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문제 정의
- 급속충전 모니터링 시스템을 구성하는 키오스크 시스템과 충전제어 시스템은 급속충전 알고리즘의 성능과 충전 상태를 모니터링하고 사용자와 인터페이스 가능한 응용 소프트웨어를 제공하는 것이 주요 목적이다. 그림 7은 제안된 충전 모니터링 시스템의 전체 사진을 나타낸 것이다.
- 본 논문에서는 전기자동차용 배터리로 적용가능한 소형 배터리를 대상으로 급속충전 제어, 충전 상태 모니터링, 사용자 인터페이스 등을 포함하는 급속충전 모니터링 시스템을 제안하였다. 전기자동차 BMS 시스템과의 향후 호환성을 고려하여 CAN 프로토콜을 기반으로 통신 인터페이스를 설계하였으며, 제작된 시제품의 충전 및 인터페이스 기능 등을 성능평가를 통해 확인하였다.
제안 방법
- CAN 프로토콜을 이용하여 데이터 통신을 수행하기 위해서는 각 배터리 개별 충전제어기와 메인 제어기에 메시지 ID, 충전제어 및 충전상태정보를 송수신하기 위한 메시지 프레임 등을 그림 2와 같이 설계하였다.
- 급속충전 모니터링 시스템의 전체적인 성능평가는 충전용 키오스크와의 인터페이스, 배터리 및 충전상태 모니터링 등의 과정을 통해 수행하였다. 그림 5에 나타낸 것과 같이 키오스크 응용 소프트웨어의 기본적인 동작은 충전 제어 명령 송신과 충전 상태 정보 표시 등의 정상 동작여부를 통해 평가하였다.
- 급속충전 모니터링 시스템의 전체적인 성능평가는 충전용 키오스크와의 인터페이스, 배터리 및 충전상태 모니터링 등의 과정을 통해 수행하였다. 그림 5에 나타낸 것과 같이 키오스크 응용 소프트웨어의 기본적인 동작은 충전 제어 명령 송신과 충전 상태 정보 표시 등의 정상 동작여부를 통해 평가하였다.
- 제안된 시스템의 급속충전 알고리즘은 배터리팩의 온도, 충전상태(SOC)에 따라 배터리팩에 공급되는 전압 및 전류를 제어하는 방식이다. 급속충전 상태에서는 온도에 따라 설정된 충전조건에 의해 급속충전 전류제어 동작을 수행하고 피드백된 배터리팩의 온도와 설정된 목표온도를 비교한다. 목표온도 미만인 경우 배터리팩의 충전상태를 모니터링하여 설정 상태 이상이면 배터리팩 냉각 제어동작을 수행하는 과정을 진행한다.
- 급속충전 주 제어기와 배터리 일괄 충전제어기, CAN 게이트웨이에는 충전 알고리즘 구현과 CAN 인터페이스, 충전상태 모니터링 등 다양한 기능 구현을 위해 ATMEL사의 고성능 마이크로컨트롤러 AT90CAN128을 채택하였다.
- 수집된 정보는 급속충전 주 제어기의 충전제어를 위한 기초자료로서 활용할 뿐만 아니라 충전 프로세스의 모니터링을 위해 노트북 또는 충전 키오스크에 추가적으로 제공된다. 데이터 수집용 PC에는 LabVIEW를 이용하여 실시간으로 데이터를 수집하고 내용을 표시할 수 있도록 모니터링 소프트웨어를 제작하였으며, 충전 키오스크에는 사용자가 충전상태를 확인하고 추가적인 작동명령을 수행할 수 있도록 운용 소프트웨어를 제작하였다.
- 배터리 충전상태를 외부에서 확인하기 위해 Lab VIEW 클라이언트의 응용 소프트웨어 동작상태와 제어 명령, 충전상태 정보의 흐름을 확인하기 위해 CAN 버스를 실시간으로 모니터링하였다. 그림 9는 충전시 배터리팩의 전압과 전류를 시간에 따른 특성곡선으로 나타낸 것으로 5개중 4개의 배터리 팩 개별 상태와 전체 상태를 나타낸 것이다.
- 배터리의 급속충전 및 방전 관련 실험을 수행하기 위해 36V 10A 리듐 폴리머 배터리를 5개 장착하여 직렬 구성시 180V 10A 배터리 팩으로, 병렬 구성시 36V 50A 배터리 팩으로 설정하여 사용할 수 있도록 설계하였으며 충전 및 방전 실험실 배터리의 전압 및 전류 상태를 파악할 수 있도록 시스템 전면에 모니터링용 LCD를 장착하였다. 설치된 배터리 팩은 전기자동차에 장착되어 운영되는 것이 아닌 충전시스템 설계 및 관련 실험 용도로 사용되기 때문에 배터리 팩 5개만 설치하였으며, 배터리 용량의 증대를 위해서는 최대 10개까지 추가 설치가 가능하도록 전용 공간을 확보하였다.
