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칼럼 [에너지 칼럼] 배터리관리시스템의 중요 이슈 Ⅲ
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칼럼 [에너지 칼럼] 배터리관리시스템의 중요 이슈 Ⅲ

기사입력 2016-05-04 08:12:12
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[에너지 칼럼] 배터리관리시스템의 중요 이슈 Ⅲ
[산업일보]
배터리의 현재 충전 상태를 의미하는 SOC(state-of-charge)와 더불어 배터리관리시스템에서 또 다른 중요이슈는 수명 상태를 의미하는 SOH(state-of-health)이다. 장시간 운용할 수 있는 배터리를 사용하고자 하는 마음은 모두가 같을 것이다. 그러므로 요즈음 SOH의 활발한 연구가 학계와 산업계에서 진행되고 있으며, 실제로 배터리관리시스템(BMS)에 탑재돼 사용자에게 올바른 SOH 정보를 제공하고 있다. 예기치 않은 배터리의 노화를방 지하고, 이를 안정적으로 운용하기 위한 SOH 모니터링은 필수불가결한 것이며, 이는 SOC와 더불어 BMS에서 없어서는 안 될 중요 요소다.

앞서 배터리관리시스템의 중요이슈 Ⅱ에서 다뤘던 SOC와 마찬가지로 SOH도 구체적인 단위가 없다. 대신, 배터리가 전혀 노화되지 않은 상태를 Fresh라 정의하며, SOH 100%(1)로 나타 낸다. 반대로, 노화가 지속돼 배터리의 사용이 불가능한 상태를 Aged라 정의하며, SOH 0%(0)으로 나타낸다. 그러므로 배터리의 SOH는 0과 1의 범위에서 값을 나타낸다. 1에 가까울수록 노화되지 않은 배터리의 상태를 의미하며, 0에 가까울수록 노화된 배터리의 상태를 의미한다.

배터리의 SOH를 얻기 위한 중요 실험 데이터 정보는 방전용량과 내부저항이다. 방전 용량이란 의의 -rate 전류를 만충(滿充) 상태(fully-charged)에서 만방(滿妨) 상태(fully-discharged)까지 적용했을 때, 얻을 수 있는 전류적산 결과를 의미한다. 위의 실험조건이 동일할 시, 노화가 진행 될수록 배터리의 방전용량은 감소한다. 내부저항은 임의의 C-rate 전류에 따른 배터리 전압의 변화량을 옴(Ohm)의 법칙을 적용해 구하는 것으로서, 노화가 진행 될수록 배터리의 내부저항은 증가한다. 이러한 방전용량의 감소와 내부저항의 증가는 단지 노화진행에 따른 파라미터의 절대적인 값을 보여주는 것이며, 배터리의 노화상태를 SOH로 나타내기 위해서는 측정값과 상대적인 비교를 위한 기준값이 반드시 요구된다.

SOH를 얻기 위한 기준값은 방전용량과 내부저항이 유사하다. 임의의 배터리가 있을 때, 그 배터리의 현재 방전용량 및 내부저항 측정값을 CCurrent와 RCurrent라 정하자. 앞에서 노화되지 않은 상태를 Fresh라 정의한다 했으므로, 노화되지 않은 배터리의 방전용량과 내부저항은 CFresh와 RFresh이다. 더불어, 사용 불가능한 상태인 Aged를 이용해 CAged와 RAged로 나타낼 수 있다. 이때, 배터리의 전체 운용 가능한(Fresh-Aged) 방전용량과 내부저항 대비 현재 운용 가능한(Current-Aged)를 비교해 각 정보 기반의 SOH를 산출한다.

여기서 두 정보기반 SOH 모니터링의 가장 큰 차이점은 CAged와 RAged의 확보에 있다. 방전용량의 경우, CAged는 CFresh의 80% 값을 나타내며, 이는 국제적으로 통용하고 있는 규칙이다. 그렇지만, 내부저항의 경우, RAged의 구체적인 값이 정의돼 있지 않다. 방전용량이 CAged일 때의 내부저항 혹은 간단히 RFresh의 2~3배로 정의하기도 한다. 구체화된 RAged가 정의돼 있지 않으므로, 방전용량을 이용한 SOH 모니터링에 비해 더욱 연구가 진행 돼야 한다.

올바른 SOH 모니터링을 위해 추가로 고려돼야 할 사항은 바로 SOH 모니터링 시 방전용량과 내부저항은 100% 상관성이 존재하지 않는다는 점이다. 예를 들어, 두 배터리 A와 B가 있다고 가정한다면, 이는 곧 배터리 A의방전용량이 B의 방전용량보다 크다고 할 때, A의 내부저항이 B의 내부저항보다 작음을 의미하는 것은 아님을 나타낸다.

그러므로 배터리의 SOH를 산출하기 위해서는 방전용량과 내부저항을 모두 고려해야 하며, 배터리의 정격용량 기준에 따라 두 정보의 가중치를 달리해 SOH를 산출한다. 정격용량이 작은 소용량배터리의 경우, 방전용량보다 내부저항에 가중치를 두며, 반대로 대용량배터리의 경우 내부저항보다 방전용량에 가중치를 두어 SOH를 산출한다. 노화에 따른 방전용량과 내부저항의 100% 상관성이 아님에 따른 특징을 나타내기 위한 효율적 방법으로 볼 수 있다.

다음 칼럼에서는 배터리관리시스템에 사용되는 리튬계열 배터리의 종류와 특징에 대해 자세히 소개하고자 한다.

< 김종훈 교수 >
- 서울대학교 공학박사 (2012.2)
- 삼성SDI ES사업부 책임연구원 (2012.3~2013.8)
- 조선대학교 전기공학과 조교수 (2013.9~현재)
- 전력전자학회(KIPE) 전력전자학회지 편집위원(2016.1~현재)
- Journal of Power Electronics(JPE) Associate Editor(AE) (2015.1~현재)
- 전력전자학회(KIPE) 학술위원(2016.1~현재)
- 미국 전기전자공학회(IEEE) 정회원, 대한전기학회 정회원, 한국자동차공학회 정회원, 한국전기화학회 정회원




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