[효율적인 전기 사용을 위한 에너지 저장 기술 ②] 리튬이온전지를 중심으로 이차전지 기술의 흐름

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[효율적인 전기 사용을 위한 에너지 저장 기술 ②] 리튬이온전지를 중심으로 이차전지 기술의 흐름

2011년 11월 4일 (금) 12:15:42 | 지면 발행 ( 2011년 10월호 - 전체 보기 )

1990년대에 상용화된 리튬이온전지는, 특히 소형 전지가 휴대전화, 카메라 등과 같은 전자 기기에 폭넓게 이용된다. 최근 들어 대형 리튬이온전지의 개발도 활발해져 ▲높은 에너지 밀도 ▲높은 셀 전압 ▲급속 충전 가능 ▲안정된 수명 성능 ▲메모리 효과가 없는 이점을 바탕으로 전기자동차, 산업용 등에서 많이 실용화되는 추세며, 기존 산업용 전지와 비교해도 유망한 저장 매체다.
이러한 리튬이온전지를 중심으로 최근 각광 받는 이차전지의 기술 동향을 살펴보고, 부하 변동이 큰 철도에 리튬이온전지를 이용해 전력 안정화를 꾀한 일본의 사례도 함께 알아본다.

이차전지의 기술 동향

무선 정보 기기의 전원｜휴대전화, 노트형 컴퓨터(PC) 등 유비쿼터스 사회 구현에 이바지하는 무선정보 기기의 전원으로 이차전지, 특히 리튬이온전지가 큰 역할을 한다. 이는 전지 본체의 성능(용량[Ah, Wh], 출력[W], 수명[사이클, 년]) 향상과 동시에 저비용[가격/Wh], 안전성 · 신뢰성 향상을 추진해 온 결과다. 이러한 용도의 단單셀 용량은 10Wh 이하로, 단 전지 또는 집합 전지(10개 정도)로 사용돼 기존 니켈카드뮴전지나 니켈수소전지를 대신하며 시장을 넓혀 왔다.
최대 이유는 '경량'과 '소형'에 있다. 지표가 되는 에너지 밀도는 기기의 다기능화에 동반되는 소비전력의 증가와 함께 향상돼 최근 단 셀 베이스에서 250Wh/㎏, 700Wh/ℓ가 넘는 높은 에너지 밀도를 달성했다. 또한 니켈계 전지의 단점인 메모리 효과(완전히 방전시키지 않은 상태에서 충전이 잦으면 용량이 감소)가 없다는 점, 자기 방전량이 적다는 점(10%/월 이하)도 큰 장점이다. 전지의 사용 조건은 사용 기기나 사용자에 따라 다르지만, 수 회/주의 빈도로 거의 100% 충전되며 5~10시간율(시간율 : 100% 충전에서 완전 방전까지 충방전 속도를 시간으로 나타낸 것)로 60~90%의 심深방전(방전심도 DOD : 100% 충전에서 완전 방전까지 용량[Ah]을 100%로 했을 때 방전하는 비율을 백분율로 표시한 것)을 반복하는, 즉 사이클 서비스용이 많다.

