EV 전기자동차 배터리의 설계 및 제어 기술

 

 

 

EV  전기자동차 배터리의 설계 및 제어 기술

 

EV 용 배터리의 역사

EV 용 배터리는 납 (Pb) 배터리에 시작 니카드 (Ni-Cd) 전지, 니켈 수소 (Ni-MH) 전지, 리튬 이온 (Li-ion) 배터리로 진화했습니다.
중량 에너지 밀도로 비교하면 납 전지가 30 ~ 40Wh / kg, 니카드 전지와 니켈 수소 전지가 60 ~ 90Wh / kg 리튬 이온 배터리가 90 ~ 250Wh / kg입니다. 중량 기준으로 비교하면 리튬 이온 전지는 납 전지의 3 배에서 8 배의 에너지를 가진  전지입니다.
또한 수치에 큰 차이가 있는 것은, 전지의 외장재가 라미네이트와 캔 (SUS 나 Al), 하이브리드 자동차 용도 나 EV 용도 등 형태와 목적에 따라 에너지 밀도가 다르기 때문입니다. 리튬 이온 전지는 내부 저항이 낮고, 대전류의 충 방전을 가능하게 하기 때문에, 강력한 가속 짧은 충전 시간, 심지어는 배터리 수명을 통해 고성능 EV 용 배터리로 인정 받고 있습니다.
고성능 전지의 등장에 맞춰 고성능 EV 발표되어 왔습니다. 대표적인 차량을 소개합니다. 1991년 니카드 전지를 탑재 한 4 인승 2 도어 쿠페 'IZA'(제작 : 국립 환경 연구소, 도쿄 전력, 도쿄 R & D)이 발표되어 1 회 충전으로 270km, 최고 속도 176km / h로 당시의 세계 기록을 갱신했습니다.
2000 년에는 리튬 이온 배터리를 탑재 한 2 인승의 '하이퍼 미니'가 닛산보다 발매되어 카 쉐어링에도 이용되었습니다. 이어 2006 년에는 미쓰비시 자동차의 '아이미브' 스바루 'R1e'2010 년 닛산의 '리프'가 발매 된 리튬 이온 배터리와 급속 충전기의 조합, EV에 대한 보조금 제도도 더해져, 일반 에게도 보급되기 시작했습니다.
최고 속도 기록은 게이오 대학의 시미즈 교수들이 리튬 이온 배터리를 탑재 한 8 륜 차량의 리무진 "KAZ"가 2001 년에 311.6km / h를 달성하고, 8 륜 자동차 세단 "에리카"가 2004 년에 370.3km / h를 달성하고 있습니다.

보호 회로 (Battery Management System)

리튬 이온 배터리는 과방 전 및 과충전을 방지하기 위해 셀 전압을 모니터링하고 비정상적인 전압을 방지하는 보호 회로가 필요합니다.
Mn 계와 삼원 (NCM) 계의 리튬 이온 전지의 사용 전압 범위는 3.0V에서 4.2V로 되어 있으며, 4.2V 이상은 과충전 상태에 접근하고 5V 부근에서 전해액의 분해 → 가스화 → 내압 상승 → 팽창 온도 상승이 최악은 발화 · 폭발합니다.
그래서 상한 전압을 4.25V로 설정하고 비정상적인 전압에 도달하지 않도록 보호 회로가 필요합니다. 또한 3.0V 이하의 전압은 방전 상태에 접근하고 전압이 2V 이하에서는 전해액의 분해 → 가스화가 일어나 발화에 이르지 않지만 배터리 기능이 손실됩니다.
따라서 2.4V 부근을 하한 전압 보호 회로가 설치되어 있습니다. 이러한 전압의 한계는 양극 · 음극에 사용되는 활물질에 의해 좌우되며, 전지 메이커의 권장 임계 값에 따라 결정해야 합니다.
한편, EV는 고효율의 교류 모터를 사용하는 인버터 (모터 컨트롤러)를 통해 배터리의 직류를 교류로 변환해야 합니다. 변환 효율을 높이기 위해 직류 전압도 높은 것이 바람직합니다.
EV는 3.7V의 리튬 이온 배터리를 96 개 직렬로 연결하여 355V의 직류 전압으로 공급하고 있습니다. 배터리 보호 회로 (BMS)이 96 개의 모든 전압을 측정하고 차량 측의 컴퓨터 (VCU와 PCU)와 CAN 통신을 하고, 각 셀 전압, 전류, SOC (배터리 ) 등의 데이터 전송 DC 릴레이의 개폐 등이 요구되고 있습니다.

 

 

 

 

EV 용 배터리의 설계 포인트

배터리 역사상 리튬 이온 전지는 고성능이지만, 실제로 EV 용 설계를 진행해 나가면, ① 무게가 무거운 ② 가격이 높은, ③ 사용 온도 범위가 좁은 (지키지 않으면 수명이 짧아진다 ) 등의 문제가 있기 때문에 더욱 고성능 전지 개발도 진행되고 있습니다.

- 전지 기술자 및 EV 설계자의 커뮤니케이션이 중요
EV 설계자는 저렴한 비용으로 최대의 성능을 낼 수 있도록 리튬 이온 전지의 특성을 원하지만 기존의 내연 기관 이상의 성능을 요구하는 나머지 배터리에게 가혹한 사용 조건을 요구하는 경우가 있습니다. 전지 기술자 (또는 배터리를 판매하는 사람)은 정확한 데이터를 보여 장단점을 포함하여 의견을 교환하는 것이 중요합니다.

- 리튬 이온 배터리에서 무엇을 해결하고 싶은가?
배터리 무게의 경량화, 고전류 부하에 대응, 긴 배터리 수명 등의 요구를 모두 만족시킬 수 있으면 이상적이지만, 전지의 성능과 비용을 고려할 때 우선 순위를 결정하고 설계해야 있습니다.

- 최적의 배터리 용량
1 충전 주행 거리가 긴 것이 안심합니다만, 이용 목적에 맞는 배터리 용량으로 설계하는 것이 포인트입니다. 자주 충전 할 수 있으면, 배터리 용량은 적고, 가볍고 저렴한 비용입니다.

- 최대 전류 확인
설계 중인 EV는 차량 무게를 알 가속 시의 최대 전류 나 브레이크시의 회생 전류가 알 수 없는 경우가 있습니다. 단시간의 큰 방전 전류는 가능하지만, 회생 전류는 단시간에도 주의해야 합니다.
허용 보여도 전지는 화학 반응이며, 전극 내부에서의 불균일한 반응이 위험한 상황이 발생할 수 있습니다. 그래서 일찍 주행 시험을 실시하여 최대 전류 또는 회생 전류를 측정하고 전지 기술들과 협의해야 합니다.

- 수명 추정
EV 용 배터리의 수명은 8 년 이상, 소형 EV 경우 5 년 이상으로 설계해야 합니다. 용도에 따라서는 10 년 이상이 요구되는 경우도 있습니다. 환경 온도, 전압 범위, 레이트 특성 등을 고려하여 사이클 열화와 저장 열화를 요구 수명의 추정도 중요합니다.

- 안전한 운용과 신뢰성 향상을 위한 실증 실험
프로토 타입 차량에 의한 1 년 정도의 실증 실험을 실시해, 최대 전류 (방전 · 회생)과 전지의 온도 변화, 용량 저하, 내부 저항의 증가 등의 데이터를 검색하면 전지의 열화 예측이 밝혀집니다. 따라서 개량 부분이 명확하게 다음 시작 및 필드 테스트가 가능합니다.