Golf Car의 동력개선 연구

이 학 우, 김 준 범

울산대학교 화학공학과

Study on the improvement of golf car motive power

Hakwoo Lee, Junbom Kim

Department of Chemical Engineering, University of Ulsan

서론

자동차 산업이 지속적으로 성장함에 따라 배기가스에 의한 심각한 대기 환경오염을 유발하게 되어 미국 캘리포니아주의 대기환경청(California air resource board)에서는 자동차 배기가스에 대한 규제 방안을 수립하게 되었다. 이에 따라  오염을 막을 수 있는 무공해 자동차(zero emission vehicle)의 필요성이 절실하게 되어 내연기관 자동차에 견줄 수 있는 전기 자동차 개발에 대한 관심이 한층 더 높아지고 있다.

Battery powered application으로써 utility car는 다용도로 쓸 수 있으므로 그 사용 가능 분야가 광범위하고 시장 규모도 급성장하고 있는 추세이다.  소비자에게 신뢰를 줄 수 있는 성능면에서 볼 때 앞서 기술이 개발된 외국제품에 비하여 국산 golf car의 성능이 열세에 있다는 것이 시장 점유율이 떨어지는 주요한 원인이 되고 있다.  따라서, 본 연구의 목적은 국산 golf car의 동력원으로 사용되며 그 성능에 있어서 중요한 부분을 차지하고 있는 lead-acid battery의 성능 향상에 주안점을 두고 개선점을 찾기 위한 연구를 수행하였다.

실험

Golf car는 deep cycle용 6V, 220Ah battery 6개를 직렬 연결하여 동력원으로 사용하고 있다.  그림 1과 같이 성능실험 data를 자동으로 저장할 수 있는 36V 충방전 system을 갖추어 국내 2개사와 외국 1개사의 sample battery로 실제 조건에서 발생할 수 있는 문제를 검토하기 위한 충·방전 실험을 수행하였다.  그리고 그림 2와 같이 12V 충방전 system을 갖추어 battery 성능에 영향을 미치는 여러 인자들 중에서 비중에 대한 실험을 수행하였다.

연구 결과 및 고찰

충·방전 용량의 변화 ; Sample battery A, B, C 에 대하여 충·방전 cycle을 92회 까지 실행하여 cycle 횟수에 따른 방전 용량의 변화를 그림 3에 나타내었다. Sample A의 경우 cycle 횟수가 증가함에 따라 방전용량이 증가하는 특징을 보이지만, B와 C의 경우는 오히려 감소하는 경향을 보였다.  92 cycle에 이어서 sample B, C 에 대하여 130 cycle 까지 충·방전 실험을 수행하여 두 battery의 성능을 비교하였다. 각 sample battery의 충·방전 용량에 대하여 Table 1에 나타내었다.  Sample B의 경우, 충·방전 용량의 분포가 비교적 고르게 나타나서 그 성능이 일정하게 유지된다는 것을 알 수 있는 반면, sample C 의 경우 편차가 다소 심하게 나타났다. 방전 용량도  전체적으로 sample B가 C 보다 성능이 우수함을 알 수 있다.

그림 . 36V 충방전 실험 system

방전용량에 대한 온도의 영향 ; Battery가 방전될 때의 온도는 service life, capacity와 voltage characteristics등에 지대한 영향을 미친다. 그림 4를 보면, sample B의 경우 95 cycle 부근에서 온도가 16℃ 이하로 떨어지면서 충전 용량과 방전 용량이 각각 평균 33%, 38% 감소한 것 으로 나타났으며, sample C의 경우에는 각각 39%, 43% 감소한 것으로 나타났다. 외부 온도의 변화에 대한 방전 용량의 변화를 그림 5에 나타내었으며 전형적으로 온도 감소에 따른 성능저하의 경향을 보이고 있다.  낮은 온도에서는 황산 용액의 전도도가 떨어지게 되고 battery의 내부저항이 증가하므로 온도가 내려감에 따라 방전 용량이 감소하는 것으로 해석할 수 있다.   온도가 낮아 질수록 방전 용량 곡선의 기울기가 커지는 것을 볼 수 있다.  온도 저하에 따른 용량 감소율을 비교해 보면, sample B, C에 대하여 온도 변화와 평균 방전 용량의 비로 나타내었을 때, 각각 1.687 Ah/℃와 2.107 Ah/℃의 감소율을 나타내었다.  이 결과로부터 실제로 sample B를 동력원으로 사용하였을 때 온도 변화에 덜 민감하므로 sample C를 사용했을 때 보다 안정된 성능을 발휘할 수 있다는 결론을 얻을 수 있다.

