E-모빌리티를 위한 슈퍼커패시터 기반 배터리팩 구현

Ⅰ. 서 론

기후 변화 및 환경오염, 친환경 전기차 개발 가속화 등의 영향으로 e-모빌리티(e-mobility)에 대한 관심이 높아지고 있다. e-모빌리티는 생활교통과 물류 배송 등을 위해 전기동력을 이용하는 개인형 이동수단이다[1]. 특히, e-모빌리티 중 초소형 전기차는 차체 크기가 작고 합리적이어서 주차 공간 활용성이 좋고, 혼잡한 도로 및 골목길 통행에 적합하다. 뿐만 아니라, 이륜차들과 달리 날씨의 영향을 받지 않고 운행가능하며 배출가스 및 소음도 크게 줄일 수 있기 때문에 주택가 생활 교통 및 배달 차량 등 친환경 도심의 이동수단으로 크게 각광받고 있다. 국내에 출시된 초소형 전기차는 대부분 1~2인승으로, 1회 충전 주행거리가 100km ~ 150km 정도이며 리튬 기반 2차 전지를 주-배터리로 사용한다[2]. 이렇듯 다양한 e-모빌리티에 대한 사회적 요구와 수요가 급증하고 있고, 고성능 e-모빌리티 실현을 위해 배터리 기술발전에 관심이 고조되고 있다.

현재 가장 널리 사용되고 있는 리튬이온 및 리튬폴리머 배터리는 체적 에너지 저장 밀도가 높고 고전압 배터리로 구현 가능하며 자가 방전량은 매우 낮은 장점이 있다. 하지만 최근에는 빈번하게 발생하는 리튬 배터리 화재 사고가 사회적 이슈가 되고 있으며, 이러한 위험성으로 인해 관련 산업이 침체되고 적용 제품에 대한 소비자 기피 현상이 나타나고 있다. 뿐만 아니라 리튬 전지는 저온 환경에서 성능 감소와 고온 환경에서 열폭주(Thermal runaway) 현상이 발생하기 때문에 열관리 기술이 매우 중요하다. 리튬 배터리의 사용 가능 온도는 섭씨 0 ~ 60도 이지만, 최적 성능을 위해서는 섭씨 15 ~ 40도 사이에서 사용해야 한다[3]. 전기차의 경우에는 외부 온도에 그대로 노출되는 상황이 많으며, 우리나라 겨울철 기온은 섭씨 0도 이하로 떨어지는 날이 빈번하므로 배터리가 제 성능을 발휘하기 위하여 저장된 에너지의 일부를 열관리에 소모해야 하는 딜레마 상황에 놓이게 된다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 최근에는 슈퍼커패시터가 차세대 배터리로 기대 받고 있다.

축전기 혹은 커패시터(Capacitor)라고 불리는 소자는 전기 에너지를 저장 할 수 있다. 커패시터는 그림 1과 같이 마주보는 두 개의 판을 전극으로 사용하는 구조이며, 두 전극 각각에 +, - 직류전압이 흐르면 두 전극에 전하가 저장된다[4]. 이때 전자가 저장되는 중에는 전류가 흐르고, 전하가 저장된 다음에는 전류가 흐르지 않는다.

Fig. 1.

