자료 협약 및 제공: KOSEN
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2012년 세계 리튬 2차 전지 출하량과 금액이 각각 약 55억 셀과 약 166억 달러 규모로 2011년 약 50억 셀과 약 143억 달러 대비 각각 9.8% 및 16.2% 증가하였다. 자동차용 리튬이온 배터리 시장 규모는 작년 15억 달러에서 2015년 90~100억 달러, 2020년에는 500억 달러로 증가할 전망이다. 현재 배터리 가격이 너무 높고 주행거리가 제한되기 때문에 휘발유 차량대비 경쟁력을 갖기 위해서는 배터리 가격은 50~80% 하락해야 되고 배터리 에너지 밀도를 대략 2배정도 증가시켜야 가능할 것으로 예상한다.
기존 배터리에 비해 리튬이온(Lithium-ion) 배터리는 높은 에너지 밀도, 높은 전력 밀도, 긴 수명 및 환경친화적 특성을 가지고 있기 때문에 가전제품에 폭넓게 사용되고 있다. 그러나 자동차용 리튬이온 배터리는 용량이 크고 빈번하게 직렬-병렬 교차연결이 필요할 뿐 아니라, 안전성, 내구성, 균일한 성능유지 및 비용과 같은 문제점을 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 새로운 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면 충전 및 방전 시에 리튬이온의 이동 및 반응 공정뿐 아니라 배터리 셀(cell) 전체의 거시적 및 미시적 단계를 모사하여 전극의 위치와 형태를 다양화 하고 최적의 물질 조합을 쉽게 찾아낼 수 있다. 또한 안전성과 신뢰성이 동시에 요구되는 영역에서 리튬이온 배터리를 효율적으로 적용하기 위해 배터리 관리시스템(BMS: battery management system)의 도입이 절대적으로 필요하다.
본문에 BMS의 구성과 배터리 셀 전압측정, 배터리 상태예측, 배터리 균일성 및 동등화, 배터리 결함진단 등 중요한 이슈에 관해 기술하였다. 세계 배터리 시장을 선도하는 LG와 삼성도 BMS 개발에 적극 참여하여 먼저 배터리 성능이 형성되는 과정과 그 메커니즘을 이해하고, 배터리 성능시험을 통해 배터리 성능에 영향을 미치는 중요 또는 최소 인자와 영향을 주는 법칙을 알아낸 후, 메커니즘을 모델링 하는 기법을 사용하여 실제 배터리 시스템에 적용할 수 있는 BMS의 개발을 제안한다.
리튬이온 배터리의 적정 사용온도 및 전압
리튬이온 배터리는 전기자동차에 사용할 때 안전성과 신뢰성 보장이 가장 중요하다. 사용 도중에 이러한 제한조건을 초과하게 되면 배터리 성능이 급격히 약화되거나 안전에 심각한 문제가 발생하기 쉽다.
배터리 제조업체가 제시한 가이드라인을 보면 현재 대다수 자동차용 리튬이온 배터리(C/LMO)의 사용조건은 －20°~55℃ 사이에서 방전하고, 0°~45℃ 범위에서 충전할 것을 권장하고 있다. 특히 LTO 음극을 가진 리튬이온 배터리는 최저 －30℃ 에서도 방전할 수 있다.
자동차용 리튬이온 배터리는 일반적으로 운전전압 1.5V~4.2V 범위 내에서 사용된다. 그 중 C/LCO, C/NCA, C/NCM 및 C/LMO는 2.5~4.5V 범위, LTO/LMO는 1.5~2.7V 범위 그리고 C/LFP는 2.0~3.7V 범위 내에서 사용한다.
리튬이온 배터리의 초과 온도 및 전압 조건 상태에서 특성변화
리튬이온 배터리는 온도와 전압에 의해 사용온도가 90~120℃에 도달하면 SEI(Solid Electrolyte Interphase: 고체 전해액 계면상) film은 발열성 분해가 시작되고, 전해액의 종류에 따라 －69℃의 낮은 온도에서 분해가 일어나는 경우도 있다.
