박근석
(Keun-Seok Park)
1iD
김시경
(Si-Kyung Kim)
2iD
강유식
(Yu-Sick Kang)
2iD
김기찬
(Ki-Chan Kim)
†iD
-
(Dept. of Southwestern Branch, Research Institute of Medium & Small Shipbuilding, Korea.)
-
(Dept. of Electrical, Electronic and Control Engineering, Kongju National University,
Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Electric propulsion ship, Electric propulsion system, ship power supply, Lithium-ion battery module
1. 서 론
글로벌 친환경 정책으로 리튬이온 배터리(LIB, Lithium-Ion Battery)의 상용화는 전기차, 자율주행차, 드론 등 e-모빌리티 산업의
흐름을 빠르게 변화시키고 지능형 서비스를 구축할 수 있도록 기여하였다. 또한 육․해상 모빌리티를 포함하여 전기 추진선박의 전원시스템까지 이르고 산업체
및 전문 연구진에 의해 다양한 연구가 진행되고 있다. 선박의 전기추진시스템은 추진 전동기의 토크 및 회전력을 선박의 추진 동력으로 공급하는 장치이며
각 요소가 인과적으로 구성되어 하나의 요소라도 문제가 발생한다면 추진성능을 상실하게 된다(1). 따라서 전기추진시스템의 설계와 제어기법은 주요 기술에 포함되며 특히, 전원시스템 설계기술은 선박의 추진 성능, 운항 시간, 안전에 직접적인 영향을
미치기 때문에 고난이도 기술이라고 할 수 있다. 리튬이온 배터리는 높은 전하량과 에너지 밀도로 크기에 비해 저장용량이 크고 메모리 현상이 없으므로
수명이 높은 편이나 양극 간 화학적 반응으로 열이 발생하고 과도한 충․방전은 오버슈트, 분리막 손상으로 내부 단락 시 열 폭주 및 폭발의 위험성을
갖는다(2)(3). 배터리 소재 관련 연구진은 열 폭주 및 폭발 위험성을 낮추기 위해 양극 활물질과 음극 활물질의 원자 구조, 성분 개발 연구가 진행되고 산업에서는
C-rate 제어, 냉각조건에 관한 연구가 진행되고 있다(4). 산업에서 전기추진 및 전원시스템 설계 방법은 기술보안으로 분류되어 공개되지 않으므로 본 논문에서는 산업에서 적용할 수 있는 선박 전기추진시스템과
전기추진시스템의 전원시스템에 적용할 수 있는 배터리 모듈의 설계방법을 제안하고자 한다. 또한 리튬이온 배터리 모듈 온도 실험과 충․방전 실험을 병행하여
설치영역 모듈의 온도 상승, 효율, 냉각의 필요성을 도출하였으며 전원시스템 설치 영역의 온도관리 범위와 냉각방법을 제안하였다.
2. 전기추진 및 전원시스템 설계
2.1 전기추진시스템 설계
선박 전기추진시스템은 엔진 회전축에 프로펠러를 결합하여 추진력을 갖는 기계 추진시스템과 달리 전동기 회전 샤프트에 프로펠러를 결합하여 전동기 토크,
회전력으로 선박의 추진력을 공급하는 동력원을 말한다. 선박은 출항과 저속에서 높은 침수표면적과 마찰저항을 갖게 되어 높은 토크와 낮은 회전력이 필요하고
활주를 위한 임계속도 이후는 선체가 부양력을 갖게 되어 침수표면적과 마찰저항이 감소하므로 낮은 토크와 높은 회전력을 필요로 한다. 전기추진시스템은
선박의 크기, 선형, 무게, 목표 속도 등을 반영하여 전동기 용량이 산출되고 전동기 용량에 따라 제어기, 전력변환장치 등의 용량이 결정되며 전동기,
전력변환장치 용량 및 선박의 운항시간을 고려하여 전원시스템이 설계된다. 전기추진시스템은 다수의 전력변환장치가 사용되고 전력계통에서는 전력변환장치의
비선형 동작으로 다양한 성분의 고조파와 노이즈가 발생한다. 전력 변환장치와 전기추진시스템에 관한 연구결과에 따르면 특수 선박과 해양플랜트 전력변환장치의
파형 왜곡, 고조파로 인한 오동작, 손실이 밝혀지고 추진시스템의 안정성을 높이기 위해 전원계통과 제어계통을 구분한 설계를 권장한다(5)(6). 따라서 전기추진시스템은 동력을 발생하는 750Vdc 추진 전원과 각 요소를 모니터링하고 제어하는 12Vdc 제어 전원을 구분하여 제어계통으로 유입되는
고조파, 이상전압을 제한하고 발생할 수 있는 리스크를 최소화 하였다. 전기추진선박에 적용할 수 있는 229kW 추진 전동기를 적용한 전기추진시스템은
그림 1과 같이 설계하였다.