Basic structure of a capacitor

슈퍼커패시터(Supercapacitor)는 정전용량(Capacitance)이 매우 큰 커패시터로서 울트라 커패시터(Ultra capacitor) 라고도 한다. 슈퍼커패시터는 표면적이 큰 활성탄을 사용하고 유전체의 거리를 짧게 하여 소형으로 패럿(F) 단위의 매우 큰 정전 용량을 얻을 수 있다[5]. 슈퍼커패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 따라서 슈퍼커패시터는 높은 충⋅방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명을 가지며 열폭주 현상이 없고 외부 온도 특성이 우수하다[6][7]. 이러한 슈퍼커패시터를 이용하면 슈퍼커패시터 기반의 배터리를 만들 수 있으며, 슈퍼커패시터 기반 배터리는 리튬 전지가 가지는 문제점들을 대부분 해결할 수 있게 된다. 하지만 슈퍼커패시터가 큰 용량의 배터리팩으로 개발되어 e-모빌리티의 주-배터리로 사용된 사례는 극히 드물다. 슈퍼커패시터가 차세대 배터리로서 자리매김하기 위해서는 실증 사례를 통한 인식개선이 무엇보다 시급하다고 사료되며, 이에 본 논문은 최고정격출력이 15kW 이하 급 e-모빌리티인 초소형 전기차를 위한 슈퍼커패시터 기반의 배터리팩을 구현하고 특성을 실험한다. 본 논문에서 개발한 배터리팩을 운영하기 위해 슈퍼커패시터 배터리를 위한 급속충전기 및 완속충전기(OBC, On Board Charger)를 함께 개발하였으며 이들을 통해 슈퍼커패시터 배터리를 초소형 전기차에 적용 가능성을 실험하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 제 2장은 본 논문에서 제안하고 구현하는 슈퍼커패시터 배터리 구조 및 충전기 구조에 대해 설명한다. 제 3장은 구현된 슈퍼커패시터 배터리의 특성에 대해 실험하고 그 결과를 제시한다. 제 4장은 결론에 대해 기술하고 본 연구가 갖는 한계점 및 향후 연구에 대하여 기술한다.

Ⅱ. 슈퍼커패시터 배터리 시스템

본 장에서는 제안하는 슈퍼커패시터 기반의 배터리 구조, 완속충전기 구조, 급속충전기 구조에 대해 설명한다.

2.1 슈퍼커패시터 배터리

본 논문에서 사용하는 슈퍼커패시터는 Gonghe Electronics Co., Ltd.에서 제조되고 있는 그래핀(Graphene) 슈퍼커패시터이며 모델명은 Super Capacitors 4.2V4000F이다. 따라서 본 논문의 슈퍼커패시터 셀(Cell) 하나는 4.2V, 4,000F, 약 3Ah의 용량을 가진다. 초소형 전기차를 운행하기 위해서는 최소 5kWh 이상의 배터리팩이 요구되며 80V 이상의 출력전압이 필요하다. 이를 위해 본 논문에서는 그림 2와 같이 10S10P(S: series, P: parallel) 토폴로지(Topology)를 가지는 슈퍼커패시터 모듈을 개발하고, 다시 이 모듈 그림 3과 같이 2S2P로 연결하여 약 80V, 60Ah, 5kWh의 배터리팩을 구현한다.

Fig. 2.

Topology of a supercapacitor battery module

Fig. 3.

Topology of a supercapacitor battery pack

배터리팩을 단위모듈로 분할하여 개발하게 되면 배터리팩의 체적이 증가하는 단점이 있지만, 배터리팩 PCB(Printed Circuit Board) 및 BMS의 설계 복잡도가 낮아지고 배터리 용량 확장이 수월해지는 장점이 있다. 또한 완충상태의 실험실 수준 배터리는 전기안전사고에 유념하여 매우 주의해서 다루어야 하는데, 모듈단위 설계방식은 이러한 사고 위험을 완화시켜준다. 따라서 본 논문은 설계의 복잡도와 실험실 안전사고를 고려하여 10S10P 배터리 모듈을 우선 제작한 후 배터리팩을 만들었다.