- 배터리의 상태 정보 뿐만 아니라 배터리 충전을 위해 공급되는 전원 관련 정보 또한 키오스크의 운영 소프트웨어와 LabVIEW 클라이언트를 통해 확인 가능하도록 하였다. 충전 관련 알고리즘과 키오스크 운영 소프트웨어의 개발을 위해 랙 전면에 설치된 스마트 PC를 이용하였으며, 관련 어플리케이션을 추가적으로 개발하고 실험할 수 있도록 일반 데스크톱 컴퓨터와 동일한 운영체제를 채택하였다.
- 전기자동차의 충전은 충전 키오스크로 전송된 충전 시작 명령을 충전 주 제어기에서 해석하고 다시 CAN 버스를 통해 배터리 일괄 충전제어부로 재전송된다. 배터리의 효과적인 충전을 위해 기존에 소개된 다양한 충방전 알고리즘 이외에 일괄 직렬 충전-병렬 방전 알고리즘을 이용하여 구체화하였다.
- 실제로 사용자가 충전을 위해 사용하는 충전시스템은 키오스크와 같은 형태로 제공되기 때문에 급속 충전 주 제어기 인터페이스 운영 소프트웨어를 필요로 한다. 본 연구에서는 터치패널을 장착한 스마트 PC에서 작동되는 운영 소프트웨어를 설계 제작하고 포팅하였다. 사용자와의 원활한 인터페이스를 위해 배터리 및 충전 관련 정보를 실시간으로 제공하고 충전과 관련된 사용자의 선택사항을 입력 받아 충전 주 제어기로 전송하도록 그림 4의 충전 동작순서를 기초로 설계 제작되었다.
- 본 연구에서는 터치패널을 장착한 스마트 PC에서 작동되는 운영 소프트웨어를 설계 제작하고 포팅하였다. 사용자와의 원활한 인터페이스를 위해 배터리 및 충전 관련 정보를 실시간으로 제공하고 충전과 관련된 사용자의 선택사항을 입력 받아 충전 주 제어기로 전송하도록 그림 4의 충전 동작순서를 기초로 설계 제작되었다.
- 센싱부 내부에는 아날로그 멀티플렉셔, 16비트 A/D 변환기, 온도센서 등이 내장되어 있으며 마이크로컨트롤러와 SPI(Serial peripheral Interface) 통신을 수행한다. 센싱부로부터 검출된 배터리 전압, 전류 및 온도 등의 상태정보를 이용하여 배터리의 잔존 용량과 수명을 예측한다.
- 시스템간의 통신 프로토콜은 통신의 특수성과 신뢰성을 위해 CAN 프로토콜을 적용하였으며 충전과 관련된 다양한 정보는 실시간으로 수집되어 CAN 버스를 통해 송수신되도록 설계하였다.
- 배터리의 전압, 전류, 온도 등 다양한 정보를 실시간으로 모니터링하기 위해 TI사의 BQ77PL900DL 소자를 사용하였으며 각종 정보는 CAN 버스를 통해 급속충전주 제어기에 충전제어를 위해 전송된다. 이 소자는 리튬 폴리머 배터리 팩의 10개의 개별 셀까지 개별적으로 충방전이 가능하며, 측정된 정보를 I2C 인터페이스를 이용 호스트에 제공하며 셀 발란싱(cell balancing) 기능을 제공한다.
- 본 논문에서는 전기자동차용 배터리로 적용가능한 소형 배터리를 대상으로 급속충전 제어, 충전 상태 모니터링, 사용자 인터페이스 등을 포함하는 급속충전 모니터링 시스템을 제안하였다. 전기자동차 BMS 시스템과의 향후 호환성을 고려하여 CAN 프로토콜을 기반으로 통신 인터페이스를 설계하였으며, 제작된 시제품의 충전 및 인터페이스 기능 등을 성능평가를 통해 확인하였다.
- 제안된 급속충전 모니터링 시스템은 전기자동차 배터리 충전과 관련된 다양한 정보를 사용자에게 제공하고 이를 기초로 하여 사용자가 기본적인 동작을 선택할 수 있도록 한 키오스크 시스템과 실제로 배터리 충전을 담당하는 충전제어 시스템으로 구분된다. 그림 6은 제안된 급속충전 모니터링 시스템의 전체 구성도를 나타낸 것으로 그림 3에 소개하였던 일반적인 급속충전 모니터링 시스템과는 차별화된 구조를 보여준다.
- 제안된 급속충전 모니터링 시스템은 전기자동차의 충전 작업과 충전 대상 배터리의 상태를 모니터링하고 급속으로 충전하기 위한 제어기가 결합된 형태이다. 실제로 사용자가 충전을 위해 사용하는 충전시스템은 키오스크와 같은 형태로 제공되기 때문에 급속 충전 주 제어기 인터페이스 운영 소프트웨어를 필요로 한다.
