울트라커패시터 셀의 충•방전 거동 모델링

Abstract

울트라커패시터는 고출력이고 반영구적으로 사용가능하며 폐기물이 거의 없어 에너지저장시스템(ESS)의 적합한 장치로 고려되고 있다. 특히 고속 충∙방전이 가능하여 출력변동성이 심한 태양광, 풍력 등과 같은 신재생에너지의 저장장치로 유용하게 사용 할 수 있다. 이렇듯 유용한 에너지 저장장치인 울트라커패시터는 충∙방전시 열이 발생하여 온도가 올라가게 되는데 과도한 온도 상승은 울트라커패시터의 사이클 수명을 감소시킨다. 따라서 울트라커패시터의 안정한 사용을 위하여 열적 특성을 이해하고 온도를 예측하는 연구가 필요하다.

본 연구에서는 2.7V/650F의 울트라커패시터를 사용하여 셀의 전기적 거동 및 열적 거동을 예측하기 위한 Simulation Program의 개발을 하였다. 울트라커패시터 셀을 이용하여 1.35 V에서 2.7 V까지 50A, 100A, 150A, 200A의 정전류로 연속적인 충∙방전을 진행하였다. 또한 lead wire의 두께가 셀 표면 온도에 미치는 영향을 알아보고자 70SQmm, 35SQmm, 15SQmm의 두께의 lead wire를 사용하여 50A 정전류로 연속적인 충∙방전을 진행하였다. 울트라커패시터 셀의 전기적 거동을 예측하기 위하여 three-branch RC circuit 모델을 적용하였다. 울트라커패시터 셀의 열적 거동을 예측하기 위하여 울트라커패시터 셀 내부에서 가역적인 열과 비가역적인 Joule열이 발생한다고 간주하였다. 그리고 모델링 계산시간을 줄이고자 셀 내부에서 발생한 열은 전도 및 대류로 외기와의 열전달이 일어난다고 가정한 0 차원 모델을 적용하여 울트라커패시터 셀의 열적 거동을 예측하였다. 모델링 결과와 실험 결과를 비교하여 모델의 정확도를 검증하였다.