전기자동차 전원｜온실가스 배출량 감축 대책으로 이동체용의 연비를 크게 향상시킨 하이브리드차(HEV), 화석연료를 줄이거나 아예 사용하지 않는 전기자동차(BEV)나 플러그인하이브리드차(PHEV)에 이차전지를 적용하려는 움직임이 늘고 있다.
① HEV : 프리우스(도요타자동차㈜)로 대표되는 HEV 차량에 니켈수소전지를 현재 이용 중이다.
1999년 당초에 탑재한 전지는 원통형이었으나 개량을 거쳐 각형이 됐으며, 소형화 · 고출력화가 이뤄졌다. 단 셀 베이스에서 10Wh급(6.5Ah×1.2V : 파나소닉EV에너지㈜) 용량이며, 금속 케이스의 일체화 모듈 베이스에서 41Wh/㎏, 92Wh/ℓ의 에너지 밀도, 1200W/㎏의 출력 밀도를 달성했다. 또한, 직렬 적층수를 늘림으로써 고전압화 · 저전류화를 실현했다. 그리하여 전지 팩(집합 전지)에서 기존 202V를 500V로 승압해 통전 케이블의 세선화細線化, 단자 접속부의 단소화短小化를 이뤘다. HEV 탑재용 전지의 사용 조건으로 감속이나 내리막에서 회생 에너지를 흡수(충전)하고 발진과 가속 시 어시스트Assist(충전)해야 하기에, 거의 50%의 충전 상태(충전 상태 SOC : 완전 방전 상태를 0%, 풀Full 충전 상태를 100%로 했을 때 전지에 충전되는 비율을 백분율로 표시한 것)로 대기하며, 필요에 따라 짧은 주기(수 초)로 충전-방전을 반복한다. 탑재 전지 용량에 따라 다르긴 하나, 프리우스 등 실제 차량 베이스에서 충방전 심도는 수%이며, 최대 0.05~0.1시간율의 높은 입출력을 요구한다. 니켈수소전지는 이론(전지 반응에서 산출되는 전기 화학당량×기전력/전지 반응에 관여하는 활물질량)상 리튬이온전지에 비해 높은 에너지 밀도를 기대하긴 어려우나, KOH 등 알칼리 수용액을 전해액으로 이용하기에 원리적으로 전지 내부 저항이 적고 입출력 특성이 우수하다는 것이 채용 이유의 하나다. 리튬이온전지는 최근 입출력 특성이 향상되면서 HEV에도 적용을 검토 중이다.
② BEV : 고성능 리튬이온전지를 탑재해 실용화가 한창인 경 · 소형 자동차 시장에 투입된 BEV용 전지의 단 셀 용량은 병렬 접속 유무에 따라 크게 다르다. 병렬 접속이 아닌 경우 출력 전압에서 환산해 100Wh급 이상의 용량이 필요하나, 노트형 PC에 이용하는 수Wh급 셀을 6천 개 이상 병 · 직렬로 접속해 전지 팩으로 만들어 탑재한 예(53㎾h)도 있다. 전지 사용 조건은 1회 충전 주행 시간으로 산정해 정보 기기 용도로 사용하는 소형 전지에 가깝게 3~10시간율의 사이클 서비스용이 된다. 차이점이라면 ▲HEV와 같이 간헐적으로 회생 충전이 들어오고 ▲편리성을 고려해 30분 이내의 급속 충전을 요구하며 ▲한층 가혹한 환경 조건(주위 온도, 진동 등)이라는 점이다.
③ PHEV : PHEV 탑재 전지에서도 높은 에너지밀도와 높은 입출력 밀도를 요구함에 따라 리튬이온전지의 채용을 검토 중이다. 단 셀 용량은 운전조건을 생각했을 때 BEV와 HEV 용도 중간에 위치하며, 병렬 접속이 아닌 경우 수십 Wh급이다.
EV 주행 환산 거리에 따라 탑재 전지 용량은 다르다. 발표된 자료에 따르면 프리우스는 약 24㎞, 쉐보레 볼트는 약 62㎞, BYDF3DM은 약 96㎞다.
EV 주행 환산 거리가 짧고 탑재 전지 용량이 작을수록 입출력 점에서 운전 조건이 훨씬 까다롭다. 거의 100% 충전 상태에서 1~3시간율로 50~30%충전 상태까지 BEV 사용 조건에서 방전되며, 그 방전 상태에서 HEV 사용 조건으로 운전되는 것을 상정한다. 리튬이온전지의 입출력 특성은 충전 상태에 따라 다르며 저충전 상태에서 출력 특성이 저하하기에 이 점 역시 전지에 있어 까다로운 운전이 된다.