- 제안된 급속충전기의 동작 상태를 CAN 프로토콜을 이용하여 실시간으로 감시하기 위한 시스템을 설계하여 전기자동차의 구동용 배터리팩을 최단시간에 충전 가능하도록 제어기를 설계하였다. 급속충전 기술은 현재 배터리팩의 성능 및 안전성 등 다양한 요인에 따라 동작성능이 좌우되므로 모니터링 시스템에 의한 충전상태 파악은 충전알고리즘 개선, 전기자동차 BMS와의 연동, 사용자와의 충전 프로세스 제어 등 다양한 작업환경과 연계되어 있다.
- 배터리의 상태 정보 뿐만 아니라 배터리 충전을 위해 공급되는 전원 관련 정보 또한 키오스크의 운영 소프트웨어와 LabVIEW 클라이언트를 통해 확인 가능하도록 하였다. 충전 관련 알고리즘과 키오스크 운영 소프트웨어의 개발을 위해 랙 전면에 설치된 스마트 PC를 이용하였으며, 관련 어플리케이션을 추가적으로 개발하고 실험할 수 있도록 일반 데스크톱 컴퓨터와 동일한 운영체제를 채택하였다. 또한 충전에 필요한 전원공급을 위해 2대의 교류-직류변환 전원공급장치와 전원공급장치에 공급되는 전압와 전류를 나타내는 별도의 표시장치를 포함한다.
대상 데이터
- 본 연구에 적용한 리튬-폴리머 배터리는 5개의 개별 셀(cell)을 직렬로 연결하여 1개의 단위 셀로 구성된다. 리듐-폴리머 배터리는 다른 배터리와 달리 효율성과 성능은 우수하지만 열에 대한 민감성, 폭발성 등 다양한 환경적인 요인에 의해 영향을 받기 때문에 충방전시 보호회로 등이 필수적이다.
- 충전 및 방전 실험을 위해 리듐 폴리머 배터리 팩을 포함하는 충전제어 시스템은 5개의 배터리 팩과 개별 충전제어기, 충전제어 주 제어기 등으로 구성되어 있으며 그림 8에 나타내었다.
후속연구
- 전기자동차의 배터리 충전시 사용전력에 따라 요금을 부과하는 것이 원칙이나 전력을 공급하는 전력 공급자 또는 공급 환경 등에 따라 차등화된 요금체계가 적용될 수 있다. 기존의 유류기반의 자동차의 급유체계와 다른 환경으로 운영되기 때문에 복잡한 요금부과 과정을 명확하게 규정할 필요가 있으므로 향후 충전시스템의 보급단계에서 검토되어야 할 사항이다.
- 충전시스템이 단순히 전기자동차용 배터리를 충전하는 단순한 기능을 넘어서 충전단말기로서의 기능뿐만 아니라 충전상태 모니터링, 배터리 상태 모니터링 등다양한 계측기능도 제공하는 다기능 충전기 개발을 요구하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 CAN통신 기반 전기자동차 급속충전 모니터링 시스템을 설계하여 기본적으로 전기자동차 충전시설 또는 전기자동차의 BMS와의 인터페이스를 고려하여 설계되어 향후 전기자동차 관련 분야에 확대 적용할 수 있다.
- 수집된 정보는 급속충전 주 제어기의 충전제어를 위한 기초자료로서 활용할 뿐만 아니라 충전 프로세스의 모니터링을 위해 노트북 또는 충전 키오스크에 추가적으로 제공된다. 데이터 수집용 PC에는 LabVIEW를 이용하여 실시간으로 데이터를 수집하고 내용을 표시할 수 있도록 모니터링 소프트웨어를 제작하였으며, 충전 키오스크에는 사용자가 충전상태를 확인하고 추가적인 작동명령을 수행할 수 있도록 운용 소프트웨어를 제작하였다.
- 전기자동차는 자원의 효율적 이용과 환경오염을 최소화하기 위한 운송수단의 대안으로 제시되고 있다. 전기자동차의 운행가능거리가 배터리 용량 등에 의해 제한적으로 운용되기 때문에 충전인프라의 구축은 필수적인 사항이 되어가고 있으며, 급속충전 관련기술의 개발과 더불어 각종 충전관련 정보를 실시간으로 확인하고 제어할 수 있는 충전모니터링 시스템의 개발도 병행되어야 한다.
- 제안된 시스템은 향후 전기자동차의 보급 확대로 고속도로 휴게소 및 각종 편의시설에 설치되는 충전시스템의 스탠드형 충전 키오스크로 응용이 가능할 것으로 판단되며, 충전 알고리즘 및 관련 하드웨어 개선 보완을 통해 지속적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
- 충전기의 충전 상태를 정확하게 모니터링하기 위해서 충전시스템의 운용방식 및 충전관련 각종 정보를 먼저 설계하는 것이 우선이다. 현재 시판중인 전기자동차의 경우 대부분 BMS를 포함한 모델이므로 향후 BMS와의 원활한 인터페이스를 위해서는 BMS 프로토콜 설계가 우선되어야 하며, 자체 충전시스템 운영을 위한 기본 프로토콜도 검토하고 설계한다.
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