그림. 1. 전기추진시스템 설계
Fig. 1. Design of Electric Propulsion System
전기추진시스템 추진 전원은 전원시스템의 480Vdc 전원을 부스터 컨버터로 출력하고 부스터 컨버터는 입력 전압을 750Vdc로 승압하여 정전압 컨버터로
출력한다. 부스터 컨버터는 스위칭 주파수가 고주파화 되어 주기적인 스위칭 손실과 전압변동이 발생할 수 있고 스위칭 손실을 감소시키기 위해 공진을 이루는
보조회로가 사용되기는 하나 구성이 복잡하고 어려움이 따른다
(7). 따라서 추진 전동기의 인버터로 안정적인 전원 공급을 위해 정전압 컨버터를 설치하여 전압변동, 고조파, 노이즈, 리플 잡음을 보완하였다. 부스터,
정전압 컨버터의 세부사양은
표 1,
2에 나타내었다.
표 1. 부스트 컨버터 세부사양
Table 1. Detailed Specifications of Boost Converter
|
Converting Type
|
DC-DC
|
Voltage Range
|
0~850Vdc
|
|
Nominal Voltage
|
750 Vdc
|
Nominal Current
|
135 A
|
|
Max. Power
|
220 kW
|
Max. Current
|
170 A
|
|
Cooling Temperature
|
(0~65)℃
|
Operating Temperature
|
(-40~85)℃
|
표 2. 정전압 컨버터 세부사양
Table 2. Detailed Specifications of Boost Converter
|
Converting Type
|
DC-DC
|
Voltage Range
|
0~850Vdc
|
|
Nominal Voltage
|
750 Vdc
|
Nominal Current
|
280 A
|
|
Max. Power
|
300 kW
|
Max. Current
|
350 A
|
|
Cooling Temperature
|
(0~65)℃
|
Operating Temperature
|
(-40~85)℃
|
2.2 전원시스템 설계
전기추진시스템의 안정적인 전원 공급을 위한 전원시스템은 그림 2와 같이 BMS와 8.3kWh 11개 전원모듈로 구성하였다. BMS는 그림 3과 같이 SOC, 온도, 전압, 전류 밸런싱 등의 모니터링으로 모듈 상태를 진단하고 각 모듈은 파라미터, 상태 변수, 전압, 수명 등에 따라 필요시
모듈 교체가 가능하다.
그림. 2. 전원시스템의 배터리 팩 설계
Fig. 2. Battery Pack Design for Power Systems
그림. 3. 전원 모듈의 제어 및 모니터링
Fig. 3. Control & Monitoring in the BMS
리튬이온 배터리는 충․방전 시 화학 반응으로 가역, 비가역 발열이 발생하고 충분한 냉각 조건 또는 설비가 없으면 전기 전도도, 전극 농도 등 상태
변수 및 내부 파라미터의 비선형 변화, 용량 불평형을 갖게 되며 용량, 수명 감소 등 악영향을 초래한다
(8). 또한 리튬이온 배터리는 내․외부 온도와 발열로 분리막의 임계온도를 초과하면 절연, 전극 구조 파괴, 전해액 과열, Off-gas 발생, 금속 프레임의
팽창, 변형, 전해액 누출을 야기하며 열 폭주 화재의 원인이 된다. 때문에 선박 운항 시 전원시스템 관리를 위한 적정 온도범위가 필요하다. 전기추진선박의
전원시스템 세부사양은
표 3과 같이 나타내었다.
