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[에너지 칼럼] 배터리관리시스템의 중요 이슈 Ⅰ
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[에너지 칼럼] 배터리관리시스템의 중요 이슈 Ⅰ

기사입력 2016-03-03 10:23:44
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[에너지 칼럼] 배터리관리시스템의 중요 이슈 Ⅰ
조선대학교 전기공학과 김종훈 교수


[산업일보]
산업화에 따른 전기자동차 및 에너지저장장치 등 고전압 및 고용량 어플리케이션의 증가로 배터리의 사용이 더욱 증가하고 있으며, 더불어 배터리의 안정적 동작 및 효율적 운용을 위한 배터리관리시스템(Battery management system; BMS)이 각광받고 있다.

현재, 국내외 배터리 제조회사 및 이를 다루는 산업계에서 다양한 BMS를 연구 및 개발하고 있으며, 구현하는 방법에 따라 크게 하드웨어와 소프트웨어 분야로 나뉜다. 하드웨어 분야의 경우 배터리팩 내부를 구성하는 단위 셀 간 전압 및 충전상태(state-of-charge; SOC)의 균형을 위한 밸런싱(balancing) 회로기술, 빠른 충전을 위한 급속충전 회로기술, 고장검출 및 보호를 위한 회로기술 등이 대표적이며, 소프트웨어 분야의 경우 충전상태(SOC) 및 수명상태(state-of-health; SOH) 추정알고리즘, 온도관리시스템(thermal management system; TMS) 등이 활발히 연구되고 있다.

배터리의 최적 운용을 위해서는 특정 분야 및 특정 이슈가 아닌, 하드웨어와 소프트웨어 전 분야 및 모든 이슈의 유기적인 관계가 더욱 요구된다. 예를 들어, 저온 및 고온으로 인해 배터리의 상이한 전기화학적 특성을 잘 반영하기 위해서는 온도관리시스템 TMS가 반드시 필요하고, 이를 통해 상온기반 SOC 및 SOH 추정알고리즘에 온도특성을 적절히 반영할 수 있다.

이러한 BMS의 중요 이슈를 세 번에 걸쳐 간단히 살펴보도록 하고 각 이슈의 세부사항을 나중에 언급하고자 한다. 기본적으로, 배터리는 입력(전류) 및 출력(전압) 관계를 가지는 하나의 시스템으로 정의할 수 있으며, 온도에 따라 시스템의 특성이 달라진다. 시스템, 곧 배터리의 정확한 특성파악을 위해서는 무엇보다도 전류, 전압, 온도데이터의 모니터링이 필수적이다. 더불어, 단위 셀의 직렬 및 병렬조합으로 구성되는 배터리팩의 단위 셀 모니터링은 단위 셀 간 불균형 파악 및 이의 최소화, 더 나아가 배터리팩의 효율적 운용을 위해 반드시 필요한 이슈이다.

장시간 배터리팩의 충전 및 방전 시 단위 셀 간 전압 및 SOC 불균형을 피할 수 없으며, 이를 위해 밸런싱 회로기술이 필요하다. 상이한 전압 및 SOC를 하나의 값으로 맞추기 위한 밸런싱 기술은 크게 수동(passive) 밸런싱 및 능동(active) 밸런싱으로 나뉜다. 수동 밸런싱은 저항을 사용하는 방법으로서 가격 및 간단한 구현에서 장점을 가지며, 능동 밸런싱의 경우 변압기(transformer)를 사용하며 정확도 측면에서 장점을 가진다. 각 밸런싱 방법에 따라 장단점이 있으므로, 어플리케이션의 용도 및 사용되는 배터리팩의 단위 셀 구성에 따라 최적 성능을 위한 밸런싱이 선택된다.

밸런싱 회로기술을 사용하지 않고, 애초에 효율적 배터리팩을 구성하기 위한 스크리닝(screening)이 활발히 연구되고 있다. 수많은 단위 셀의 여러 특성실험 및 분석을 통해 유사한 전기화학적 특성(예: 내부파라미터)을 가지는 단위 셀의 선별 및 배터리팩을 구축하는 기술을 말한다. 스크리닝을 위한 기본적인 특성실험은 전류적산법 기반 방전용량과 hybrid pulse power characterization(HPPC) 혹은 direct current internal resistance(DCIR) 기반 내부 저항정보를 얻기 위함이다. 스크리닝을 고려한 배터리팩의 사용은 장시간 충전 및 방전에 따른 단위 셀 간 불균형 발생을 늦출 수 있으며, 추가적인 밸런싱 회로기술이 요구되지 않는다. 그렇지만, 앞에서 언급했듯이 스크리닝을 고려한 배터리팩도 언젠가는 내부의 셀 간 전압 및 SOC 불균형이 피할 수 없으므로, 이의 해결을 위해서 수동 밸런싱을 고려하기도 한다. 밸런싱 정확도 측면에서 능동 밸런싱이 더욱 우수하나, 스크리닝 기반 배터리팩의 셀 간 전압 및 SOC 불균형은 수동 밸런싱 만으로도 충분히 해결할 수 있다.

다음 칼럼에서는 예기치 않은 과충전(over-charge) 및 과방전(over-discharge)을 방지하기 위한 충전상태 모니터링(SOC 추정알고리즘), 사용 가능한 기간 정보를 제공하는 수명상태 모니터링(SOH 추정알고리즘)에 대해 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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