본 논문의 슈퍼커패시터는 에너지용(대용량)이기 때문에 정격전압을 초과하는 전압을 인가한다고 해서 소형 커패시터와 같이 순식간에 정격전압 이상으로 내압이 도달하여 절연층 파괴 및 캡(Cap) 폭발을 초래하지는 않는다. 따라서 충전방식에 따라 커패시터의 정격전압보다 높은 전압으로 충전하는 것도 가능하며, 이 경우 충전중인 커패시터 전압이 정격전압을 초과하지 않도록 BMS의 관리가 필요하다. 본 논문의 BMS는 10S10P 배터리모듈 마다 하나씩 장착되어 병렬로 연결된 10개 커패시터를 하나의 셀처럼 관리하며, 결과적으로 BMS 하나는 4.2V 40kF 슈퍼커패시터 셀 10개를 관리하는 것과 같다. 본 논문에서는 급속충전을 요구하지 않는 완속충전방식에서 BMS를 사용하므로, BMS의 셀 관리 방식은 패시브 밸런싱(Passive balancing) 방식을 사용하여 회로의 복잡도를 낮추었다[8].

슈퍼커패시터와 관련된 최근 연구 중에는 슈퍼커패시터와 기존 배터리를 접목한 하이브리드(Hybrid) 배터리에 대한 연구들이 발표되고 있다. 이는 리튬 기반 배터리들의 높은 에너지 밀도와 슈퍼커패시터의 높은 충·방전 성능을 접목하여 이상적인 배터리를 구현하려는 시도이다. 하지만 이러한 하이브리드 형태의 배터리는 리튬배터리의 열폭주, 짧은 수명, 혹한에서 성능 저하 등의 문제는 해결할 수 없으며, 두 종류의 배터리를 모두 사용함으로 인한 체적과 무게 증가로 에너지 밀도가 낮아진다. 본 논문은 하이브리드 배터리가 아닌 슈퍼커패시터만을 사용하여 대용량 배터리를 구현한 점이 기존 연구들과 차이를 보인다[9]-[11].

2.2 완속충전기

완속충전기는 전기차와 같은 e-모빌리티에 내장된 충전기로서, 가정용 단상 220 VAC RMS를 입력받아 배터리를 충전하는 장치이다[12]. 50kWh 이상 전기차의 경우는 급속충전기와 완속충전기를 모두 사용할 수 있게 개발되지만, 소형 e-모빌리티 중에는 초소형 전기차 및 전동킥보드 등과 같이 급속충전기를 사용하지 못하는 모빌리티들이 대부분이다. 이러한 모빌리티들은 자신의 배터리에 최적화 된 완속충전기 만으로 배터리를 충전한다. 완속충전기의 충전용량은 모빌리티가 가진 배터리용량에 따라 달라지며 상용 전기차의 경우 1.92kW ~ 11.5kW 수준의 충전 용량을 가진 완속충전기를 사용한다[13].

본 논문에서는 5kWh 용량의 80 VDC 출력을 가진 배터리를 충전하기 위해 그림 4와 같은 구조의 약 20 VDC, 12A 출력을 가진 전원 공급기 모듈을 개발하였으며, 이 모듈 4개를 직렬 연결하여 약 80 VDC, 12A, 1kW 출력을 가진 완속충전기를 개발하였다. 역률(Power factor) 및 체적을 고려한다면 80 VDC, 12A 출력의 단일 전력 모듈로 설계하는 것이 효율적이지만 스위칭 FET의 발열문제 및 PWM 제어 측면에서 설계 복잡도가 증가한다. 이러한 점을 고려하여 본 논문에서는 약 20 VDC, 12A 출력의 파워 모듈 4개로 분할하는 방법으로 완속충전기를 구현하였다.

Fig. 4.

Block diagram of the on board charger

하지만 향후 연구에서는 발열 및 트랜스포머 스위칭 문제에 대해 연구하여 단일 모듈의 완속충전기를 구현할 계획이다.

슈퍼커패시터는 기존 리튬 배터리들과 달리 전압과 충전용량 관계가 선형적인 특성을 가진다[14]-[16]. 따라서 본 논문에서는 슈퍼커패시터 충전용량을 전압 측정으로 대신하였다. 개발된 완속충전기는 배터리팩의 BMS를 통해 슈퍼커패시터 20S20P 전체를 충전하며 BMS로부터 응답받은 배터리팩 전압이 약 80 VDC에 이르면 충전을 멈춘다.

