2.1 ESS용 리튬이온전지의 셀프에너지 밸런싱 특성

일반적으로, 리튬이온전지는 그림 1과 같이 운용 사이클이 증가할수록, 내부저항이 증가하고 전체 용량이 감소하는 특성을 가진다^(11-13). 여기서, 그림 1(a)는 운용 사이클별 내부저항 특성을 나타낸 것으로, 리튬이온전지의 운용 사이클이 증가할수록 열화로 인한 내부저항이 증가하게 된다. 또한, 그림 1(b)는 운용 사이클에 따른 용량의 변화를 나타낸 것으로 운용 사이클이 증가할수록 리튬이온전지의 용량이 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 리튬이온전지의 열화현상은 다양한 충·방전 조건과 복잡한 화학특성에 의해 발생하기 때문에 같은 공간에서 동일한 기간 동안 운용한 셀이라도 열화의 정도가 달라지기 때문에 내부저항 및 용량 감소로 인한 셀 간의 전압편차가 발생하게 된다.

그림. 1. 리튬이온전지의 운용 사이클에 따른 내부저항 및 용량 특성

Fig. 1. Internal resistance and capacity characteristics of Li-ion battery with operation cycle

상기의 리튬이온전지 열화 특성으로 인하여, ESS용 리튬이온전지는 운용 중에 셀 간 열화 편차에 의한 SOC의 차이가 발생하여, 그림 2와 같이 SOC가 높은 정상 셀들(N-1~N-4)로부터 SOC가 낮은 열화 셀(A)로 전류가 이동하여, 열화 셀을 과충전 시킬 수 있는 셀프에너지 밸런싱 현상이 발생할 수 있다. 또한, 그림 3은 랙 간에 발생하는 셀프에너지 밸런싱 개념도이며, 정상 셀로 구성된 다수의 랙에서, 열화 셀이 포함된 랙으로 셀프에너지 밸런싱 현상이 발생할 수 있다. 즉, 셀프에너지 밸런싱에 의한 과충전은 병렬로 연결된 셀들 또는 랙간에 발생하여, 기존의 전압을 검출하여 감시하는 BMS(battery management system)의 기능으로 배터리를 보호할 수 없게 된다.

그림. 2. 셀 간의 셀프에너지 밸런싱 개념도

Fig. 2. Concept of self-energy balancing between cells

그림. 3. 랙 간의 셀프에너지 밸런싱 개념도

Fig. 3. Concept of self-energy balancing between racks

2.2 셀프에너지 밸런싱을 고려한 BMS의 운용알고리즘

본 논문에서는 ESS의 안전성을 향상시키기 위하여, 병렬 연결된 셀 간 전압편차에 의해 발생되는 셀프에너지 밸런싱 현상을 고려한 BMS의 회로구성을 그림 4와 같이 제안한다. 이 그림에서와 같이, 기존의 직렬 연결된 셀들의 전압과 온도를 측정하는 방식에 추가적으로 병렬 연결된 셀의 전류를 측정하는 계측기와 셀 간의 병렬연결을 차단할 수 있는 보호장치를 설치하여 구성한다. 이러한 구성은 병렬 연결된 셀들의 SOC 편차에 의하여 발생할 수 있는 셀프에너지 밸런싱 전류을 검출할 수 있고, 보호장치를 동작하여 밸런싱 전류를 차단할 수 있어, BMS의 안전성을 향상시킬 수 있다.

그림. 4. 제안한 리튬이온전지용 BMS의 구성

Fig. 4. Proposed configuration of BMS for li-ion battery

또한, 배터리 랙은 용도에 따라 필요로 하는 전압과 용량을 얻기 위하여 여러 리튬이온전지의 셀들이 직·병렬로 조합되어 구성된다. 그러나, 병렬 연결된 셀들의 SOC 상태가 서로 다른 경우, SOC가 높은 셀에서 낮은 셀로 에너지가 이동하는 셀프에너지 밸런싱 현상이 발생할 수 있다. 특히, 구성된 셀들 중에 열화되거나 편차가 큰 셀이 있는 경우, 이 셀은 과충전되어, 열폭주가 발생하여 화재의 원인이 될 수 있다. 이러한 셀프에너지 밸런싱을 고려한 BMS의 운용알고리즘을 나타내면 다음과 같다.

[Step 1] 대상 배터리 랙의 측정요소 및 제어판단 범위를 상정하고, 측정 시간대 t를 초기 값으로 설정한다.