120℃를 초과하면 분해가 일어난 SEI film은 탄소 음극이 유기 전해액과 부차적 반응이 일어나 연소가스가 발생하기 시작한다. 200℃ 이상으로 온도가 올라가면 전해액은 분해되고 연소가스가 다량 발생하고, 양극의 분해에 의해 생성된 산소와 교란 반응이 일어나고 화염이 발생하게 된다.
리튬이온 배터리를 0℃ 이하에서 충전 하게 되면 탄소 음극 표면에 금속 리튬이 축적하게 되어 배터리 수명이 단축된다. 온도가 더욱 낮아지면 배터리 음극이 깨지고 회로가 단절된다.
사용전압이 너무 낮거나 배터리가 과방전되면 상 변화에 의해 격자가 파괴되어 배터리 성능에 심각한 영향을 미치게 된다. 극히 낮은 전압 또는 과 방전 상태에 도달하면 전해액이 감소하고, 연소가스가 발생하여 안전상 위험에 직면하게 된다.
사용전압이 대단히 높아지거나 과충전 상태가 되면 양극에 합성작용이 일어나 상당한 양의 열이 발생하게 된다. 또한 음극표면에 금속 리튬이 축적되어 용량이 점점 감소하고, 전해액의 분해와 함께 내부 회로가 차단되고 안전에 문제가 생기게 된다. (전압이 4.5Ⅴ이상이 되면 보통 전해액은 분해한다.)
BMS의 필요성
이 문제를 해결하기 위한 방법으로 악조건에서도 작동되는 새로운 배터리를 개발하거나, 또는 기존 상용 리튬 이온 배터리를 운영 시스템에 적합하게 또 효율적으로 제어 및 관리할 수 있는 배터리 운영시스템(BMS: battery management system)을 적용한다. 본 논문은 BMS의 구성과 BMS와 관련한 배터리 셀 전압측정, 배터리 상태예측, 배터리 균일성 및 평형성, 배터리 결함 진단 등 주요 이슈에 대해 기술한다.
전기자동차용 리튬이온 배터리 및 BMS의 활용 현황
BMS의 구조
전기자동차에는 표1에 보는 바와 같이 여러 종류의 리튬이온 배터리를 사용하고 있다. 배터리 셀의 음극은 탄소를 가장 널리 사용하고 있으며 최근 LTO가 개발되어 배터리 내구성과 급속 충전 성능이 향상되고 있다. 양극 재료는 LMO, LFP, NCM, NCA 등을 주로 사용한다.
전기자동차용 배터리 셀(cell)은 그 용량 및 전압이 비교적 작고, 수많은 배터리 셀들을 조합하여 하나의 배터리 모듈로 포장한다. 전기자동차는 한 개 또는 두 개의 배터리 모듈을 채용하는데, 결국 배터리 시스템은 수백 또는 수천 개의 셀들로 구성된다. 이 많은 셀들을 관리하기 위해서는 BMS를 반드시 사용하여야 한다.
BMS의 구조는 전기적 시스템, 기계적 시스템 또는 어떤 장치나 기술을 사용하여도 상관없다. 관리 대상은 단일 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩이든 모두 관리할 수 있어야 하며, 재충전방식일 수도 아닐 수도 있다. 전기 자동차용 BMS는 여러 종류의 액추에이터, 센서, 제어장치 및 연결 와이어로 구성되어 있다.
그림 1. 전기자동차용 BMS의 하드웨어 및 소프트웨어 구성도
BMS의 기본 기능
BMS는 배터리를 모니터링하고, 상태를 예측하여 배터리를 보호하며, 데이터를 전달하고, 밸런스를 유지 함으로서 배터리를 관리하는 역할을 한다.
전기자동차용 배터리는 관련 표준과 요구 사양을 만족하고, 전기자동차용 BMS는 다음과 같은 기본기능을 갖추어야 한다. 첫째 셀과 배터리 팩이 파손되지 않도록 보호한다. 둘째 배터리가 적절한 온도와 전압 범위 내에서 작동할 수 있도록 유지하여 안전을 보장하고 그 수명을 가능한 길게 연장하여야 한다. 셋째 배터리가 차량의 요구조건을 만족하는 상태에서 작동하여야 한다.