표 3. 배터리 팩 세부사양
Table 3. Battery pack specification
|
Item
|
Description
|
Remark
|
|
Model
|
EB480-48X-192
|
|
|
Nominal Voltage
|
480.4 V
|
Design Spec.
|
|
Nominal Capacity
|
192 Ah
|
Design Spec.
|
|
Energy
|
92 kWh
|
|
|
Using Energy
|
73 kWh
|
|
|
Operating Voltage
|
(396~541) V
|
|
|
Charging Method
|
CC-CV
|
|
|
Configuration
|
11S 1P
|
480 Cell
|
|
Charging Current
|
63 A
|
0.33 C-Rate
|
|
Discharging Current
|
96 A
|
0.5 C-Rate
|
|
Max. Discharging Current
|
192 A
|
1.0 C-Rate
|
|
Weight
|
780 kg
|
± 10 kg
|
|
Communication
|
CAN 2.0A
|
|
3. 전원 모듈 설계 및 온도실험
3.1 전원 모듈 설계
전원 모듈은 리튬이온 배터리 21700 모델을 적용하였고 21700 모델은 18650의 2세대 모델로 부피 대비 용량이 증가하여 높은 에너지 밀도를
갖는다. 21700모델을 적용한 모듈은 그림 1와 같이 12직렬(S), 40병렬(P), 480개의 셀을 적용하여 그림 4와 같이 8.3kWh의 모듈을 설계하고 제작하였으며 세부사양은 표 4와 같이 나타내었다.
그림. 4. 리튬이온 배터리 모듈의 구성
Fig. 4. Configuration of the Lithium-ion Battery Module
표 4. 리튬이온 배터리 모듈 세부사양
Table 4. Detailed Specifications for Lithium-ion Battery Module
|
Item
|
Description
|
Remark
|
|
Nominal Voltage
|
43.68 V
|
Design Spec.
|
|
Nominal Capacity
|
192 Ah
|
Design Spec.
|
|
Energy
|
8.3 kWh
|
|
|
Using Energy
|
6.7 kWh
|
|
|
Operating Voltage
|
(36 ~ 49) V
|
|
|
Charging Method
|
CC-CV
|
|
|
Configuration
|
12S 40P
|
480 Cell
|
|
Charging Current
|
63 A
|
0.33 C-Rate
|
|
Discharging Current
|
96 A
|
0.5 C-Rate
|
|
Max. Discharging Current
|
192 A
|
1.0 C-Rate
|
|
Communication
|
RS-485 & CAN
|
|
3.2 리튬이온 배터리의 발열
리튬이온 배터리의 발열은 화학반응에서 전자와 원자 이온 증감의 에너지로 발생하는 비가역발열(Irreversible Heating)과 내부 양극, 음극의
화학에너지가 전기에너지로 변환 과정에서 발생하는 가역 발열(Reversible Heating)로 나타낼 수 있다(9). 비가역 발열(qirrev)은 전류(i)와 셀 저항(R)로 구성된 식(1)과 같이 표현할 수 있고 가역 발열(qrev)은 셀 온도(Tcell), 엔트로피 변화량(△S), 화학반응 시 이동되는 전자의 수(n), 페러데이 상수(F)가
결합된 식(2)와 같이 표현할 수 있으며 총 발열(qcell)은 식(3)과 같이 비가역 발열과 가역 발열의 합으로 나타낼 수 있다.
가열 발열은 양극, 음극 활물질의 화학적 파라미터가 필요하므로 도출이 매우 어렵지만 많은 실험적 연구를 통해 밝혀지고 있다.
식(1),
(2)에서 C-rate 영향을 받는 전류는 총 발열에서 비가역 발열이 가역 발열보다 지배적으로 높게 나타나고 C-rate가 일정하다고 가정하면
식(2)와 같이 외부온도(Tamb)의 영향을 받게 된다
(9)(10). 모듈 내부에서 셀 온도(Tcell)는 발열이 시작되면 전도, 대류조건에 의해 열 손실(qloss)이 발생되고 열 손실은 뉴턴의 냉각법칙을 적용하여
식(4)와 같이 나타낼 수 있다
(9). 여기서 A는 셀 표면적, h는 열전달계수를 의미하고 총 발열량(q)은
식(5)와 같이 나타내어진다.
