉 방전전류가 0A일 때 전압이 다시 상승하는 현상으로 이는 배터리의 내부회로에 존재하는 내부 커패시터로 인해 일정한 전압으로 상승하는 현상이 발생 된다^[5]. 따라서 방전 종료 이후 일정 수준의 휴지기동안 증가한 전압이 배터리의 최종 방전전압이다.

그림 4. 납축전지 방전특성

Fig. 4. Lead-acid battery discharge characteristics

(3) 다이나믹 방전 특성 그래프

그림 5는 납축전지 다이나믹 방전특성을 보여준다. 방전진행 시간 동안 방전전류를 0.5주기로 방전 진행(Current On), 방전 종료(Current Off) 반복 진행한다. 다이나믹 방전은 배터리 사용 패턴을 모방함으로써 배터리 성능을 분석할 수 있다^[6]. 정전류 (CC)방전 특성과 동일하게 방전 종료 시 전압이 다시 상승하게 되는 방전 공회전 현상을 확인할 수 있다.

그림 5. 납축전지 다이나믹 방전특성

Fig. 5. Lead-acid battery dynamic discharge characteristics

3. 납축전지 충ㆍ방전 시험설비

배터리를 제조하는 기술 발전으로 배터리의 성능과 효율성이 높아지고 있다. 따라서 이러한 기술개발 속도에 맞춰 배터리 성능시험은 특성, 수명, 고장진단, 재활용 등의 다양한 시험방법을 요구하고 있다. 또한 배터리의 안전과 적절한 기능을 보장하기 위한 배터리 성능 시험설비 구축과 이에 따른 지침 및 올바른 기본지식이 고려되고 있다^[7].

따라서 본 논문에서는 납축전지의 충ㆍ방전에 따른 성능을 분석하기 위한 시험설비를 다음과 같이 구성하였다.

3.1 시험설비 구성

그림 6은 납축전지 성능시험을 위해 구성한 시험설비로 계통전원을 입력으로 하여 AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터로 이루어진 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치에 시험품인 납축전지를 연결하는 구조로 구성하였다. 또한 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치(EA-PSB 9360-40)는 Elektro-Automatik에서 제작한 전원장치로 본 논문에서는 납축전지의 C-rate 변화에 따른 충ㆍ방전 특성을 분석하기 위해 충ㆍ방전기로 사용되었다.

그림 6. 납축전지 성능분석을 위한 시험설비 구성도

Fig. 6. Test equipment configuration for lead acid battery performance analysis

3.2 납축전지 충ㆍ방전 실험 프로그램

그림 6과 같이 구성된 납축전지 성능 시험설비를 이용하여 충전 및 방전실험을 시행하기 위한 프로그램을 그림 7에서 보여주고 있다. 충전과 방전실험을 하기 위해 시험품으로 사용되는 납축전지의 전압, 전류, 충ㆍ방전종지 전압값들을 실제 제조사에서 제공한 파라미터로 그림 7(a), 7(b)에서 입력할 수 있다.

또한 그림 7(c)에서는 그림 7(a), 7(b)를 통해 충ㆍ방전실험 시 실시간으로 진행되고 있는 각 항목의 상태정보들을 모니터링할 수 있다. 따라서 충ㆍ방전 및 과도상태의 스트레스 인가를 통한 배터리의 상태파악을 통해 안전성을 실시간으로 확인할 수 있다.

그림 7. 납축전지 충ㆍ방전실험 프로그램

Fig. 7. Battery charger and discharger monitoring

4. 실험결과

3장에서 설명한 시험설비를 이용하여 충ㆍ방전에 따른 성능을 분석하기 위하여 납축전지 특성에 맞게 충ㆍ방전 전압, 전류 및 C-rate를 적용하였다. 실험으로 사용된 납축전지는 4개의 배터리를 직렬연결 하여 공칭전압 48[V], 공칭용량 40[Ah]의 사양으로 충ㆍ방전 실험을 시행했으며 세부 사양은 표 1과 같다.

납축전지의 충전전류는 전체용량의 0.1~0.25[C] 사이의 C-rate로 제한한다^[7]. 이는 급속 충ㆍ방전으로 납축전지의 급격한 온도상승으로 인한 고장을 방지하기 위해서이다. 따라서 본 논문에서는 C-rate 0.25, 0.5, 0.75[C] 값에서 각각의 충ㆍ방전실험과 0.25 [C] 값에서 다이나믹 방전실험을 통해 납축전지의 특성에 대해 살펴보았다.