신재생에너지 발전｜풍력, 태양광 등 신재생에너지발전의 출력 평활화 · 안정화(계통 연계 원활화) 용도에도 이차전지 응용이 기대된다. 지금까지 대규모 실증 단계에서 ▲도마마에[苫前] 윈빌라발전소(출력 30.6㎿의 윈드 팜(WF) : 전원개발㈜)에 설치한 6㎿h(4000㎾ 이하 운전 시) 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery) ▲후타마타[二又] 풍력개발발전소(51㎿의 WF : 일본풍력개발㈜)의 34㎿(×7.2h 용량) 나트륨유황전지 ▲(독)신에너지 · 산업기술종합개발기구(NEDO) 주도로 왓카나이[稚內]의 5㎿ 메가솔라에 설치한 1.5㎿ 나트륨유황전지 등의 예가 있다. 또한, 주택에 집중 배치된 태양광 발전은 축전 시스템을 함께 설치해 배전선의 전압 상승에 따른 태양광 발전 출력 억제를 피하는 목적으로 오타[太田]시에서 이루어지는 NEDO 실증시험에서 연축전지를 사용했다. 이러한 용도로 쓰이는 전지는 ▲대형화, 집합 전지화가 용이할 것 ▲저렴할 것 ▲수명이 길 것 ▲에너지 저장 용도로써 충방전 효율이 높을 것 등과 같은 특징을 요구한다.
리튬이온전지는 최근 전기자동차 용도를 제외한 특수 용도(심해용, 우주용) 외에 대형 전지가 실용화되지 못했으나, 상온 작동이고 충방전 효율이 높다는 점에서 계통 연계 원활화 용도에도 유망할 것으로 보인다. 현재 NEDO 프로젝트에서 개발을 진행 중이며 머지않아 실용화가 기대된다.

용도별 리튬이온전지

성능이 눈에 띄게 향상된 리튬이온전지가 다른 전지계와 다른 점은 사용하는 전지 재료가 바뀌었다는 것이다. 기본적으로 화학전지는 양극 · 전해질 · 음극으로 구성된다. 연축전지는 PbO2(양극) · H2SO4(전해질) · Pb(음극), 니켈수소전지는 Ni(OH)2(양극) · KOH(전해질) · 수소 흡장 합금(음극), 나트륨유황전지는 S(양극) · β-Al2O3(전해질) · Na(음극)로 이뤄지며, 구조, 개질改質, 첨가제 등 일부 개량은 있었어도 사용 재료가 크게 바뀌진 않았다. 리튬이온전지의 경우, 이름처럼 리튬 이온(Li+)이 전지 반응에 관여하는 총칭으로 이용돼 재료 선택의 폭이 크다. 1992년 시장에 투입된 전지는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)을 양극, 난흑연화탄소(Hard Carbon)를 음극으로 하고, 유기 전해액 (LiPF6/탄산 프로필렌+탄산 디에틸)을 전해질로 이용했다. 그 후 음극 재료가 결정성이 더욱 높은 흑연 재료로 된 것 외에 큰 변경은 없었으나 2000년대 들어 고용량과 저비용을 목표로 전극 재료의 개발 및 실용화에 가속이 붙었다. 양극에서는 재료의 '저비용화'와 한정된 자원량의 제약에서 벗어나고자 '탈脫코발트화'를 목표로 스피넬형 LiMn2O4, 층 상 層狀LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2, 층 상 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2, 올리빈형 LiFePO4 등의 적용을 검토하고 일부는 제품화에도 성공했다. 음극은 주로 '고용량'을 목표로 Sn계, Si계 리튬 합금이, 그리고 반대로 성능의 일부를 희생시켜 '안전성 · 입출력 특성 · 사이클 특성의 향상'을 목표로 티탄산 리튬이 실용화됐다. 전해질은 리튬 이온 전도 기능이 있는 전자 전도를 배제하기 위해 리튬염을 용해한 유기 용매를 사용한다. 일반적으로 리튬염 용해를 위한 고유전율 용매인 환상環狀탄산 에스테르와 이온 이동도 향상을 위한 저점도 용매인 쇄상鎖狀탄산 에스테르의 혼합 용매며, 초기 충전 시 음극 쪽에서 일어나는 부반응(주로 음극 표면에 피막 생성 반응)으로 말미암은 용매 분해를 억제하기 위한 첨가제, 다성분 혼합화로 성능을 향상시켜 왔다. 또한 최근 안전성을 높이고자 유기 용매를 쓰지않는 개발도 진행 중이다. 현재 유기 용매 성분에는 끓는점이 낮고 증기압이 높은 물성이 있어 과충전 등의 상태에서 사용하면 열 폭주하고 유기 용매로 인화해 발연 · 발화할 위험성이 있다. 대책으로 전해질 고체화, 난연제 첨가, 이온 액체 적용 등이 있다. 이와 같이 재료를 다양한 방법으로 조합하는 것외에 전극 활물질 입자의 표면 개질, 코팅 등과 같은 개량 방법도 도입하고 있다.