BMS 입력신호 및 출력신호
BMS 입력신호는 ①주 회로 전류센서와 전압센서에 의해 측정된 주 전류 및 전압, ②온도 센서가 측정한 셀의 온도, 배터리 외부 온도 및 배터리 냉매 입구와 출구 온도, ③가속 페달과 브레이크 페달 센서가 측정한 아날로그 신호, ④시동 스위치 및 충전 허용 또는 금지 스위치에서 전달 된 디지털 신호 등이 있다.
BMS 출력신호와 그 역할은 먼저 팬과 전기히터와 같은 열관리 모듈을 작동하여 냉각 및 가열을 제어하고, 축전기, 스위치, 손실저항과 같은 밸런스 모듈을 가동하여 배터리의 평형을 유지하고, 주 회로 접점, 배터리 모듈 접점의 작동을 통해 배터리 전압 안전을 유지 관리한다.
또한 BMS는 일반적 디지털 신호에 의해 충전을 지시하거나 결함을 경고하고, 통신 모듈, 내부 전력공급 모듈, 시간 지시모듈을 제어 관리하고, 충전시스템 및 인간-기계 인터페이스 모듈을 제어 관리한다.
BMS 소프트웨어의 요구 성능
BMS 의 구성은 그림1과 같으며, 요구되는 소프트웨어의 주요 성능에 대해 설명한다.
● 과충전, 과방전 및 대극을 방지하기 위하여 총 전압, 총 전류, 각 셀의 전압, 온도, 매연, 절연, 임피던스(impedence), 충돌 등과 같은 배터리 변수를 검출한다.
● 충전상태(SOC: state of charge), 방전 깊이(DOD: depth of discharge), 건전성(SOH: state of health), 기능 작동상태(SOF: state of function)와 같은 배터리 상태를 예측한다. SOC와 DOD는 작동 전류, 온도 및 전압에 의해 예측하고, SOH는 배터리의 남용 및 성능열화에 의해 예측, SOF는 SOC, SOH 및 배터리 사용환경에 의해 예측한다.
● 온 보드 상태에서 센서 결함, 네트워크 결함, 배터리 결함, 과전압(과충전), 저 전압(과방전), 과전류, 초고온, 초저온, 선 연결 단락, 연소가스 과다집중, 보온 결함, 불 균일성, 급격한 온도 상승 등의 결함을 진단한다.
● 열 계통 제어, 과전압 안전제어에 의해 검출된 결함이 네트워크를 통해 차량 제어장치 및 충전기에 전달되면, 고온, 저온, 과충전, 과방전, 과전류, 누전 등에 기인하여 인체에 상처를 입히지 않고 또 배터리에 손상이 가지 않도록 적절한 조치를 취한다. (예를 들어 기준 값을 초과하면 배터리 전원공급을 차단시킨다.)
● 배터리 특성과 충전기 전력 수준에 맞추어 BMS는 충전기를 제어함으로써 배터리 충전을 지원한다.
● 각각의 셀 정보를 받아들여 BMS는 충전 평형방법, 소멸성 평형방법, 또는 비소멸성 평형방법 중 한 가지 방법을 선택하여 각 셀들의 충전상태를 일정하게 유지한다.
● 배터리 팩 안의 온도 분포와 충전 또는 방전에 필요한 요구조건에 따라, BMS 는 가열을 해야 할 지 또는 냉각을 해야 할 지를 결정하고 실시한다.
● BMS를 차량으로부터 분리하면 불편하기 때문에, 차량에 설치한 상태에서 네트워크에 연결하여 측정, 보정 및 코드(code)를 자동으로 알아내고, 프로그램을 다운로드 할 수 있어야 한다. 이 목적으로 보통 CAN(Controller Area Network)을 사용한다.
● BMS는 SOC, SOH, 충전 및 방전 암페어-시간 누적 값, 결함 코드, 균일성 등 중요한 데이터를 저장한다. 실제 BMS는 앞에 설명한 기능 중 일부 기능만을 가지고 있지만, 최소한 각 배터리 셀마다 각각의 전압센서와 온도센서는 가지고 있어야 한다.