표 1 납축전지 사양

Table 1 BMS(Battery Management System) specifications

Parameter	Value (1개당)	Value (4개 직렬)
전지형식	6S Lead	24S Lead
공칭전압	12[V] (10.5[V]~16.0[V])	48[V] (42[V]~64[V])
공칭용량	40[Ah]	40[Ah]
충전방식	CC-CV-부동	CC-CV-부동
최대충전조건	13.32[V], NO Limit [A]	53.28[V], NO Limit [A]
최대방전조건	13.32[V], NO Limit[A]	53.28[V], NO Limit [A]
다이나믹 최대 충전ㆍ방전 조건	13.32[V], 10[A]	53.28[V], 10[A]
방전종지전압	7[V] (1.75[V] per cell)	42[V] (1.75[V] per cell)

4.1 납축전지 충ㆍ방전실험, C-rate 0.25[C]

(1) 충전실험

납축전지 충전시 충전종지전류는 배터리 특성에 따라 과충전이 되지 않도록 보통 정격전류의 1/10으로 설정한다. 따라서 충전종지전류 4[A], C-rate 0.25[C], 충전전류 10[A] 조건으로 실험을 진행하여 그림 8의 실험결과를 얻었다.

정전류(CC) 충전모드 구간동안 최초 충전전압 48.2[V]에서 전압이 증가하여 표 1에서 보여준 최대충전전압 53.3[V]까지 충전이 진행되는 과정을 그림 8(a)에서 보여주고 있다.

그림 8(b)는 초기 충전 시 전압 및 전류에 대한 확대 파형으로 충전전류는 설정값 10[A]로 바로 상승하고 있으며 충전전압도 초기 충전전압 48.2[V]에서 급속도로 증가하고 있다. 이후 정전류(CC) 충전모드로 전환하며 충전전압 52.2[V]로 도달하는 데 걸리는 시간은 대략 45[S]의 결과를 보여주고 있다.

최대충전전압 53.3[V]까지 전압상승 후 정전압(CV) 충전모드에서 설정값 충전전류 10[A]는 서서히 줄어들면서 충전종지전류 4[A]에 도달하면서 충전이 종료되고 있다. 충전 종료시간 대략 90분 후 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치는 무부하 상태로 전류는 0[A]로 되며, 납축전지 내부 커패시터 방전으로 인해 전압은 50.8[V]까지 하강하는 결과를 보여주고 있다.

그림 8. 납축전지 충전실험 결과

Fig. 8. Lead-acid battery charging test results

(2) 방전실험

표 1에서 보여준 방전종지전압 42[V], C-rate 0.25[C], 전력제한 5[kW]로 설정하여 방전실험을 진행하였으며 그림 9와 같이 실험결과를 도출하였다.

그림 9(a)는 방전 설정값에 따라 방전 시작과 동시에 방전전류 10[A]가 흐르면서 납축전지에 충전된 전압 50.7[V] 전압이 48.6[V]로 빠르게 떨어지고 있다. 이후 정전류(CC) 방전모드에서 설정한 방전종지전압 42[V]까지 전압이 방전되고 있다. 또한 방전진행 약 90분 후 방전종지전압 42[V] 시점에서 전류값이 0[A]로 변화하면서 방전이 종료되고 있다. 그리고 방전이 종료된 시점에서 충전실험 때와 동일하게 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치는 무부하 상태로 납축전지의 전압은 내부 커패시터 충전으로 전압이 47.2[V]까지 상승하는 현상을 보여주고 있다.

그림 9(b)는 초기방전시 전압 및 전류에 대한 확대 파형으로 방전시작과 동시에 납축전지에 충전된 전압 50.7[V]가 방전전류 흐름에 따라 순간적으로 전압이 떨어지고 있다.

그림 9. 납축전지 방전실험 결과

Fig. 9. Lead acid battery discharging test results

4.2 납축전지 충ㆍ방전실험, C-rate 0.5[C]

(1) 충전실험

C-rate 0.5[C], 충전종지전류 4[A], 충전전류 20[A] 조건으로 충전실험을 진행하여 그림 10의 실험결과를 얻었다. 납축전지의 C-rate 0.5[C] 충전실험은 “4.1 납축전지 충ㆍ방전실험, C-rate 0.25C]”에서 설정한 충전전류 10[A]에서 20[A]로 조정하여 충전상태에 대한 변화를 살펴보았다.