또한, 앞에서 설명한 사용 조건에 따라 전지 내부설계도 다르다. <그림 1>은 각형 전지의 일반적인 구조를 나타낸 것이다. 양극/음극은 분리막(Separator)을 사이에 두고 마주 보며 나선 모양으로 들어가 전해액과 함께 전지 캔Can에 봉입된다.
두 극과 함께 활물질은 결착제, 도전제와 혼합된 후 금속(알루미늄/구리) 박 위에 도포 · 압착돼 <그림 2>와 같은 단면 구조를 가진다. 전지 용량은 활물질량에 비례하므로 낮은 입출력 용도로 사용하는 경우, 반응에 직접 관여하지 않는 집전박, 분리막, 전지 캔, 결착제, 도전제 등 주변 부재는 아주 적은 것이 에너지 밀도[Wh/ℓ]가 높으며, 전극 형성 시 프레스압을 높여 충진 밀도를 올리는 연구를 진행 중이다. 이 때문에 전극 두께는 두꺼워지며, 전극 면적은 작아진다. 한편, 높은 입출력 밀도[W/ℓ]를 요하는 경우, 전극 두께를 얇게 하는 것 외에 ▲집전체를 두껍게 하고 ▲집전 탭(전지 단자와 접합)을 두껍게 해 수를 늘리고 ▲활물질 입자를 작게 하고 ▲도전제 비를 높이고 ▲분리막 공공률空孔괽을 높임으로써 전지 내부 저항을 낮추는 연구를 수행하고 있다. 또한, 일반적으로 리튬이온전지의 충방전 반응은 흡열(충전) · 발열(방전)이라서 방열 설계도 전지 설계에 있어 중요하다. 전극의 전열 특성은 두께 방향으로 낮고 금속박을 사이에 둔 집전 방향으로 높아지므로, 고출력 용도의 대형 전지에서는 나선 모양의 전극 형상을 여러 장의 평판 형상으로 해 끝머리[端部]를 늘림으로써 방열핀 역할을 하고 방열 성능을 향상시키는 연구도 하고 있다.

전지 열화의 원인과 오래 사용하는 방법

구성된 기기에 따라 이차전지의 운전 모드는 다르므로 각각에 대한 수명 판정 기준이 필요하다. 전력 저장용 등 에너지 용도라면 전지 용량의 감소량, HEV 등 이동체 용도라면 출력 성능의 저하가 수명판정 기준의 하나가 된다. 수명 판정은 제조사가 보장하는 것과 사용자가 판단하는 것으로 크게 나뉜다. 전자는 기기 제조사가 상정하는 표준 사용법에 따라 구성된 기기가 만족스럽게 동작하면 보장되는 판정 기준이다. 예를 들어 민생용 니켈수소전지에는 JIS C8708의 시험 조건을 바탕으로 한 기준으로 '반복 사용 횟수 ○○회'라고 표기한 상품이 있다. 한편, 후자는 사용자가 기기를 사용했을 때 느끼는 스트레스(예를 들어 구입했을 때와 비교해 전지 잔존 용량계의 감소가 빨라졌다든지 가속이 둔해졌다든지 등)가 판정 기준이 된다. 휴대전화, 노트형 PC용 등 민생용 리튬이온전지는 현재 사용자가 전지 수명을 판단해 전지를 교체한다. 그러나 대형 리튬이온전지는 대부분이 아직 개발 단계에 있어 실제 사용에서 수명이 얼마인지 정확하게 파악된 것이 없다. 따라서 대형 리튬이온전지의 기술 개발 및 실용화를 원활히 하려면 개발한 전지를 대상으로 수명 평가 시험을 해야 한다.
일본에서는 지금까지 적용 대상이 다른 대형 리튬이온전지 기술 개발을 국가 프로젝트로 진행했으며, 각 프로젝트에서 평가 항목의 하나로 '수명'이 있다. 1992년~2001년에 실시한 <분산형 전지 전력 저장 기술 개발 프로젝트(LIBES 프로젝트)>에서 전력 저장용 등 정치형定置型전지는 DOD 70%의 충방전 사이클 수명 3500사이클, EV 등 이동체용 전지는 DOD 80%의 충방전 사이클 수명 1000사이클을 목표로 했으며, 수명 판정 기준은 '정치형의 경우 정격 용량의 70%, 이동체용의 경우 정격용량의 80% 이하로 용량이 떨어져 두 번 다시 상승하지 않는 때'로 정의했다. 2002년~2006년에 실시한 <연료전지 자동차용 리튬전지 기술 개발 프로젝트>에서 '수명은 사용 환경 조건에서 15년이 지나도 전지 출력과 용량이 초기 80% 이상인 것'으로 정의했다. 사이클 수명만으로 평가는 불가능하기에 보존 수명도 고려한 수명 시험법으로 이뤄진 평가가 필요했다. 이 경우 실제 사용에서 성능 열화는 전지가 들어간 기기 운전 모드의 충방전 사이클에 따른 열화와 보존(대기)으로 말미암은 열화가 합쳐지며, 이 사이의 가성성加成性성립 여부를 검증해 수명 평가를 해야 한다. 이처럼 전지 수명은 각 기기의 운전 모드 · 온도나 판정 기준에 따라 다르다.