● 수십 개의 셀을 가진 차량에는 한 개의 BMS로 충분하고, 수백 개의 셀을 가진 차량에는 배터리 모듈 개수만큼의 제어장치 및 추가로 하나의 종합 제어장치가 필요하다. 각 배터리 모듈 제어장치는 전압 및 전류를 측정하고, 접점을 제어하고, 셀 간의 평형을 유지하고, 종합 제어장치와의 통신을 관장한다. 종합 제어장치는 각 모듈로부터 받은 정보에 따라 배터리 상태예측, 결함 진단, 열관리 등을 수행한다.
배터리 전압측정을 정밀하게 하려면 각각의 셀 전압을 정확히 측정하여야 한다. (표2)
그림 2. 전기자동차용 BMS의 상태예측 알고리즘 구성 체계도
배터리 관리시스템(BMS)의 핵심 기능
BMS 의 4가지 주요 기능
BMS의 기능 중에서 가장 중요한 셀 전압의 정밀한 측정, 배터리 상태의 정확한 예측, 배터리 균일성 및 동등화 방법, 배터리 결함 진단에 대해 기술한다.
BMS의 배터리 셀 전압 측정기능
전기자동차용 배터리 팩은 수백 개의 셀이 직렬로 연결되어 있기 때문에 전압측정 방법에 따라 누적 전압이 달라질 수 있으므로 이를 제거하거나 또는 보상하는 것이 거의 불가능하고 회로 측정 설계가 대단히 어렵다.
BMS의 배터리 상태 예측 방법
배터리 상태는 SOC, SOH 및 SOF와 이들 사이의 상관관계를 의미하며, 그림 2에 BMS 상태 예측 알고리즘의 구성 체계도를 나타냈다. SOH는 예상 사용 수명과 결함 진단결과의 출력에 의해 결정된다. SOF는 시효 효과의 영향, SOC의 범위, 온도범위 및 결함 수준을 고려하여 결정된다.
그림 3. C/LiFePO4배터리의 충전/방전 시 개방회로전압 곡선 예시(25℃이하 측정 및 3시간 정지)
SOC예측 알고리즘
SOC는 표준상태에서 충전할 경우 총 충전량 대비 배터리에 남아있는 충전량의 비율을 의미한다. SOC는 보통 %로 표시하며, 100%는 최대 충전 상태이고 0%는 최대 방전 상태이다. 한 개의 배터리 셀에 대해서는 이 정의대로 명확하지만, 배터리 모듈이나 배터리 팩의 경우에는 다소 복잡해진다. 여러 개의 셀을 병렬로 연결한 경우에는 하나의 큰 용량 셀로 간주하면 되는데, 직렬로 연결한 경우에는 각 셀의 상태와 용량을 균일하게 유지해주는 평형장치를 추가로 고려하여야 한다. 배터리의 SOC를 예측하는 실제적인 몇 가지 방법을 아래에 설명한다. (표 3)
● 방전시험 방법: 지정된 방전율과 주위 온도 조건 등 제한된 조건으로 실제 방전 시험을 실시하는 가장 신뢰성 있는 방법으로서 배터리 잔류 충전량을 정확히 알 수 있으나 시간이 오래 걸린다.
● 암페어-시간 적분 법: 암페어와 시간을 적분하는 단순하고 일반적인 방법으로서 초기 SOC값이 정확하다면 이 방법에 의한 최종 결과는 적당한 시간 내에 만족할 만큼 정확한 결과를 얻을 수 있다.
● 개방회로 전압 방법: 활성 재료에 내재된 리튬이온량과 그 정적 열 동력학과의 상관 관계를 이용하여 배터리 사용을 중지한 후 평형을 유지한 상태에서 개방 회로 전압을 측정하는 방법이다. 이 방법은 아주 정밀하게 SOC를 예측할 수 있으나, 평형을 유지할 때까지 시간이 오래 걸리고 충전과 방전의 반복과정에 히스테리시스(hysteresis)가 있다는 점을 신중히 고려하여야 한다(그림 3).