그림 10(a)은 납축전지의 초기 충전전압 47.2[V]에서 충전전류가 20[A] 흐르면서 전압이 상승하는 모습을 보이고 있다. 이후 약 20초 후 53.3[V]로 최대 충전전압까지 충전되는 결과를 그림 10(b)에서 보여주고 있다. 이후 정전류(CC) 충전모드에서 약 10분 동안 불안정한 전압을 볼 수 있으며 이러한 현상은 충전전류를 높여 급속 충전 시 정전류(CC) 모드의 시간 감소로 배터리 상태에 영향을 미치는 것으로 보인다.

정전압(CV) 충전모드에서는 충전종지전류 4[A]에 도달까지 약 90분 동안 진행 후 충전이 종료되면서 0[A]의 전류와 50.8[V]까지 떨어지는 전압을 확인할 수 있다. 4.1절의 충전실험 결과와 비교 시 본 실험에서는 정전류(CC) 충전모드 구간이 50% 감소 및 충전전압이 불안정한 상태로 진행되는 차이점을 보이고 있다.

그림 10. 납축전지 충전실험 결과

Fig. 10. Lead-acid battery charging test results

(2) 방전실험

설정한 방전전류 20[A]가 흐르기 시작하면서 납축전지에 충전된 50.7[V] 전압은 순간 47.7[V]로 급격하게 떨어지는 모습을 그림 11(a)에서 볼 수 있다. 이후 설정한 방전종지전압 42[V]까지 약 40분 동안 전압이 떨어지면서 방전이 종료되고 있다. 그리고 0[A]의 전류와 방전종지전압 42[V]에서 47.2[V]로 전압이 상승하였다.그림 11(b)는 방전시작과 동시에 납축전지에 충전된 전압과 전류에 대한 확대 파형을 보여주고 있다.

4.1 절의 방전실험 결과와 비교 시 방전 진행시간은 약 50% 감소하였다. 그러나 설정한 방전종지전압 42[V]에서 방전이 종료됨으로 납축전지의 과방전 보호가 이루어지고 있음을 알 수 있다.

그림 11. 납축전지 방전실험 결과

Fig. 11. Lead-acid battery discharging test results

4.3 납축전지 충ㆍ방전실험, C-rate 0.75[C]

(1) 충전실험

본 실험은 충전전류 30[A] 설정 후 충전 시작 시 최초 충전된 전압 48[V]에서 충전종지전압 53.28[V]로 급격하게 상승하고 있는 결과를 그림 12(a)에서 볼 수 있다. 이때 충전전류 30[A]는 정전류(CC) 충전모드에서 약 10[s] 동안 흐르다가 충전종지전압 53.28[V] 도달 후 전류량이 급격히 줄어드는 것을 볼 수 있다.

그리고 정전압(CV) 충전모드 15[A]에서 약 90분 동안 충전이 진행되다가 충전종지전류 4[A]까지 줄어들면서 충전이 종료되고. 이후에는 부동충전에 의해서 납축전지의 전압이 50.7[V]로 전압이 변동하고 있다.

그림 12(b)는 그림 12(a)에서 나타낸 초기충전 시 전압 및 전류에 대한 확대 파형으로 충전전류 30[A]가 정전류(CC) 충전모드에서 약 10초 동안 흐르고 있으며 이후 정전압(CV) 충전모드에서 충전종지전류 4A까지 낮아지지만, 전압은 계속해서 충전되고 있는 결과를 볼 수 있다.

그림 12. 납축전지 충전실험 결과

Fig. 12. Lead-acid battery charging test results

(2) 방전실험

앞서 실험한 C-rate 0.25, 0.5[C]의 충전실험 결과와 비교 시 정전류(CC) 충전모드 구간이 더욱 줄어들면서 정전압(CV) 충전모드 기간이 늘어나는 현상을 찾아볼 수 있다. 반면에 충전전류 10, 20, 30A로 각각 충전실험을 진행하면서 전체 충전 소요시간은 대략 80~90분 정도 비슷한 시간이 소요되었다.