사이클 수명 특성｜이차전지에 필요한 수명으로 사이클 수명이 있다. BEV의 경우 전지 교체가 필요없다는 전제 하에 [총 주행 거리]/[1회 충전 주행 거리]로 구하며, 약 500~1000사이클이 된다. 일반적으로 사이클 수명은 충방전 조건(DOD, 충방전율, 사용하는 전압 범위, 운전 온도)에 따라 다르다. <그림 3>은 민생용 원통형 리튬이온전지를 각기 다른 DOD, 온도 조건에서 충방전 사이클 운전한 경우 나타난 전지 용량의 감소 경향이다. DOD가 깊고 운전온도가 상승하면 사이클 수명은 짧아진다. 또한 같은 DOD에서도 운전 전압 범위에 따라 사이클 수명특성은 다르다. <그림 4-(a)>의 충방전 곡선에서 보듯이 일반적으로 리튬이온전지는 충방전 상태에서 4.2V로 높고, 방전이 되면 3V 이하까지 떨어진다. <그림 4-(b)>는 각 전압 영역에서 같은 DOD 운전(25%)을 했을 때 나타나는 사이클 수명 특성이다.
그림에서처럼 저전압 영역일수록 사이클 특성이 우수하고, 고전압 영역에서 지수 함수로 용량이 감소함을 알 수 있다. 정성적으로 훨씬 고산화(양극) · 환원(음극) 상태에 놓이는 고전압 영역 운전에서 재료 열화가 진행되는 것으로 이해할 수 있다.
여기에 이동체용 전지에서 열화 가속이 우려되는 회생 충전을 포함한 동적 부하에 대해, 이동체용으로 개발한 0.8㎾h급 모듈전지를 이용해 방전 조건을 정전류법과 EV 주행 시 부하를 모의하는 동적부하 패턴(DST150)을 사용한 것으로 비교했다. <그림 5>와 같이 전지 용량의 사이클 저하는 거의 같은 경향을 보이며, 동적 부하가 사이클 특성에 미치는 영향은 작다. 리튬이온전지는 양 · 음극 활물질, 전해질 외 주변 부재에 따라 전지 특성이 다르나, 일반적인 경향으로 깊은 DOD, 높은 운전 온도, 높은 운전 전압 범위에서 사이클 특성은 떨어진다. 휴대 기기를 사용하는 도중에 이른바 배터리가 나가는 것을 방지하기 위해 사용하지 않을 때 100% 충전을 빈번히 하는 경향이 있다. 사이클 수명의 관점에서 본다면 저전압 영역을 사용하는 완전 방전(1회용)과 100% 충전을 피하는 것이 긴 수명으로 이어지는 길이다.