● 배터리 모델 기반 SOC 예측 방법: 운행 중인 차량에서 개방회로전압(OCV: open circuit voltage)을 온라인 예측하는 방법이다. 여기에 필요한 배터리 모델은 등가회로 모델과 전기화학적 모델이 있으며, 정밀도와 복합도가 중요하며 동적 예측 정밀도는 모델의 정밀도와 수집하는 신호의 정밀도에 좌우된다.
● 신경 네트워크 모델 방법: 신경 네트워크의 비선형 매핑 특성을 사용하여 SOC를 예측하는 방법으로서, 많은 학습 데이터로 네트워크를 학습시킨다.
● 퍼지논리 방법: 퍼지논리를 사용하여 인간의 퍼지사고를 시뮬레이션 하는 방법으로서, 시험결과 곡선, 경험 및 신뢰성 있는 퍼지논리이론에 바탕을 두고 SOC를 예측한다.
● 배터리 성능에 기반을 둔 SOC 예측방법: 교류 임피던스 방법과 직류 내부 저항 방법의 두 가지가 있다. 교류 임피던스 방법은 주파수가 다른 여러 개의 소 진폭 사인(sine)파 교류를 배터리에 가하여 주파수 반응 함수를 측정하고, 교류 임피던스를 분석하여 배터리 SOC를 구한다. 직류 내부저항 방법은 정해진 시간 동안 배터리 내부저항을 계산하고, 직류 내부 저항과 배터리 SOC와의 상관관계에 의해 SOC를 구한다.
그림 4. SOF와 SOC, SOH 사이의 상관관계도
SOH 예측 알고리즘
배터리 건전성(SOH)은 배터리의 가장 이상적인 상태를 기준으로 배터리의 현재 상태를 비교하여 그 값을 퍼센트(%)로 나타낸다. SOH는 용량과 초기 저항에 의해 도출하거나, 또는 AC 임피던스, 자기 방전 율 및 출력밀도에 의해 도출할 수도 있다. 초기 용량 대비 현재 배터리 용량이 80% 이하일 경우 SOH의 값은 80%가 되고 BMS는 배터리를 교환하라고 경고한다. SOH 예측방법은 내구성모델 기반 개방루프 예측방법과 배터리모델 기반 폐쇄루프 SOH 예측방법의 두 가지 방법을 주로 사용한다.
● 내구성모델 기반 개방루프 예측방법: 이는 배터리 내구성모델에 기반을 두고 용량 감소와 내부저항 변화를 예측하는 방법이다. 배터리 내구성모델은 내구성 메커니즘 모델과 내구성 외부특성 모델로 구성되어 있다. 내구성 메커니즘 모델은 배터리의 내부 부가작용 메커니즘에 집중하여 SEI필름 저항, 이온 집중, 기타 미시적인 양을 관찰 대상으로 한다.
● 배터리 모델 기반 변수식별 폐쇄 루프 예측방법: 이 예측방법은 앞에 설명한 배터리 모델을 기반으로 최소자승법, 칼만(Kalman filtering) 알고리즘 등과 같은 최적상태 예측기법을 사용하고, 용량과 내부저항과 같은 배터리 모델변수를 식별하여 배터리 SOH를 예측한다.
SOF 예측 알고리즘
SOC는 현재 배터리가 완전 충전된 배터리와 어느 정도 다른지를 나타내고, SOH는 현재 배터리가 새로운 배터리와 얼마나 다른지를 나타낸다.
한편 SOF는 배터리를 사용하는 도중에 배터리 성능이 실제 요구조건에 얼마나 부합되고 있는지를 나타내기 때문에, SOF는 SOC, SOH, 작동 온도 및 충전/방전 이력에 의해 결정된다.
에너지 저장에 사용할 경우는 저장할 수 있는 최대 에너지 대비 잔류하고 있는 가용 에너지의 비율로 정의하고, 전력 공급이 요구되는 시스템에 사용할 경우 전력 수요를 얼마나 만족할 수 있는지를 1 또는 0으로 표현한다. SOF 와 SOC/SOH과의 상관관계를 그림4 에 나타냈다.
