방수철
(Su-Chul Bang)
1
윤용호
(Yong-Ho Yoon)
†iD
-
(Department of Electrical Engineering, Gwangju University, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Lithium-ion Battery, Testing Facility, Battery-Specific Bidirectional DC Power Supply, Charging/Discharging Characteristics
1. 서 론
산업화가 진행됨에 따라 여러 전기기기의 휴대화가 진행되고 있다. 이러한 현황에 따라 전기기기들의 휴대화에 핵심적인 요소인 배터리에 관한 연구가 활발하게
이루어지고 있다. 또한 이차전지는 그림 1과 같이 전기자동차의 지속적인 운영, 회생 에너지를 통한 재충전 및 재생산, 신재생에너지를 활용한 에너지 저장, 배터리 재활용 등의 분야에서 미래
산업의 핵심적인 역할을 담당하고 있다. 따라서 이차전지의 기술적 경향에 맞춰 이를 해결하고 적용할 수 있는 새로운 제품들이 시장에 출시되고 있다.
현재 주로 사용되고 있는 배터리는 이차전지인 리튬이온 배터리로 스마트폰, 전기자동차 (EV, Electric Vehicle), 전동킥보드, ESS
등 일상생활과 밀접한 여러 분야에서 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 장점으로 사용되고 있다(1).
하지만 이러한 리튬이온 배터리는 과방전 시 수명 감소의 원인이 될 수 있다. 과방전이 심할 경우 단기간에 내부 단전지가 완전히 방전되어 영구적인 손상을
일으켜 재충전할 수 없는 상태에 도달하는 경우가 있다. 또한, 과충전 시 배터리의 수명 감소 및 보호회로의 고장원인이 되어 파열, 화재, 폭발 등
여러 사고의 원인이 될 수 있다.
그림 1 이차전지의 핵심영역
Fig. 1 Core areas of secondary batteries
그림 2는 소방청의 국가화재정보시스템에서 제공한 2022년 전기설비 전국 화재 발생 건수를 보여주고 있다. 현재 배터리에 의한 화재 건수는 배전반/분전반
화재 사고 다음으로 전국에서 많이 발생하고 있다(2). 이러한 배터리 화재의 원인으로 외부 가열에 의한 과열과 과충전이 주된 문제로 언급되고 있다.
외부 가열로 인한 배터리의 화재와 다르게 과충전에 의한 배터리 화재의 경우 충ㆍ방전 특성을 BMS(Battery Management System)에
의해 제어하여 화재로부터 보호할 수 있다(3).
따라서 본 논문에서는 리튬이온 배터리의 충ㆍ방전에 따른 특 성을 살펴보기 위해 시험장비를 설계 및 제작하였다(4). 이러한 장비를 이용하여 리튬이온 배터리의 정상범위 내의 충전 및 방전 특성을 분석하여 배터리의 신뢰성 및 안전성을 살펴보았다. 그리고 과충전 과방전에
따른 배터리의 수명 감소, 보호회로 고장에 대한 최소화로 기계 기구의 손상과 화재 및 인명피해를 줄이고자 한다.
그림 2 2022년 전기설비 전국 화재 발생 건수
Fig. 2 Number of fire incidents in electrical facilities in South Korea in 2022
2. 리튬이온 배터리 성능분석을 위한 시험설비
배터리를 제조하는 기술 발전으로 이차전지 배터리의 크기는 점점 작아지면서 효율성이 높아지고 있다. 따라서 이러한 기술개발 속도에 맞춰 이차전지 배터리
성능시험은 특성, 수명, 고장진단, 재활용 등의 다양한 시험방법을 요구하고 있다. 또한 배터리의 안전과 적절한 기능을 보장하기 위한 배터리 테스트
시스템 구축과 이에 따른 지침 및 올바른 기본지식이 고려되고 있다(5). 따라서 본 논문에서는 리튬이온 배터리의 충ㆍ방전에 따른 성능을 분석하기 위해 배터리 테스트 시스템을 다음의 내용들로 구성하였다.
2.1 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치(6,7)
리튬이온 배터리의 신뢰성을 분석하기 위하여 일정시간 충ㆍ방전에 따른 배터리의 응답특성과 방전진행+방전정지(방전전류 on+방전전류 off)를 반복 시
다이나믹 특성을 살펴보아야 한다. 또한 시험설비에 대한 성능 및 신뢰성을 파악하고자 배터리 충전을 위한 전원공급과 배터리 방전 제어 사이를 원활한
전환 및 과도한 충ㆍ방전에 따른 배터리의 수명 감소와 손상을 방지하기 위한 제어가 가능한 충ㆍ방전기가 필요하다.