그림 9(a), 11(a)의 방전실험 결과와 마찬가지로 본 실험에서도 방전전류 30[A] 설정 후 방전시험 시작과 동시에 납축전지에 충전된 초기 충전전압이 50.6[V]에서 46.4[V]로 급속하게 떨어지는 결과를 그림 13(a)에서 보여주고 있다. 이후 30[A]의 정전류(CC) 방전모드에서 설정한 방전종지전압 42[V]까지 전압이 방전되면서 종료되고 있다. 그리고 방전공회전 모드에서 0[A]의 전류와 납축전지의 전압이 50.7[V]로 전압이 상승하고 있는 결과를 볼 수 있다.

그림 13(b) 역시 그림 9(b), 11(b)의 실험결과처럼 초기방전 시 전압 및 전류에 대한 확대 파형으로 방전시작과 동시에 납축전지에 충전된 전압이 급속이 떨어지는 모습을 보여주고 있다. 따라서 4.2절의 방전실험 결과와 비교 시 방전 진행시간이 약 50% 감소 및 납축전지의 과방전 보호를 위해 설정한 방전종지전압 42[V]에서 방전이 종료된 결과를 확인할 수 있다.

그림 13. 납축전지 방전실험 결과

Fig. 13. Lead-acid battery discharging test results

4.4 납축전지 다이나믹 방전실험, C-rate 0.25[C]

그림 5에서 설명한 납축전지 다이나믹 방전특성에 대한 실험 결과를 얻기 위해 본 실험에서는 on-off 주기를 가지고 있는 방전전류 10[A]를 이용하여 그림 14의 결과를 얻었다. 그림 14(a)는 on-off 주기를 가지고 있는 방전전류 10[A](그림 14(b))에 의해 납축전지에 충전된 전압 49[V]에서 설정한 방전종지전압 42[V]까지 방전이 진행되고 있는 모습을 보여주고 있다.

그림 14. 다이나믹 0.25[C] 방전

Fig. 14. Dynamic 0.25[C] discharge

그림 14(b)에서 설정한 방전전류 10[A]의 on/off에 따라 방전전압이 그림 14(c)와 같이 변동되고 있다. 이는 방전전류 on(부하상태), 방전전류 off(무부하 상태) 상태일 때 단자전압이 개방회로가 되기 전까지 일정시간 소요 되는 현상으로 방전전류 변동에 따라 단자전압도 함께 변하고 있다. 이러한 변화는 납축전지 내부 커패시터로 인해 방전 진행 시 전류 on에서 off로 진행될 때 전압값이 일정하게 유지되지 않고, 증가하는 현상을 보인다. 또한 전류가 off에서 on으로 진행될 때는 전압이 감소하는 결과를 보인다. 전류의 on/off 반복을 통해 납축전지가 경험하는 주기적인 부하와 휴식을 모방하는 다이나믹 방전실험은 가혹한 스트레스성 시험조건을 통해 납축전지의 신뢰성과 안전성의 정도를 살펴볼 수 있다.

5. 결 론

본 논문에서는 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치 및 시험설비를 구성하여 납축전지의 충ㆍ방전에 따른 특성을 살펴보았으며 이에 관한 결과를 다음과 같이 정리할 수 있다.

C-rate 별 충ㆍ방전 시 정전류(CC)-정전압(CV) 모드에서 안정적인 정상적인 특성을 보였으며 종료 시 배터리 전압은 납축전지의 내부 커패시터 특성으로 전압이 상승하는 결과를 확인할 수 있다.

C-rate 0.5[C], 0.75[C] 실험은 납 축전지의 충ㆍ방전 시 높은 전류를 사용하여 배터리의 변화를 분석하였다.

충전 시 C-rate 증가에 따라 충전 최대전압에 급속도로 충전되며 정전류(CC) 충전모드 구간이 짧아지는 특성과 정전압(CV) 모드의 구간이 길어지는 특성을 보인다.

방전 시 C-rate 증가에 따라 정전류(CC) 방전모드에서 급속하게 전압이 떨어지며 진행모드 구간도 점점 짧아진다. 이후 방전 종료 시 내부 커패시터 특성에 따른 전압이 상승하는 특성을 보인다.

전류의 on/off 주기를 가지고 있는 다이나믹 방전실험 시 내부 커패시터로 인해 납축전지의 방전전압의 변화가 발생하고 있다.

전류의 on/off 반복을 통한 스트레스성 시험에 의해 납축전지에 신뢰성과 안전성의 정도를 살펴볼 수 있다.

납축전지의 충방전 실험결과 및 분석을 통해 성능저하 개선과 효율적인 운영방법에 지침이 될 것으로 사료된다.