3.3 전원 모듈 온도 실험
셀 발열은 식(1), (2)에서 나타낸 C-rate 전류가 지배적으로 차지하고 엔트로피 변화, 전자 수, 패러데이 상수 등의 영향은 거의 일정 값을 갖고 크기도 작아 일정한
C-rate를 유지하면 모듈의 관리온도 범위 도출이 가능하다. 리튬이온 배터리의 충전온도 범위는 (0~45)℃, 방전 온도 범위는 (-20~60)℃
이고 전원시스템 설치영역의 실내 온도는 (0~45)℃ 범위이다. 온도 실험은 전체 전원시스템을 대상으로 수행해야하나 온도 챔버 크기가 제한되어 단위
모듈로 실험을 실시하였다. 실험온도는 25℃, 35℃, 45℃로 설정하고 모듈을 항온 챔버 설치 후 설정온도를 구현하였으며 모듈의 온도 측정을 위해
K-type 열전대 2포인트를 설치하고 0.5초 주기로 데이터를 샘플링 하였다.
그림. 5. 시험장치 구성 및 설치
Fig. 5. Test Equipment Configuration & Installation
그림. 6. 리튬이온 모듈 충․방전 그래프
Fig. 6. Charge & Discharge Graph of Lithium-ion Module
외부 온도에 대한 모듈 온도 변화, 효율 측정을 위한 실험은
그림 5와 같이 구성하고 충전전압은 49.2V, 방전전압은 36.0V, 충전전류는 0.33 C-Rate를 적용한 63A, 방전전류는 0.5 C-Rate를
적용한 96A로
그림 6과 같이 충․방전조건을 부여하였다.
4. 실험결과 및 고찰
항온챔버는 강제대류 조건을 형성하여 설정 온도를 구현하고 챔버 내부 온도 25℃일 때 충․방전 조건 2cycle을 부여하고 내부 온도를 측정한 결과,
모듈의 내부 온도는 그림 7과 같이 초기 온도 22.4℃에서 최대 48.8℃까지 약 95.2% 상승하였고 35℃일 때는 그림 8과 같이 초기 33.2℃에서 최대 55.6℃까지 약 58.9% 상승하였으며 45℃일 때는 과열 및 발화에 대한 위험으로 충․방전 조건 1cycle을
부여하여 그림 9와 같이 초기 온도 43℃에서 56℃까지 약 24.4% 상승함을 확인하였다. 설정 온도별 측정 온도 변화는 표 5와 같이 나타내었다.
그림. 7. 25℃일 때 전원 모듈의 온도 상승
Fig. 7. Temperature Rise in the Lithium-ion Battery Module at 25℃
그림. 8. 35℃일 때 전원 모듈의 온도 상승
Fig. 8. Temperature Rise in the Lithium-ion Battery Module at 35℃
그림. 9. 45℃일 때 전원 모듈의 온도 상승
Fig. 9. Temperature Rise in the Lithium-ion Battery Module at 45℃
표 5. 배터리 모듈의 온도시험 결과
Table 5. Temperature rise test result of battery module
|
외부온도(℃)
|
초기온도(℃)
|
최고온도(℃)
|
변화온도(℃)
|
|
25.0
|
22.4
|
48.8
|
26.4
|
|
35.0
|
33.2
|
55.6
|
22.4
|
|
45.0
|
43.0
|
59.0
|
16.0
|
모듈의 측정 온도는 충․방전조건으로 발생되는 셀 발열, 전도, 대류, 열 손실의 합성 온도로 열 손실은 모듈 냉각으로 생각할 수 있다. 모듈 내부의
셀은
식(1),
(2) 전류에 따라 발열인자가 발열되어 전도되지만 제한된 C-rate로 발열은 한계를 갖게 되고 내․외부 온도는 개체 잠열에서 상승되지만 설정 온도의 강제
대류로 부분 냉각이 이루어진다고 판단할 수 있다. 온도조건별 충․방전 효율은
표 6과 같이 정리하였다.