2.3 급속충전기

급속충전기의 충전모드는 전류모드 충전(CC, Charging Current)과 전압모드 충전(CV, Charging Voltage)으로 구분된다. CC 모드에서는 충전시간 단축을 위해 매우 높은 정전류를 공급하여 충전하며, CC 모드를 거친 셀들은 충전기와 전압차가 좁혀지면서 전류가 감소하고 충전 속도가 느려진다. 이때 충전기는 CV 모드로 돌입하여 충전기의 충전 전압은 고정하고 출력을 유동적으로 스위칭하며 전류가 하한선에 가까워지면 충전을 완료한다[17][18].

전압과 전류가 높은 수준을 유지하면서 배터리팩을 충전하는 것은 충전기 및 배터리팩 모두에게 심각한 손상을 입힐 수 있는 위험이 있다. 따라서 본 논문에서는 CC 및 CV 모드 전압 수준을 낮게 유지하면서 고속충전을 구현하기 위해 셀 단위 충전 방식으로 급속 충전기를 설계하였다. 따라서 20S20P 토폴로지의 배터리팩을 급속 충전하기 위해 본 논문은 그림 5와 같이 20P 각각마다 하나씩의 급속충전기 모듈을 할당하며, 배터리팩에는 20P 각각에 급속 충전 채널이 마련되어 있다.

Fig. 5.

Block diagram of fast chargers

Ⅲ. 구현 및 실험 결과

본 장에서는 앞장에서 설명했던 슈퍼커패시터 배터리팩, 완속충전기, 급속충전기의 구현 결과와 성능실험 결과를 제시한다.

3.1 슈퍼커패시터 배터리

그림 6 ~ 8은 2.1절에서 설명했던 배터리팩의 구현 사진이다. 각각의 모듈은 슈퍼커패시터 10S10P로 구성되어 있고, 4개의 모듈을 2S2P로 구성하여 슈퍼커패시터 셀 20S20P로 구성된 배터리팩을 구현하였다. 구현한 슈퍼커패시터 배터리의 특성은 표 1과 같다.

Fig. 6.

Cells of supercapacitor

Fig. 7.

Modules of supercapacitor

Fig. 8.

Supercapacitor battery pack

Table 1.

Parameters of supercapacitor battery pack

3.2 완속충전기

20V, 12A 전원공급기 모듈 4개를 직렬 연결하여 그림 9와 같이 80V, 12A, 약 1kW 출력의 완속충전기를 구현하였다. 구현된 완속충전기는 20S20P 배터리팩을 연결하여 그림 10과 같이 출력 실험을 실시하였다.

Fig. 9.

Power supplier modules for an OBC

Fig. 10.

Experimental environment for the OBC

완속충전기의 입력부는 휴대용 멀티미터기로 입력 전압을 측정하고, 탁상형 멀티미터로 입력 전류를 측정하였다. 완속충전기의 출력부는 오실로스코프로 출력전압의 파형을 측정하였고 휴대용 멀티미터로 출력 전류를 측정하였다. 그림 11은 완속충전기의 입력전력을 측정한 결과이며 그림 12는 출력부를 측정한 결과이다.

Fig. 11.

Experimental result for input of the OBC

Fig. 12.

Experimental result for output of the OBC

측정 결과는 표 2와 같이, 입력부는 8.1A(AC), 217.17V(AC)로 측정되었으며, 전력은 1759.077W로 산정되었다. 출력부는 19.15A(DC), 80.6V(DV)로 측정되었으며, 전력은 1,543.49W로 산정되었다. 따라서 구현된 완속충전기의 입력전력은 1759.077W이고, 출력전력은 1,543.49W이며, 충전효율은 88.768%임을 알 수 있다. 완속충전기를 통해 슈퍼커패시터 배터리를 충전하는데 소비된 시간은 약 5시간 30분이다.