따라서 본 논문에서는 리튬이온 배터리 성능분석을 위해 하드웨어로 구성한 시험설비를 Elektro-Automatik에서 제작한 배터리 전용 양방향 DC
전원공급장치(EA-PSB 9360-40)를 충ㆍ방전기로 사용하였다.
리튬이온 배터리는 그림 3과 같이 충전 시 전류는 일정하게 흐르면서 전압이 증가하면서 충전이 진행된다. 이후 충전전압에 도달하게 되면 배터리의 과충전을 방지하기 위하여 충전전압은
일정하면서 전류가 감소하여 종지 전류에서 종료하는 정전류/정전압 (Constant Current/Constant Voltage, CC/CV) 방식으로
충전된다(6). 따라서 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치를 이용하여 리튬이온 배터리를 충전하기 위해 충전전류, 충전전압, 충전종지전류를 그림 6(a)와 같이 설정할 수 있다(8).
리튬이온 배터리의 방전은 그림 4와 같이 설정한 방전전류의 정전류(Constant Current, CC) 값을 방전 종료 때까지 계속 유지하면서 시간에 따라 배터리 전압이 감소하는
특성이 있다. 또한 설정한 방전종지전압(cut-off) 값에 도달 시 정전류로 흐르던 방전전류가 0A가 됨으로써 방전이 종료된다. 따라서 일정한 전류를
지속해서 정전류 (CC)로 방전하는 특성을 바탕으로 리튬이온 배터리를 방전시키기 위한 조건으로 방전전류, 방전종지전압, 전력 제한값들을 그림 6(b)와 같이 설정할 수 있다(8).
그림 3 리튬이온 배터리의 충전특성
Fig. 3 Charging characteristics of lithium-ion batteries
그림 4 리튬이온 배터리의 방전특성
Fig. 4 Discharge characteristics of lithium-ion batteries
그림 5 다이나믹 방전 시 리튬이온 배터리 방전특성
Fig. 5 Lithium-ion battery discharge characteristics during dynamic discharge
그림 5는 설정한 방전전류를 방전진행 시간동안 0.5duty 값을 가지면서 방전진행+방전정지(방전전류 on+방전전류 off)가 반복된다. 이러한 반복을 통해
배터리가 경험하는 주기적인 부하와 휴식을 모방하는 다이나믹 방전 시 리튬이온 배터리 방전특성을 살펴볼 수 있다. 따라서 이러한 스트레스성 다이나믹
실험조건을 통해 시험품인 리튬이온 배터리와 BMS의 신뢰성과 안전성의 정도를 평가할 수 있다(9,10).
그림 6(c)는 충ㆍ방전시 배터리의 전압, 전류, 전력, 배터리 용량에 대한 실시간 상태정보들을 그래프로 보여주고 있으며 데이터 저장을 통해 배터리의 충ㆍ방전에
따른 특성을 시간축 개념에서 자세히 분석할 수 있다.
그림 6 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치를 이용한 리튬이온 충방전
Fig. 6 Lithium-ion charging and discharging using a battery-specific bidirectional
DC power supply
2.2 시험설비 구성
배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치를 이용하여 시나리오별로 리튬이온 배터리를 충ㆍ방전실험을 하기 위하여 그림 7과 같이 시험설비를 구성하였다. 구성한 시험설비는 계통전원을 입력으로 하여 AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터로 이루어진 배터리 전용 양방향 DC
전원공급장치에 시험품인 리튬이온 배터리를 연결하는 구조로 이루어져 있다.
그림 7에서 리튬이온 배터리 충전 시 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치의 구성품인 AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터를 통해 전력 변환된 충전전압,
충전전류, 충전종지전압값에 의해 충전이 이루어진다. 반면에 리튬이온 배터리에 충전된 전압을 방전시킬 경우 설정한 방전전류, 방전종지전압에 의해 순차적으로
DC-DC 컨버터, AC-DC 컨버터를 거쳐 계통으로 방전에너지를 회생시키는 구조로 이루어져 있다.
그림 7 리튬이온 배터리 성능분석을 위한 하드웨어 시험설비 구성
Fig. 7 Configuration of hardware test equipment for lithium-ion battery performance
analysis
3. 시험설비를 이용한 리튬이온 배터리 성능분석 실험결과
2.1절에서 언급한 리튬이온 배터리 성능분석을 위해 구성한 시험설비를 이용하여 BMS가 내장된 리튬이온 배터리의 충ㆍ방전실험을 통해 동작 특성을 분석하였다.
3.1 시험품 리튬이온 배터리 및 BMS 사양
본 논문에서 사용한 리튬이온 배터리의 세부사양은 표 1에서 보여주고 있다. 각 셀당 전압은 3.0~4.2V로 총 14개의 배터리가 직렬 구조로 42.0V~58.8V의 전압 범위에서 공칭전압은 50.4V값을
가진다. 그리고 C-rate(Current rate, 충방전속도)에 영향을 미치는 공칭용량, 표준충방전조건, 최대충전조건, 표준방전전류, 최대방전전류
등의 세부 정보들을 확인할 수 있다.