그림 . 12V 충방전 실험 system

Battery별 에너지 효율 ;  그림 6에 나타낸 92 cycle 까지의 충방전 용량 data를 살펴보면 sample A의 경우 평균 90%의 에너지 효율을 보였으며 sample B는 평균 87%의 에너지 효율을 보였고 sample C는 평균 에너지 효율이 86%를 보였다.  평균 방전 용량을 비교하여 볼 때 sample A가 sample C에 비하여 41% 가량 용량이 많은 것을 확인하였고, sample A가 에너지 효율 면에서도 가장 우수하였다. 92 cycle 이후 sample B는 평균 81.8%의 효율을 보였고, sample C는 평균 81.9%의 효율을 보여 92cycle 이전과 비교하여 두 battery의 효율이 약 5% 낮아졌으며 이는 온도강하에 따른 영향으로 해석할 수 있다.

전해액 비중 ; Sample C를 사용하여 전해액 비중을 달리 하였을 때 성능의 변화를 실험하였다.  그림 7은 전해액 비중을 1.330, 1.265, 1.160으로 달리하였을 때 각각의 경우에서 전압과 전류의 변화를 보이고 있다.  방전용량은 전해액 비중이 1.330 일 때  93.66 Ah, 1.265 일 때 91.20 Ah, 1.160 일 때 87.02 Ah 로 나타나 전해액의 농도가 짙을수록 방전용량이 커지는 것을 확인할 수 있었다. 황산용액은 battery 성능과 수명에 영향을 미치며 고유저항은 비중이 1.200∼1.300인 농도에서 가장 작은 값을 가진다. 온난한 기후에서 사용되어지는 전해액 농도는 비중이 1.26∼1.28이며, 본 실험에서는 sample battery의 전해액 비중을 1.28로 하였다.

자가 방전 ; 황산용액속에서 lead와 lead dioxide가 불안정하므로 전해액과 반응하여 양극과 음극에서 각각 산소와 수소를 발생시키면서 자가 방전이 생기게 된다.  그리고 이 반응으로 대개 0.2%/day의 용량손실이 생긴다.  그림 8에서 sample battery B, C의 자가 방전을 시간에 따른 용량손실로 나타내었으며, 반응이 진행될수록 반응 속도가 느려짐을 볼 수 있다.  Sample B, C에서 각각 0.086%/day 와 0.114%/day 의 자가 방전율을 보였다.

참고문헌

1.  David Linden, “Handbook of batteries”, McGraw-Hill, Inc. (1995).

2.  T. R. Crompton,“Battery Reference Book”, Butterworth & Co. Ltd, (1990).

3. Clive D. S. Tuck,“Modern Battery Technology”, Ellis Horwood Ltd, (1991).

4. George Wood Vinal,“Storage Batteries”, John Wiley & Sons, Inc. (1955).

5. H. A. Kiehne, Dr. D. Berndt and Dr. W. Fischer,“Batteries”, expert Verlag     (1989).

6. Robert W. Graham,“Rechargeable Batteries” Noyes Data Coperation, (1980).

7. H. A. Kiehne,“Battery Technology Handbook”, Marcel Dekker Inc. (1989).

Table 1. 충방전 용량 data 분석

Charge capacity	Sample A	Sample B	Sample C
Max.	171	161	133
Mean	149.49474	125.73626	111.04598
Std. Dev.	11.91001	9.80117	12.97754
말기 용량 (#87)	152	118	82
Discharge capacity
Max.	148	118	117
Mean	134.23404	109.08602	95.17241
Std. Dev.	9.83239	5.12805	10.68710
말기 용량 (#87)	144	108	89

Discharge Capacity	Sample B		Sample C
	# 1 ∼ # 97	# 98 ∼ # 130	# 1 ∼ # 92	# 93 ∼ # 130
Mean	110.302	68.339	96.456	55.005
Std. Dev.	5.117	7.547	10.183	8.476
Max.	118.947	86.629	118.618	76.452
Min.	96.442	50.632	73.281	41.433
말기 용량 (cycle no.)	105.679 (97)	71.680 (129)	90.278 (92)	54.535 (129)
Charge Capacity
Mean	125.449	83.494	110.747	67.192
Std. Dev.	9.902	4.912	13.204	9.885
Max.	161.000	90.737	133.000	97.155
Min.	95.000	71.970	77.000	50.957
말기 용량 (cycle no.)	116.039 (97)	90.737 (129)	84.740 (92)	66.158 (129)

그림  4.  130  cycle  까지의  온도와            sample  B, C 방전용량 변화

그림 6. 충전용량에대한 방전용량

그림 8. Sample B, C의 자가방전

그림 3. Cycle 횟수에 따른 방전 용량          변화

그림 5. 온도변화에 따른 평균 방전           용량의 변화

그림 7. 전해액의 비중에 따른 방전            전류의 변화