Table 2.

Experimental results of the OBC input/output.

3.3 급속충전기

급속충전기는 20개의 충전 모듈을 배터리팩의 20개 급속충전 채널에 각각 연결하여 실험하여야 하지만, 실험환경과 실험결과의 간소화를 위해 그림 13과 같이 1S20P로 구성된 실험용 배터리팩으로 실험을 진행하였다. 급속 충전기 출력 전류는 휴대용 전류측정기를 이용하여 측정하였고, 출력 전압은 탁상용 멀티미터로 측정하였다.

Fig. 13.

Experimental environment for the fast charger

급속충전기의 출력 전류는 배터리 충전모드가 CC모드이고 출력이 안정화 된 후 출력하였으며 그 결과는 그림 14와 같이 약 196A(DC)로 측정되었다. 출력 전압은 CV 모드에서 배터리팩 충전이 거의 완료된 시점에서 측정하였으며 결과는 약 4.2V(DC)로 측정되어 약 826W 출력을 보였다. 개발한 급속충전기가 1S20P 슈퍼커패시터 배터리를 완충 하는데 소비된 시간은 약 19분 30초이다.

Fig. 14.

Output voltage and current of the fast charger

표 3은 구현한 급속충전기의 충전 실험 결과표이다.

Table 3.

Experimental results of the fast charger input/output

Ⅴ. 결론 및 향후 과제

본 논문은 e-모빌리티의 배터리 문제를 해결하기 위하여 슈퍼커패시터를 이용한 배터리팩과 충전시스템을 구현하고 실험하였다. 초소형 전기차에 사용가능한 배터리팩 개발을 목표로 약 5kWh의 슈퍼커패시터 기반 배터리팩 프로토타입(Prototype)을 개발하였고, 이를 충전할 수 있는 완속충전기와 급속충전기를 함께 개발하였다.

본 논문에서 개발했던 슈퍼커패시터 기반 배터리팩과 실험 내용을 통해 슈퍼커패시터가 리튬전지를 대신 할 수 있는 차세대 배터리 소재로서 가능성을 보였으며 본 논문에서 도출된 결론들이 더욱 안전하고 친환경적인 배터리 개발에 기여하기를 기대한다. 본 연구는 실제 차량에 탑재하고 운행이 가능한 수준의 배터리와 충전기 개발을 위하여 실험실 수준의 충·방전 시험, 패키징(Packaging), 발열제어, 외부 충격 내성 실험 등을 계속할 계획이며, 나아가 실제 차량의 탑재를 통한 실증을 진행할 계획이다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 '국가혁신융복합단지지원 지역혁신클러스터육성(R&D)' 사업의 연구비지원(P0015321)으로 수행된 연구결과입니다.