표 6. 온도조건별 충․방전 효율
Table 6. Charging/discharging efficiency by temperature condition
|
외부온도(℃)
|
내부온도(℃)
|
충전량
(Wh)
|
방전량
(Wh)
|
효율(%)
|
|
25
|
48.8
|
7,290.168
|
6,942.694
|
95.2
|
|
35
|
55.6
|
7,282.077
|
6,946.200
|
95.3
|
|
45
|
59.0
|
7,323.816
|
6,944.150
|
94.8
|
선박의 상시 운항 C-rate와 전원시스템 설치영역의 온도를 적용한 온도 및 효율 실험 결과, 모듈은 설정 온도범위에서 적절한 온도를 유지하고 94.8%~95.3%의
효율이 나타나므로 전원시스템의 적용이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 설치영역의 온도가 45℃ 일 경우, 단일 모듈에서는 문제되지 않으나 다중 결합
모듈을 사용할 경우 잠열, 발열, 열 전도현상으로 고온의 위험성에 노출될 수 있고 인접 추진시스템에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 설치영역 온도는
40℃ 이하로 유지하는 것을 권장한다.
5. 결 론
전원시스템의 발열 및 온도실험은 추후 모듈이 아닌 시스템을 적용한 실험을 통해 배터리 시스템의 온도 특성과 보다 정확한 데이터로 검증할 필요가 있다.
그리고 전기추진선박 전원시스템의 설치영역은 25℃이하 저온일지라도 밀폐된 영역에서 추진시스템 및 전원시스템의 발열로 환경 온도가 고온으로 상승될 수
있고 화재 등의 사고 위험성을 갖기 때문에 지속적인 냉각이 요구된다. 냉각 방법은 자연냉각과 강제냉각으로 구분할 수 있다. 자연냉각은 선박 선수부에
필터를 구비한 송풍 인입구 설치로 선박 추진 시 충돌하는 공기저항을 설치영역으로 유도하여 냉각할 수 있고 강제 냉각은 보관실 열기를 외부로 방출할
수 있는 순환 또는 냉각설비를 설치함으로 냉각 공기를 순환시켜 40℃ 이하로 유지할 수 있다. 전기추진선박은 속도 향상을 위해 전동기 용량을 증가시키면
전원의 과다 소요로 운항시간이 단축되고 운항시간 향상을 위해 전원 용량을 증가시키면 선박의 전체 중량 증가로 침수표면적 및 마찰저항이 증가되어 속도가
제한되므로 선박의 제원과 목적을 반영한 최적화 설계가 요구된다. 전기추진시스템은 선박 운항과 선원 안전에 직접적인 영향을 미치는 고난이도 기술이므로
많은 연구진에 의한 충분한 실험, 보완, 운항 데이터 기반의 지속적인 데이터 분석과 기초연구가 필요하고 향후 전원시스템의 해상 실증으로 추진시스템
설계기술의 정립이 요구된다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 “산업집적지경쟁력강화-지역선도산업단지연계협력(P0024580)”사업의 지원을 받아 수행된 연구로서,
관계부처에 감사드립니다.
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저자소개
1982년 4월 24일생. 2009년 한밭대 전기공학과 졸업.
2011년 동대학원 전기공학과 졸업(석사).
2023년 동대학원 전기공학부 졸업(박사).
2015~현재 중소조선연구원 책임기술원.
E-mail : kspark@rims.re.kr
1977년 10월 12일생.
2004년 한밭대 전기공학과 졸업.
2009년 동대학원 졸업(석사).
2021년 공주대학교 전기전자제어공학부 박사과정.
E-mail : yskang1012@naver.com
1964년 5월 15일생.
1986년 고려대학교 전기공학과 졸업.
1988년 동대학원 전기공학과 졸업(석사).
1994년 Texas A&M University 졸업(박사).
1994년 ~현재 공주대학교 전기전자제어공학부 교수.
E-mail : skim@kongju.ac.kr
1972년 8월 8일생.
1996 한양대 전기공학과 졸업.
1998년 동대학원 전기공학과 졸업(석사).
1998년 ~2005년 현대중공업 전기기계연구소 선임연구원.
2008년 동대학원 전기공학과 졸업(박사).
2009년 ~현재 한밭대학교 전기공학부 교수.
E-mail : kckim@hanbat.ac.kr