[Step 2] t 시간대에서의 대상 배터리 랙에 대하여, 각 셀의 전압, 전류, 온도를 측정하고, 셀의 상태가 정상범위에 있는지 판단한다. 여기서, 셀의 상태가 정상인 경우에는 PCS가 운전대기 상태인지 확인하고, 대기 중이면 셀프에너지 밸런싱 전류($I_{self}$)가 설정치를 초과하는지 평가한다.

[Step 3] [Step 2]에서 셀의 상태가 비정상이거나 셀프에너지 밸런싱 전류($I_{self}$)가 설정치를 초과하는 경우, 모듈 간 병렬연결을 분리하는 개폐장치를 동작시키고, 해당 배터리 랙의 개폐장치도 분리시킨다. 한편, 셀의 상태가 정상범위에 있고, PCS가 충전 또는 방전운전을 하는 경우에는 [Step 2]로 넘어가 해당 과정을 반복한다.

[Step 4] [Step 3]에서 셀프에너지 밸런싱 전류($I_{self}$)가 설정치 미만인 경우, 모든 셀의 전압 편차가 기준치를 초과하는지 판단하고, 초과하면 셀 밸런싱을 수행한 후, [Step 2]로 진행한다.

[Step 5] [Step 4]에서 셀의 전압 편차가 기준값 미만인 경우에는 운용 시간대 t가 최대값인지 확인하고, 최대값에 도달하면 해당 배터리 랙의 개폐장치를 분리시킨다.

상기의 BMS 운용알고리즘을 플로우차트로 나타내면 그림 5와 같다.

그림. 5. 셀프에너지를 고려한 리튬이온전지용 BMS의 운용 알고리즘

Fig. 5. Operation algorithm of BMS for Li-ion battery considering self-energy balancing

3.1 배터리부

배터리부는 리튬이온전지 및 BMS로 구성되는데, 먼저 리튬이온전지는 그림 6과 같이 전압원과 내부저항 등의 등가회로로 구성된다⁽¹⁴⁾. 여기서, $E_{bat}(t)$는 배터리의 기전력, $V_{bat}(t)$는 배터리의 단자전압 그리고 $R_{bat}$은 배터리의 내부저항을 나타낸다.

그림. 6. 리튬이온전지 등가회로

Fig. 6. Equivalent circuit of Li-ion battery

구체적으로, 배터리의 기전력 $E_{bat}(t)$는 SOC의 역함수와 지수함수의 조합으로 나타내며, 여기서 SOC는 배터리 전체 용량 대비 현재 충전용량의 상태를 의미한다. 또한, 배터리 단자전압 $V_{bat}(t)$는 기전력 $E_{bat}(t)$에서 내부저항에 의한 전압강하를 뺀 값이며, 이를 수식으로 나타내면 식(1) ~ 식(3)과 같다.

여기서, $E_{bat}(t)$: 배터리 기전력, $E_{0}$: 배터리 전압 상수, $K$: 양극화 상수, $Q$: 배터리 용량, $A$: 지수함수 크기 상수, $B$: 반전지수함수 시간 상수, $SOC$: 충전상태[\%], $V_{bat}(t)$: 배터리 전압, $R_{bat}$: 배터리 내부저항, $I_{bat}(t)$: 배터리 전류

따라서, PSCAD/EMTDC를 이용하여 배터리부를 모델링하면 그림 7과 같으며, A부분은 리튬이온전지, B부분은 BMS를 나타낸다. 여기서, 리튬이온전지는 PSCAD/EMTDC의 라이브러리를 이용하고, BMS는 설정된 SOC 및 배터리 전압이 적정범위를 벗어나면 배터리의 회로를 차단하도록 제어하며, 전류를 적산하여 SOC 및 용량을 계산한다.

그림. 7. 배터리부 모델링

Fig. 7. Modeling of Li-ion battery section

3.2 충전기부

리튬이온전지의 충전기부를 모델링하면 그림 8과 같으며, 가장 일반적인 충전방식인 CC-CV 방식을 적용한다. 즉, 배터리의 전압이 일정한 전압(SOC의 85% 정도)에 도달할 때까지 동일한 전류(CC방식)로 충전되며, 이후 미리 설정한 충전 상한 전압(SOC의 100%)까지 일정한 전압(CV방식)으로 충전된다.

그림. 8. 충전기부 모델링

Fig. 8. Modeling of charger section

3.3 셀프에너지 밸런싱부

정상 셀과 열화 셀 간의 셀프에너지 밸런싱 특성을 분석하기 위한 시험장치부는 그림 9와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 시험장치부는 병렬로 연결된 정상 셀 unit과 열화 셀 unit을 스위치를 이용하여 구성하며, 정상 셀과 열화 셀 사이의 셀프에너지 밸런싱에 의한 전류의 흐름으로 모의한다.