References

• A. Adib et al., "E-Mobility — Advancements and Challenges", in IEEE Access, Vol. 7, pp. 165226-165240, Nov. 2019. [https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2953021]
• S. Pack and Y. Choi, "Seamless QoS Handling Mechanism for Macro and Micro Mobility", International Conference on Information Networking (ICOIN), Cheju Island, Korea, Vol. 1, pp. 62-73, Jan. 2002. [https://doi.org/10.1007/3-540-45801-8_7]
• X. Wei and B. Zhu, "The research of vehicle power Li-ion battery pack balancing method", 2009 9th International Conference on Electronic Measurement & Instruments, Beijing, China, pp. 2-498-2-502, Aug. 2009. [https://doi.org/10.1109/ICEMI.2009.5274520]
• S. Westerlund and L. Ekstam, "Capacitor theory", in IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 1, No. 5, pp. 826-839, Oct. 1994. [https://doi.org/10.1109/94.326654]
• A. Rufer and P. Barrade, "A supercapacitor-based energy-storage system for elevators with soft commutated interface", in IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 38, No. 5, pp. 1151-1159, Sept.-Oct. 2002. [https://doi.org/10.1109/TIA.2002.803021]
• D. Linzen, S. Buller, E. Karden, and R. W. De Doncker, "Analysis and evaluation of charge-balancing circuits on performance, reliability, and lifetime of supercapacitor systems", in IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41, No. 5, pp. 1135-1141, Sept.-Oct. 2005. [https://doi.org/10.1109/TIA.2005.853375]
• H. Gualous, H. Louahlia-Gualous, R. Gallay, and A. Miraoui, "Supercapacitor Thermal Modeling and Characterization in Transient State for Industrial Applications", in IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 45, No. 3, pp. 1035-1044, May-june 2009. [https://doi.org/10.1109/TIA.2009.2018879]
• K. Ismail, A. Nugroho, and S. Kaleg, "Passive balancing battery management system using MOSFET internal resistance as balancing resistor", 2017 International Conference on Sustainable Energy Engineering and Application (ICSEEA), Jakarta Indonesia, pp. 151-155, Oct. 2017.
• J. Shi, B. Xu, Y. Shen, and J. Wu, "Energy management strategy for battery/supercapacitor hybrid electric city bus based on driving pattern recognition", Energy, Vol. 243, No. 4, 1222752, Nov. 2021. [https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.122752]
• X. Wu, S. Li, S. Gan, and C. Hou, "An Adaptive Energy Optimization Method of Hybrid Battery-Supercapacitor Storage System for Uncertain Demand", Energies, Vol. 15, No. 5, 1765, Feb. 2022. [https://doi.org/10.3390/en15051765]
• M. Z. Iqbal and U. Aziz, "Supercapattery: Merging of battery-supercapacitor electrodes for hybrid energy storage devices", Journal of Energy Storage, Vol. 46, 103823, Feb. 2022. [https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103823]
• S. Kim and F. S. Kang, "Hybrid battery charging system combining OBC with LDC for electric vehicles", 2014 International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 - ECCE ASIA), Hiroshima, Japan, pp. 2260-2265, May 2014. [https://doi.org/10.1109/IPEC.2014.6869904]
• S. Li, S. Lu, and C. C. Mi, "Revolution of Electric Vehicle Charging Technologies Accelerated by Wide Bandgap Devices", in Proceedings of the IEEE, Vol. 109, No. 6, pp. 985-1003, Jun. 2021. [https://doi.org/10.1109/JPROC.2021.3071977]
• H. Yang, "Effects of Supercapacitor Physics on Its Charge Capacity", in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 34, No. 1, pp. 646-658, Jan. 2019. [https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2812882]
• F. Rafik, H. Gualous, R. Gallay, A. Crausaz, and A. Berthon, "Frequency, thermal and voltage supercapacitor characterization and modeling", Journal of Power Sources, Vol. 165, No. 2, pp. 928-934, Mar. 2007. [https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.12.021]
• A. Szewczyk, J. Sikula, V. Sedlakova, J. Majzner, P. Sedlak, and T. Kuparowitz, "Voltage Dependence of Supercapacitor Capacitance", Metrolog and Measurement Systems, Vol. 23, No. 3, pp. 403-411, Jul. 2016. [https://doi.org/10.1515/mms-2016-0031]
• S. O. Yong and N. A. Rahim, "Development of on-off duty cycle control with zero computational algorithm for CC-CV Li ion battery charger", 2013 IEEE Conference on Clean Energy and Technology (CEAT), Langkawi, Malaysia, pp. 422-426, Nov. 2013. [https://doi.org/10.1109/CEAT.2013.6775668]
• L. Dung, C. Chen, and H. Yuan, "A robust, intelligent CC-CV fast charger for aging lithium batteries", 2016 IEEE 25th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), Santa Clara, CA, USA, pp. 268-273, Jun. 2016. [https://doi.org/10.1109/ISIE.2016.7744901]