배터리 균일성 및 동등화 방법
배터리 팩은 같은 사양 및 같은 형태의 배터리를 적층하여 생산하지만 각 셀마다 그 특성이 서로 다르기 때문에 배터리 균일성이 중요하다. 이 때 고려 할 셀의 특성은 전압, SOC, 용량, 용량 소모율, 내부 저항 및 변화율, 배터리 수명, 자기 방전율 및 시간 변화율 등이 있다. 배터리 제조환경이 열악하거나 수동 생산라인의 경우 각 셀 간의 특성에 더욱 큰 차이가 생기게 된다.
자기방전 또는 쿨롱효과의 불균일성 때문에 생기는 배터리 잔류용량의 불균일성을 보상하기 위해 동등화 작업이 필요하다. 배터리 동등화 방법은 화학적 동등화 방법과 물리적 동등화 방법의 두 가지가 있다.
배터리 동등화(equalization) 알고리즘은 전압 균일성에 기반을 둔 동등화 전략, SOC균일성에 기반을 둔 동등화 전략 및 잔류용량 균일성에 기반을 둔 동등화 전략으로 나눌 수 있다.
배터리 결함 진단
결함 진단은 배터리 안전을 보장하는 데 필수적인 기술이다. 1995년 IEC가 제정한 배터리 관리시스템 규정에 의하면 전기자동차용 BMS는 배터리 건전성이 훼손되었을 때 이를 사전에 경고하고, 배터리 성능이 약화된 정보를 제공하는 등 배터리 결함진단 기능을 가져야 한다고 정하였다. 중국에서도 26개의 결함 진단항목을 포함한 배터리 결함진단 기능을 가진 BMS를 규정하고 있다.
최근 결함진단 기술은 진단 대상기기의 작동 원리를 바탕으로 컴퓨터 네트워크, 데이터베이스, 제어이론, 인공지능 및 기타 기술과 접목하고, 공정변수 예측과 상태예측 및 다른 경험적 예측방법을 동원하여 더욱 완전한 운영체제로 발전하고 있다.
현재 개발 단계에 있는 지능형 결함진단 시스템은 전문가시스템을 사용하고, 지식기반, 추론 엔진, 인터프리터, 인간-기계 접속기, 복합 데이터베이스 등으로 구성된다. 전문가 진단시스템을 통하여 배터리 건전성을 조기에 진단할 수 있다.
결론
BMS 연구개발의 기본적 방법 및 절차는 먼저 배터리 성능이 형성되는 과정과 그 메커니즘을 이해하는 한편 배터리 성능 시험을 통해 배터리 성능에 영향을 미치는 중요 또는 최소 인자와 영향을 주는 법칙을 알아낸다. 다음에 메커니즘의 모델링 기법을 사용하여 BMS를 적용할 수 있는 실제 배터리 시스템 모델을 만드는데, 이 모델은 적절한 수준의 정밀도를 가지고 복잡한 계산은 최소화하도록 구성한다.
실제 운영하면서 획득한 데이터를 바탕으로 적응제어 기술을 접목하여 배터리 시스템 변수를 식별해내고 배터리 상태를 예측하여 이를 네트워크를 통해 차량 제어장치에 전달함으로써 안전하고 신뢰성 있게 차량을 운전할 수 있도록 보장한다. 향후 BMS 분야의 발전을 위해 배터리 성능에 관한 연구, 실제적 배터리 모델의 구성 및 BMS 에 적응제어기술 또는 전문가 시스템을 적용하는 과제를 가장 집중적으로 연구해야 할 필요가 있다.
참고문헌
1. Languang Lu, Xuebing Han, Jianqiu Li, Jianfeng Hua, Minggao Ouyang, A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric Vehicles, Journal of Power Sources, 226 (2013) 272? 288
2. Davide Andrea, Battery Management Systems for Large Lithium-Ion Battery Packs, first ed., Artech House, September 30, 2010.
3. B.P. Divakar, K.W.E. Cheng, et al., Battery management system and control strategy for hybrid and electric vehicle. Third International Conference on Power Electronics Systems and Applications (2009).
4. N. Takami, et al., High-power and long-life Li-ion batteries using lithium titanium oxide anode for automotive and stationary power applications, in:
16th International Meeting on Lithium Batteries, ICC Jeju, Korea, 2012.
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신윤오 기자
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