그림. 9. 셀프에너지 밸런싱 시험장치부 모델링

Fig. 9. Modeling of test device for self-energy balancing

3.4 전체 시스템부 모델링

상기에서 제시한 모델링을 바탕으로 전체시스템은 그림 10과 같이 나타낼 수 있으며, 구체적으로 배터리부, 충전기부, 셀프에너지 밸런싱 시험장치부로 구성된다.

그림. 10. 전체 시스템부 모델링

Fig. 10. Modeling of entire system

4.1 배터리부

배터리부는 4직렬 4병렬(4s4p)로 조합된 리튬이온전지 unit으로 구성되고 14.8[V]의 정격전압과 8.8[Ah]의 용량, 16.8[V]의 상한 충전 전압, 11[V]의 하한 방전 전압을 가지며, 이에 대한 상세한 사양은 표 1과 같다. 또한, 정상 셀과 열화 셀의 비율은 1:1과 4:1로 상정한다.

4.2 충전기부

리튬이온전지를 충전하기 위한 충전기부는 그림 11과 같이, 승압용 변압기, 입력 Reactor, AC/DC 컨버터, DC/DC Buck 컨버터, 출력 Filter, 등으로 구성되며, 단상 AC 입력전압을 변압기로 승압하고, DC로 변환하여 배터리에 공급한다.

그림. 11. 충전기부 구성도

Fig. 11. Configuration of charger section

4.3 셀프에너지 밸런싱부

셀프에너지 밸런싱 시험장치부는 그림 12와 같이, 정상 셀 unit 및 열화 셀 unit과 스위치 및 계측장치로 구성된다. 여기서, 정상 셀과 열화 셀에 대한 비율은 1:1에서 4:1까지 비율을 변경하여 시험을 수행한다.

그림. 12. 셀프에너지 밸런싱 시험장치부 구성도

Fig. 12. Configuration of test device for self-energy balancing

4.4 BMS 부

BMS는 그림 13과 같이 LABVIEW S/W를 이용하여 구성한다. 여기서, BMS는 데이터 측정 및 기록부, SOC 및 셀프에너지 밸런싱 측정부, 회로보호부, SOH 측정부로 구성되며, DAQ 모듈을 이용하여 리튬이온전지의 전압, 전류 및 SOC를 측정한다. 또한, BMS는 과전압, 저전압, 과전류, 과온도, 셀프에너지 밸런싱 등이 발생되는 경우 회로를 차단하는 보호기능을 가진다. 또한, 그림 14는 BMS의 메인메뉴를 나타내며, 각 전지의 전압, 전류, 온도, SOC, SOH, 셀 밸런싱, 셀프에너지 밸런싱 등의 정보를 사용자가 쉽게 확인할 수 있도록 구성한다.

그림. 13. Labview S/W를 이용한 BMS 구성도

Fig. 13. Configuration of BMS using Labview S/W

그림. 14. Labview S/W를 이용한 BMS의 메인메뉴

Fig. 14. Main menu of BMS based on Labview S/W

4.5 전체 시스템

전체 시스템은 그림 15와 같이 나타낼 수 있으며 배터리부(A)와 충전기부(B), 셀프에너지 밸런싱 시험장치부(C) 등으로 구성된다. 여기서, 리튬이온전지는 그림 15의 A-1과 같이 정상 셀 unit와 열화 셀 unit로 구성되고, BMS는 그림 15의 A-2와 같이 리튬이온전지의 모니터링 및 보호제어를 수행한다. 또한, 충전기부는 CC-CV 방식을 이용하여 리튬이온전지의 충전동작을 수행하며, 셀프에너지 밸런싱 시험장치부는 정상 셀과 열화 셀의 비율에 따라, 특성시험을 수행한다.