보존 수명 특성｜실제 이차전지 사용을 살펴보면, 일부 예외를 제외하고 충방전 운전보다 대기하는 시간 비율이 더 높다. 일례로 BEV 용도의 경우, 장거리 운전을 위해 100% 충전에 가까운 고高충전 상태에서 긴 시간 대기하는 빈도가 높다. 신재생에너지 발전 출력 평활화 용도의 경우, 단속斷續으로 이뤄지는 발전 출력을 수용해야 하기에 저低충전 상태에서 대기 시간이 길다. NEDO 프로젝트에서 차세대 자동차 용도로 개발 중인 리튬이온전지에 대해 이러한 대기 상태에서 성능 저하(보존 특성)를 평가한 예가 <그림 6>과 같다. 사이클 특성과 마찬가지로 고 충전 상태, 환경 온도가 높을 때 용량 · 입출력 저하가 커지는 것을 알 수 있다. 저하율은 보존 시간의 1/2승과 거의 직선 관계에 있으며, 이러한 상관 관계를 바탕으로 전지 내부의 재료 열화모델을 구축한 보고 사례가 몇 가지 있다. 그러나 모든 재료 조합에 적용 가능한 불변하는 특징은 아직 얻지 못했다. 또한, 일반적으로 60℃ 이상 환경온도에서는 저하율의 온도 의존성이 동일 열화 반응으로 간주할 수 있는 아레니우스식 관계를 벗어남으로써 다른 열화 반응이 첨가되는 것으로 추정된다. 고 충전 상태에서 일어나는 열화를 방지하고자 노트형 PC의 전원으로 사용하는 리튬이온전지를 100% 충전하지 않고 약 80%까지만 충전하도록 충전 조건을 고정시켜 전지를 오래 사용토록 한 제품도 최근 발매했다. 따라서 리튬이온전지를 쓰는 기기는 긴 시간 사용하지 않을 경우, 저 충전 상태 · 저온 환경에서 보관하는 것이 바람직하다.

실제 사용에서 전지 수명｜실제로 기기에서 사용할 때 일어나는 전지 열화는 그 기기의 사용 조건에 따른 사이클로 말미암은 열화와 보존으로 말미암은 열화로 이뤄진다. 실제 사용에서 전지 열화율을 사이클 열화율과 보존 열화율의 단순한 합으로 표시한 보고 사례가 있는 것을 봤을 때 각 열화 반응의 상호 작용은 작은 것으로 보인다. 다만, 이러한 보고 사례는 실험실에서 실제 사용을 모의한 조건일뿐, 모든 사용 환경을 망라한 것은 아니다. 예를 들어 이동체 용도의 경우, 0℃ 이하의 저온 환경에서 이뤄지는 급속 충전 조건은 상온과 다른 메커니즘에서 열화가 진행되는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 전지 설계 시 양 · 음극 용량은 상정된 사용 조건(환경 온도, 충방전 속도)에서의 비용량比容量(Ah/㎏)으로부터 매입량을 결정한다. 현재 리튬이온전지는 반응에 관여하는 리튬 이온이 충방전에 따라 양극과 음극 사이를 왕복하는 구조며, 원칙 부반응을 허용하지 않기에(연축전지 등 수용액계 전지는 과충전 시 수전해가 생기지만 액체를 보충함으로써 회복한다) 양 · 음극 설계 용량 비는 엄밀히 필연성이 있다. 양 · 음극 비용량은 환경 온도, 충방전 속도에 따라 경향이 다르므로 특이한 사용 조건에서 그 균형이 깨져 다른 열화가 진행될 수도 있다.

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최근 이차전지의 개발 · 적용 상황과 수명에 미치는 영향 인자에 대해 설명했다. 특히 리튬이온전지는 새로운 재료 개발과 반응 구조 해명 등으로 진척이 두드러지며, 수명에 이르는 열화에 대해서도 일진월보日進月步로 극복하리라 기대한다. 또한, 대용량화, 에너지 고밀도화 · 고출력화로 새로운 시장 개척이 예상되는 한편, 이러한 성능은 안전성과 상반관계(Trade-off)에 있어 반드시 유의해야 한다.