표 1 리튬이온 배터리 사양
Table 1 Lithium-ion battery specifications
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Parameter
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Value
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전지형식 (Battery Type)
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14S(Serial, 직렬), Li-ion
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공칭전압 (Nominal voltage)
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50.4V (42.0~58.8V)
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공칭용량 (Nominal Capacity)
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108Ah
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충전방식 (Charging Method)
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CC-CV
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표준충전조건 (0.5C)
(Standard Charging Condition)
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58.4V±1%, 54A, CC-CV
End current : 2.16A
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최대충전조건
(Max Charging Condition)
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58.4V±1%, 108A, CC-CV
End current : 2.16A
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표준방전전류 (0.5C)
(Standard Discharge Current)
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54A
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최대방전전류
(Max Discharging Current)
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162A
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방전종지전압
(Discharge Cut-off Voltage)
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42.0V(3.0V per cell)
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리튬이온 배터리의 상태를 모니터링해 최적의 조건으로 배터리를 유지, 사용할 수 있도록 제어하는 BMS 사양을 표 2에서 보여주고 있다. 시험품인 리튬이온 배터리에 사용된 BMS는 MOSFET을 사용하여 배터리의 충ㆍ방전을 차단과 복귀로 나뉘어서 제어한다. 따라서
표 2에서 설정된 차단범위에 해당하면 MOSFET을 통하여 회로를 차단하고 복귀범위를 거쳐 정상상태로 돌아오도록 동작한다.
표 2 BMS 사양
Table 2 BMS(Battery Management System) specifications
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Parameter
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Value
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과충전차단
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4.20~4.25V±25mV per cell
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과충전복귀
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4.00~4.20V±25mV per cell
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과방전차단
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2.50~2.90V±80mV per cell
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과방전복귀
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2.70~3.30V±100mV per cell
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과전류차단
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100~125A±25% per module
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3.2 시험품 리튬이온 배터리 충전 시
표 1~2의 특성이 있는 리튬이온 배터리 및 BMS를 가지고 구축한 하드웨어 시험설비를 이용하여 그림 8과 같이 충전실험을 통해 배터리의 특성을 살펴보았다.
그림 8 리튬이온 배터리 충전실험
Fig. 8 Lithium-ion battery charging experiment
그림 8(a)는 충전전압 58.4V, 충전전류 20A, 그리고 그림 8(b)는 충전전압 58.4V, 충전전류 40A로 설정 시 배터리 상태(SOC), 충전전압, 충전전류에 대한 각 그래프를 시간축 기준으로 결과의 그래프를
보여주고 있다. 표준충전전압 58.4V에 대해 충전전류를 20A, 40A로 각각 달리 충전할 경우 공칭용량 108Ah에 대해 배터리 상태(SOC)는
대략 95% 값을 보여주고 있다. 이러한 결과로부터 과충전으로 인한 배터리의 수명 감소와 손상을 방지하기 위하여 BMS의 충전제어가 동작하고 있음을
알 수 있다.
또한 표 1에서 열거한 내용 중 표준충전조건(0.5C)에 의해 20A, 40A로 각각 충전 시 충전시간은 대략 330분, 210분의 시간이 소요되어 0.19C,
0.37C의 충방전속도를 각각 실험결과에서 보여주고 있다.
3.3 시험품 리튬이온 배터리 방전 시
3.2절에서 수행한 리튬이온 배터리의 최대충전전압 58.4V, 공칭용량 108Ah로 완전충전된 상태에서 방전전류를 20A, 40A로 설정하여 그림 9와 같이 방전실험을 하였다. 리튬이온 배터리의 방전은 설정한 방전전류의 CC 모드가 방전 종료 때까지 계속 유지하면서 시간에 따라 충전전압이 감소하는
특성을 보인다.
그림 9 리튬이온 배터리 방전실험
Fig. 9 Lithium-ion battery discharging experiment
따라서 그림 9(a), 9(b) 모두 설정한 방전전류의 CC 모드로 방전이 이루어지면서 표 1에서 나타낸 방전종지전압 42.0V에서 방전이 종료되었다. 이러한 결과로부터 충전실험때와 동일하게 BMS의 제어로 배터리의 완전방전이 방지되고 있음을
알 수 있다. 또한 SOC 결과값이 0%일 때, 방전종지전압값을 42.0V로 기준을 잡을 경우 방전전류의 크기에 의해 SOC가 0%가 되는데 걸리는
방전시간이 대략 300분, 140분 정도 각각 소요되는 결과를 보여주고 있다.