그림. 15. 전체 시험장치부 구성도

Fig. 15. Configuration of entire system

5.1 시뮬레이션 및 시험 조건

정상 셀과 열화 셀 간의 셀프에너지 밸런싱의 특성을 분석하기 위한 시뮬레이션 및 시험 조건은 표 3과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 정상 셀의 내부저항은 제조사에서 제공하는 값인 0.11[Ω]으로 상정하고, 열화 셀의 내부저항은 수명 가속시험에 의하여 10% 열화 된 0.158[Ω]으로 상정한다. 또한, 충전시에는 4s4p의 unit으로 구성된 정상 셀들과 4s4p의 unit가 4병렬로 구성된 열화 셀 unit로 구성해 각각 충전하고, 상한 충전 전압인 16.8[V]에 도달할 경우, 충전을 종료하며 1시간 이상의 휴지기간을 가진다. 한편, 셀프에너지 밸런싱 시험 시에는 충전된 정상 셀 unit과 열화 셀 unit을 병렬로 연결하여 1:1에서 4:1까지 비율을 변경하여 시험을 수행한다. 단, 시뮬레이션에서는 정상 셀 unit과 열화 셀 unit을 16:1과 64:1까지 병렬로 구성하여 시험한다.

5.2 PSCAD/EMTDC를 이용한 셀프에너지 밸런싱 특성분석

5.2.1 리튬이온전지의 열화 특성분석

3장에서 제시한 모델링에 의하여 정상 셀 및 열화 셀 unit의 충전 특성을 나타내면 그림 16, 그림 17과 같다. 여기서 그림 16은 정상 셀 unit의 충전 특성이고, SOC는 100[%], 용량은 8.8[Ah]로 나타나며 전압과 전류의 충전 특성이 제조사(ICR18650)에서 제시한 셀의 충전 특성과 유사함을 알 수 있다. 또한, 그림 17은 열화 셀 unit의 충전 특성이고, 열화 셀 unit의 SOC는 90[%], 용량은 8[Ah]로 나타남을 알 수 있다. 즉, 열화 셀 unit의 경우 열화로 인해 내부저항이 증가하여, 정상 셀 unit에 비해 SOC가 약 10[%]만큼 감소함을 알 수 있다.

그림. 16. 정상 셀 unit의 충전 특성

Fig. 16. Charging characteristics of normal cell unit

그림. 17. 열화 셀 unit의 충전 특성

Fig. 17. Charging characteristics of aged cell unit

5.2.2 셀프에너지 밸런싱 특성분석

5.1의 시뮬레이션 조건을 바탕으로 셀프에너지 밸런싱 특성을 분석하면 그림 18 ~ 그림 20과 같다. 먼저, 그림 18은 정상 셀 unit와 열화 셀 unit의 비율이 1:1일 때 셀프에너지 밸런싱 특성을 나타내며 휴지기간을 가진 후 정상 셀 unit와 열화 셀 unit은 각각 16.47[V], 16.14[V]으로 산정된다. 또한, 셀프에너지 밸런싱 전류가 정상 셀 unit에서 열화 셀 unit로 최대 0.44[A]만큼 흘러 들어가며, 이로 인해 열화 셀 unit의 SOC는 0.6[%]만큼 증가하여 열화 셀의 과충전 현상이 발생할 가능성이 있음을 알 수 있다.

그림. 18. 셀프에너지 밸런싱 특성(1:1)

Fig. 18. Characteristics of self-energy balancing(1:1)

또한, 그림 19는 정상 셀과 열화 셀의 비율이 4:1일 때 셀프에너지 밸런싱 특성이며, 휴지기간을 가진 후 정상 셀 unit와 열화 셀 unit는 각각 16.47[V], 16.14[V]으로 산정된다. 한편, 셀프에너지 밸런싱 전류는 정상 셀 unit에서 열화 셀 unit로 최대 0.88[A]만큼 흘러 들어가, 열화 셀의 과충전 현상이 발생함을 알 수 있다. 따라서, 정상 셀과 열화 셀의 비율이 증가하면, 셀프에너지 밸런싱 전류도 상승하여 열화 셀의 과충전 현상이 심각해짐을 알 수 있다.

그림. 19. 셀프에너지 밸런싱 특성(4:1)

Fig. 19. Characteristics of self-energy balancing(4:1)

한편, 그림 20은 정상 셀 unit와 열화 셀 unit의 비율이 16:1과 64:1의 셀프에너지 밸런싱 전류 특성을 나타낸다. 여기서, 그림 20(a)는 비율이 16:1인 경우이고, 그림 20(b)는 비율이 64:1인 경우이다. 즉, 정상 셀 uni와 열화 셀 unit의 비율이 16:1과 64:1 일 때, 셀프에너지 밸런싱 전류는 각각 최대 1.75[A], 3.52[A]로 산정된다. 따라서, 정상 셀과 열화 셀의 비율이 증가할수록, 셀프에너지 밸런싱 전류도 비례적으로 상승하여 열화 셀의 과충전 현상에 의하여 리튬이온전지의 열폭주 원인이 될 수 있음을 알 수 있다.