직류 전기 철도용 전력 저장 장치에 리튬이온전지 응용

철도 부하의 특색과 문제점
직류 전기 철도의 과제｜전기 철도의 부하는 일반 산업부하와 달리, 변동이 급격하고 아침저녁 출퇴근 시간대와 낮 시간대의 차이가 크다. 또한, 현재 도입되는 전차브레이크는 전차가 감속할 때 주 전동기를 발전기로 해 팬터그래프Pantagraph를 통해 가선으로 전력을 되돌림으로써 제동력을 얻는다.
이 때문에 회생 브레이크를 하는 전차 옆에 역행力行 운전하는 전차가 없으면, 전력을 주고받을 수가 없어 가선전압이 상승하고 회생 브레이크가 듣지 않는 회생 실효가 일어난다.
문제 해결 방법｜이러한 과제 해결을 위해 전력 저장 장치를 이용하며, 열차 부하에서 가선 전압이 떨어졌을 때 축적한 전력을 방전한다. 반대로 회생 브레이크로 말미암아 가선 전압이 상승했을 때 충전한다. 전력 저장 장치의 개념도는 <그림 1>과 같다. 회생 전력을 유용하게 활용하는 것 외에도 가선 전압 강하 보상, 부하 평준화 등의 효과가 있다.

전력 저장 장치의 구성 사례
검증 시험 또는 실용화된 전력 저장 장치 대부분이 승강압 초퍼Chopper를 이용한 충방전 제어를 채용했다. 구성도로 나타낸 일례가 <그림 2>와 같다.
이 전력 저장 장치는 전력 저장부와 전력 변환부로 이뤄졌으며, 전력 저장부는 산업용 대형 리튬이온전지의 셀을 직렬 접속해 대용량 집합 전지로 구성했다. 반면, 전력 변환부는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용한 PWM(Pulse Width Modulation)전류 제어의 양방향 DC-DC 컨버터에 의해 가선 전압인 고압 측과 전지 전압인 저압 측 사이에서 전력을 주고받는다. 초퍼 일차 측에는 흔히 VVVF 제어 차량과 같은, 가선 쪽에 유출되는 고조파를 저감하고자 리액터(FL)를 설치했다. 한편, 초퍼 이차 측의 콘덴서(SFC)는 전지 전류의 맥동분을 줄이고 전지 정격 내에서 직류 전류를 최대한 흘리기 위해 설치했다.

실용화 효과 예
일본에서는 전력 저장 매체로 리튬이온전지를 이용한 전력 저장 장치를 실용화해 일본 내 여러 노선에 활용중이다. <그림 3>은 JR 니시니혼[西日本]에서 개발한 전력 저장 장치의 외관이다. JR 니시니혼의 검증 시험을 소개하면 다음과 같다.
지상 검증｜장치 능력을 확인하기 위해 가동 시와 비가동 시, 다른 날 같은 시각에 가선 전압을 측정했다. 장치 가동 시 제어는 방전 개시 전압 1510V~충전 개시 전압 1670V의 정전압 제어다. 결과를 <그림 4>와 같이 가선 전압의 도수분포로 표시했다. 세로축은 오전 10시~오후 4시에 이르는 낮 시간대의 가선 전압 도수 비율이다. 그림 속에 점선으로 그려진 동그라미에 나타낸 대로 장치 가동에 따라 1740~1800V 부근의 전압이 1700~1730V 부근으로 이동해 가선 전압 상승을 억제함을 알 수 있다.

차량 검증｜이어 장치에 의한 손실 전력량의 저감 효과를 차량에서 측정했다. <그림 5>는 동일한 브레이크 노치Notch에서의 거동을 나타낸 것이다. <그림 5>의 왼쪽그림은 장치의 비가동 시를, 오른쪽 그림은 가동 시를 나타낸다. 회생 실효에 따른 손실 전력량은 출근형 전차 4차량 편성을 더한 값이다. 장치 가동에 따라 손실 전력량은 1.30㎾h에서 0.54㎾h로 감소하는 동시에 회생 전력이 증가해 공기 제동력이 경감(실린더 압력 변화가 저감)했다. 또한, 1800V 부근의 가선 전압이 1760~1770V 부근으로 이동해 가선 전압 상승도 억제했다.