그림 10은 그림 5에서 설명한 다이나믹 방전 시 리튬이온 배터리 방전특성의 결과를 보여주고 있다. 다이나믹 방전시 배터리의 방전특성을 살펴보기 위하여 방전진행(30초)+방전정지(30초)의
주기를 가지고 있는 20A 방전전류를 설정하였다. 이러한 시험조건을 기준으로 그림 10(a)에서 배터리 상태(SOC), 방전전압, 방전전류의 실험결과를 보여주고 있다.
방전진행(30초)+방전정지(30초)의 주기를 가지고 있는 20A 방전전류로 인하여 전체 방전시간이 대략 450분이 소요되었다. 또한 그림 8의 방전 시 방전종지전압 42.0V에서 방전이 종료된 결과와 달리 36V에서 방전이 종료된 결과를 보여주고 있다. 방전전류 on, 방전전류 off의
주기적 반복에 따른 배터리의 과방전이 발생 시 표 2에서 보여주고 있는 과방전 차단범위 안에서 BMS의 제어로 방전이 36V에서 종료되었음을 분석할 수 있다. 따라서 이러한 스트레스성을 가지고 있는
실험조건에 대한 결과를 통해 리튬이온 배터리 및 BMS의 신뢰성과 안전성 부분을 확인할 수 있다.
그림 10 리튬이온 배터리 다이나믹 방전실험
Fig. 10 Lithium-ion battery discharging experiment
그림 10(b)는 그림 10(a)에서 일부분에 대한 전압, 전류의 확대 파형으로 방전전류 on/off에 따른 방전전압의 변화를 보여주고 있다. 배터리가 부하 상태에서 무부하 상태로
전환될 때 단자 전압이 OCV(Open Circuit Voltage)로 수렴하기까지 일정 시간이 소요되는데, 이는 배터리 내부의 이온 확산과정이 점진적으로
발생해서 나타나는 현상으로 배터리 단자 전압 측정 시 미세한 전압의 변동으로 나타난다. 방전전류 on시 배터리가 방전하는 부하상태 구간으로 배터리에
충전된 전압 58.4V와 배터리 내부저항에서 발생하는 전압의 합으로 배터리 단자전압이 측정되며, 방전전류 off시 무부하 상태로 배터리 충전전압 58.4V가
배터리 단자전압으로 측정되고 있는 결과를 볼 수 있다.
5. 결 론
이차전지 배터리를 제조하는 기술 발전으로 배터리의 크기는 점점 작아지면서 효율성이 높아지고 있다. 따라서 이러한 기술개발 속도에 맞춰 배터리 성능시험은
특성, 수명, 고장진단, 재활용 등의 다양한 시험방법을 요구하고 있다. 이러한 요구사항에 맞춰 본 논문에서는 시험품인 리튬이온 배터리의 충ㆍ방전에
따른 특성을 살펴보기 시험장비를 설계 및 제작하였다.
리튬이온 배터리의 정상범위 내의 충전 및 방전실험 그리고 다이나믹 방전실험을 통해 배터리의 특성결과를 얻을 수 있었다. 따라서 본 논문에서 설계 제작한
시험장비를 이용하여 이차전지의 동특성 및 신뢰성과 안전성을 파악할 수 있다. 또한 배터리의 수명 감소, 보호회로 고장에 대한 최소화로 배터리를 이용한
기계기구의 손상과 화재로 인한 재산과 인명피해를 줄일 수 있을 것으로 본다.
Acknowledgements
이 연구는 2023년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받아 수행되었음.
이 논문은 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. NRF-2022R1F1A1063116).
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Management System for Li-ion Battery Considering Self-energy Balancing Phenomenon,
Trans. on KIEE, Vol. 70, No. 10, pp. 1443-1451
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Lijun Gao, Shengyi Liu, R. A. Dougal, Sept 2002, Dynamic lithium-ion battery model
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Youngjun Kim, Seonghoon Baek, Youngsung Kwon, 2021, A Study on the Parameters Extraction
Method of Cylindrical Lithium-ion Battery Cell for Electric Vehicles, Journal of the
Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 22, No. 10, pp. 609-618
저자소개
graduated from the Department of Electrical and Electronic Engineering, Gwangju University
in 2023.
Currently, Department of Future Technology Convergence Engineering Graduation School
of Gwangju Univ Master Course
received the Ph.D. degree in Mechatronics Engineering from Sungkyunkwan University,
Korea, in 2007.
From 2007 to 2011, he was with Technical Research Institute of Samsung Thales Company,
Korea, as a senior researcher.
Currently, he has been with Gwangju University, where he is a professor in the School
of Electrical & Electronic Engineering.
His research interests are in the areas of analysis and control of SRM and BLDC motor
and renewable of PV inverter.