그림. 20. 셀프에너지 밸런싱 전류 특성

Fig. 20. Current characteristics of self-energy balancing

5.3 BMS 시험장치에 의한 셀프에너지 밸런싱 특성분석

5.3.1 리튬이온전지의 열화 특성분석

4장에서 구현한 BMS 시험장치에 의하여 정상 셀 및 열화 셀 unit의 충전 특성을 나타내면 그림 21과 같다. 여기서 그림 21의 A 곡선은 정상 셀 unit의 충전 특성이고, 용량은 8.8[Ah]가 산정되어, 제조사(ICR18650)에서 제시한 셀의 충전 특성과 용량 특성이 유사함을 알 수 있다. 또한, 그림 21의 B 곡선은 열화 셀 unit의 충전 특성이고, 용량은 8[Ah]로 나타남을 알 수 있다. 즉, 열화 셀 unit의 경우 내부저항이 증가하여, 정상 셀 unit에 비해 용량이 약 10[%] 정도 감소함을 알 수 있다.

그림. 21. 정상 셀 및 열화 셀 unit의 충전 특성

Fig. 21. Charging characteristics of normal and aged cell unit

5.3.2 셀프에너지 밸런싱 특성분석

5.1의 시험 조건을 바탕으로 셀프에너지 밸런싱 특성을 분석하면 그림 22와 그림 23과 같다. 먼저, 그림 22(a)는 정상 셀 unit과 열화 셀 unit의 비율이 1:1일 때 셀프에너지 밸런싱의 전압 특성을 나타낸 것이며, 정상 셀 unit과 열화 셀 unit의 단자전압은 각각 16.47[V], 16.13[V]으로 산정된다. 한편, 그림 22(b)는 셀프에너지 밸런싱의 전류 특성을 나타낸 것으로, 정상 셀 unit에서 열화 셀 unit로 최대 0.44[A] 만큼의 전류가 흘러 들어가, 열화 셀의 과충전 현상이 발생할 수 있음을 알 수 있다.

그림. 22. 정상 셀 및 열화 셀(1:1)간의 셀프에너지 밸런싱 특성

Fig. 22. Characteristics of self-energy balancing between normal and aged cell unit(1:1)

또한, 그림 23은 정상 셀 unit와 열화 셀 unit의 비율이 4:1일 때 셀프에너지 밸런싱의 특성을 나타낸 것이다. 여기서, 그림 23(a)는 정상 셀 unit와 열화 셀 unit의 전압 특성을 나타낸 것으로 각각 16.47[V], 16.13[V]으로 산정되고, 그림 23(b)는 셀프에너지 밸런싱의 전류 특성을 나타낸 것으로, 정상 셀 unit에서 열화 셀 unit로 최대 0.88[A] 만큼의 전류가 유입되어, 열화 셀 unit에서 과충전 현상이 발생 할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 정상 셀과 열화 셀의 비율이 증가하면, 셀프에너지 밸런싱 전류도 비례적으로 증가하여, 열화 셀에서 과충전 현상이 발생할 수 있음 있음을 알 수 있다.

그림. 23. 정상 셀 및 열화 셀(4:1)간의 셀프에너지 밸런싱 특성

Fig. 23. Characteristics of self-energy balancing between normal and aged cell unit(4:1)

5.4 셀프에너지 밸런싱을 고려한 BMS 특성분석

정상 셀 unit과 열화 셀 unit간의 셀프에너지 밸런싱을 방지하기 위하여, 제안한 운용 알고리즘을 바탕으로 셀프에너지 밸런싱 차단 시험을 수행하면 그림 24와 같다. 여기서, 그림 24(a)는 셀프에너지 밸런싱 발생에 따른 정상 셀 unit과 열화 셀 unit의 전압 특성이며, 그림 24(b)는 전류 특성을 나타낸 것이다. 이 그림에서와 같이, 셀프에너지 밸런싱 전류가 기준치를 초과하면, 제어 장치에 의하여 정상 셀 unit과 열화 셀 unit사이의 회로를 차단하여, 셀프에너지 밸런싱이 방지됨을 알 수 있다. 따라서, 셀프에너지 밸런싱이 발생할 경우, 구현한 BMS에 의하여 보호회로가 동작되어, 셀프에너지 밸런싱 전류를 안전하게 차단할 수 있으므로, 제안한 운용알고리즘의 유용성을 확인할 수 있었다.

그림. 24. 제안한 BMS의 셀프에너지 밸런싱 특성

Fig. 24. Self-energy balancing characteristics with proposed BMS