Acknowledgements

이 연구는 2024년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받아 수행되었음.

이 논문은 2022년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. 2022610100010, 신재생에너지 연계 ESS 안전성 평가센터 구축)

References

C. S. Seo, J. H. Moon, J. W. Park, G. S Kim, and D. H. Kim “The Battery Management System for UPS Lead-Acid Battery,” Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, vol. 22, no. 6, pp. 127~133, 2008.

T. H. Kim. “A Study on the Device for Detecting Overcharging and Discharging of Lead-acid Batteries,” Graduate School of Mokpo University, for domestic master's degree thesis, 2010.

J. G. Han, “An Analysis of the Characteristics of Constant Current-Constant Voltage Charging Time of Lead-acid Batteries based on a Simple Predictive Model,” Graduate School of Yeungnam University, a domestic master's thesis, 2017.

M. A. Casacca and Z. M. Salameh, “Determination of Lead-acid Battery Capacity via Mathematical Modeling Techniques,” in IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 7, no. 3, pp. 442~446, Sept. 1992.

Y. J. Kim, S. H. Baek, and Y. S. Kwon, “A Study on the Parameters Extraction Method of Cylindrical Lithium-ion Battery Cell for Electric Vehicles,” Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 22, no. 10, pp. 609~618, 2021.

S. T. Kim, J. B. Lee, U. S. Kim, and C. B. Shin, “Modeling of the Dynamic Behavior of a 12-V Automotive Lead-acid Battery,” Journal of Energy Engineering, vol. 22, no. 2, pp. 175~183, 2013.

H. J. Kim, “Development of Low-Cost Lead Acid Battery Charger Using Constant Current and Constant Voltage Charging Method,” Graduate School of Gongju University, a domestic master's thesis, 2018.

저자소개

윤용호(Yong-Ho Yoon)

received the Ph.D. degree in Mechatronics Engineering from Sungkyunkwan University, Korea, in 2007. From 2007 to 2011, he was with Technical Research Institute of Samsung Thales Company, Korea, as a senior researcher. Currently, he has been with Gwangju University, where he is a professor in the School of Electrical & Electronic Engineering. His research interests are in the areas of analysis and control of SRM and BLDC motor and renewable of PV inverter.

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

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Characteristics of Lead Acid Batteries Through a Battery-Specific Bidirectional DC Power Supply

Translated Abstract

Key words

1. 서 론

2. 납축전지 특성

2.1 납축전지 구성

2.2 납축전지 충ㆍ방전 특성

(1) 충전 특성

(2) 방전 특성

(3) 다이나믹 방전 특성 그래프

3. 납축전지 충ㆍ방전 시험설비

3.1 시험설비 구성

3.2 납축전지 충ㆍ방전 실험 프로그램

4. 실험결과

4.1 납축전지 충ㆍ방전실험, C-rate 0.25[C]

(1) 충전실험

(2) 방전실험

4.2 납축전지 충ㆍ방전실험, C-rate 0.5[C]

(1) 충전실험

(2) 방전실험

4.3 납축전지 충ㆍ방전실험, C-rate 0.75[C]

(1) 충전실험

(2) 방전실험

4.4 납축전지 다이나믹 방전실험, C-rate 0.25[C]

5. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

윤용호(Yong-Ho Yoon)

Article Information (continued)

Key words

KIEEThe Transactions ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

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Characteristics of Lead Acid Batteries Through a Battery-Specific Bidirectional DC Power Supply

Translated Abstract

Key words

1. 서 론

2. 납축전지 특성

2.1 납축전지 구성

2.2 납축전지 충ㆍ방전 특성

(1) 충전 특성

(2) 방전 특성

(3) 다이나믹 방전 특성 그래프

3. 납축전지 충ㆍ방전 시험설비

3.1 시험설비 구성

3.2 납축전지 충ㆍ방전 실험 프로그램

4. 실험결과

4.1 납축전지 충ㆍ방전실험, C-rate 0.25[C]

(1) 충전실험

(2) 방전실험

4.2 납축전지 충ㆍ방전실험, C-rate 0.5[C]

(1) 충전실험

(2) 방전실험

4.3 납축전지 충ㆍ방전실험, C-rate 0.75[C]

(1) 충전실험

(2) 방전실험

4.4 납축전지 다이나믹 방전실험, C-rate 0.25[C]

5. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

윤용호(Yong-Ho Yoon)

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KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers