본 연구는 EV용 전기차동차의 차세대 에너지원인 리튬이온 배터리 팩을 관리하는 BMS의 성능 검증을 위한 시뮬레이터의 Cell simulation 보드와 이를 컨트롤 할 수 있는 임베디드 프로그램을 개발 하였다. 그리고 시뮬레이터의 속도를 향상시키고, 시스템 단가를 낮출 수 있는 Amplifier를 직렬로 연결하는 방식을 고안하여 OP amp와 트랜지스터를 직렬로 연결하였다. 또한, DAC를 채널마다 사용하여 채널간 절연(isolation)성능 을 기존 방식보다 향상 시켰다. 그리고 전류 제한 보호회로를 구성하여, 외란으로부터 보드를 보호 할 수 있도록 하였다. 개발된 시뮬레이터의 성능 검증을 위하여 각 셀에 5V부터 0.5V까지 0.5V의 크기로 전압을 강하 시키면서 총 10번의 실험을 하였다. 실험 데이터의 유의성 분석 결과, 모든 실험 조건에서 평균 0.001~0.004V 표준 편차로 출력되는 것을 확인하였으며, 이를 통하여 본 시뮬레이터가 높은 유의성 및 반복성을 가지는 시스템임을 확인 할 수 있었다.
본 연구는 EV용 전기차동차의 차세대 에너지원인 리튬이온 배터리 팩을 관리하는 BMS의 성능 검증을 위한 시뮬레이터의 Cell simulation 보드와 이를 컨트롤 할 수 있는 임베디드 프로그램을 개발 하였다. 그리고 시뮬레이터의 속도를 향상시키고, 시스템 단가를 낮출 수 있는 Amplifier를 직렬로 연결하는 방식을 고안하여 OP amp와 트랜지스터를 직렬로 연결하였다. 또한, DAC를 채널마다 사용하여 채널간 절연(isolation)성능 을 기존 방식보다 향상 시켰다. 그리고 전류 제한 보호회로를 구성하여, 외란으로부터 보드를 보호 할 수 있도록 하였다. 개발된 시뮬레이터의 성능 검증을 위하여 각 셀에 5V부터 0.5V까지 0.5V의 크기로 전압을 강하 시키면서 총 10번의 실험을 하였다. 실험 데이터의 유의성 분석 결과, 모든 실험 조건에서 평균 0.001~0.004V 표준 편차로 출력되는 것을 확인하였으며, 이를 통하여 본 시뮬레이터가 높은 유의성 및 반복성을 가지는 시스템임을 확인 할 수 있었다.
This study reports on the development and performance verification of cell simulation boards of simulator and the embedded program for board control of the battery management system (BMS) of electric vehicle (EV) cars, which manages the next-generation automotive lithium-ion battery pack. Here, we h...
This study reports on the development and performance verification of cell simulation boards of simulator and the embedded program for board control of the battery management system (BMS) of electric vehicle (EV) cars, which manages the next-generation automotive lithium-ion battery pack. Here, we have improved the speed of the simulator by using operational (OP) amplifier and transistors that were connected in series. In addition, using a digital analog converter (DAC) in each channel, we have improved the performance by channel-to-channel isolation (isolation) as compared to the traditional methods. Furthermore, by constructing a current-limiting protection circuit, one can be protected from disturbance and, by utilizing a precision shunt resistor for the current sensor, we have increased the precision of the current control. In order to verify the performance of the developed simulator, we have performed the experiment 10 times, with values ranging from 0.5 V to 5 V, and a voltage drop step of 0.5 V. Significance analysis of experimental data, and repeatability tests were performed, showing an average standard deviation of 0.001~0.004 V, indicating high repeatability and high statistical significance of the current method and system.
This study reports on the development and performance verification of cell simulation boards of simulator and the embedded program for board control of the battery management system (BMS) of electric vehicle (EV) cars, which manages the next-generation automotive lithium-ion battery pack. Here, we have improved the speed of the simulator by using operational (OP) amplifier and transistors that were connected in series. In addition, using a digital analog converter (DAC) in each channel, we have improved the performance by channel-to-channel isolation (isolation) as compared to the traditional methods. Furthermore, by constructing a current-limiting protection circuit, one can be protected from disturbance and, by utilizing a precision shunt resistor for the current sensor, we have increased the precision of the current control. In order to verify the performance of the developed simulator, we have performed the experiment 10 times, with values ranging from 0.5 V to 5 V, and a voltage drop step of 0.5 V. Significance analysis of experimental data, and repeatability tests were performed, showing an average standard deviation of 0.001~0.004 V, indicating high repeatability and high statistical significance of the current method and system.
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문제 정의
따라서 본 연구는 하이브리드 전기차의 차세대 에너지 원인 리튬이온 배터리 팩을 관리하는 BMS의 시뮬레이터 (Simulator)에 필요한 Cell simulation 보드와 이를 컨트롤할 수 있는 임베디드 프로그램을 개발하여, 차량의 요구 성능 만족은 물론 내구성을 만족하는 배터리 시뮬레이터 시스템 설계, 제작 및 시험기술을 확보 하고자 한다.
본 연구에서는 Cell simulation 보드 컨트롤을 가장 효율적으로 하기 위하여 임베디드 컨트롤 보드를 개발 하였다. 컨트롤 보드는 컴퓨터와 연결된 FPGA 기반의 임베디드 시스템과의 제어신호를 전달 받아, Cell simulation board와 실제 BMS 모듈간의 전압, 전류, 온도 등이 제대로 전달 되도록 제어(Control)및 감시(Monitoring) 역할을 한다.
제안 방법
최종 출력 단에서는 전류제한 회로를 추가하여 과도한 외부로드(부하)에 대하여 회로를 보호되도록 구성하였다. Cell Current Source와 Cell temperature Source는 정밀저항 회로를 통하여 물리량을 전압 값으로 변환하여 출력 되도록 설계 하였다. PCB의 가장 큰 특징은 그림 2와 같이 Cell Simulation 보드가 고전압의 직렬 전압을 출력하여야 하기 때문에 이를 빠르고 효율적으로 구현하기 위하여 디지털 절연회로의 적용과 FPGA를 이용한 컨트롤로직을 구현하였으며 고정밀 컨버터를 이용하여 정밀도를 향상시켰다.
Cell simulation 보드는 최대 16개까지 직렬로 연결하도록 소자선정 및 회로를 구성하였으나, 본 연구에서는 8개만을 연결하여 최대 200V 의 출력을 가능하도록 개발하였다.
컨트롤 프로그램은 LabVIEW FPGA 프로그램, RT 프로그램, Windows Host 프로그램을 개발하였으며, 컨트롤시스템은 제어를 모니터링 하는 Host PC와 제어 알고리즘이 Real-Time으로 수행 할 수 있는 Real-Time Target, 그리고 Cell Simulator와 직접적인 하드웨어 입출력을 담당하는 FPGA 로 구성되도록 개발 하였다. FPGA 프로그램은 Address Set bit , Chip Selection bit, Data Set bit, Control bit 총 4 Port를 제어 할 수 있도록 개발하였으며, 모든 알고리즘은 함수로서 사용할 수 있도록 구조화 하였다. Host Program의 경우, 그림 5와 같이 사전에 정해 놓은 시나리오를 파일로부터 읽어 올 수 있도록 함수를 개발 하였다.
Cell Current Source와 Cell temperature Source는 정밀저항 회로를 통하여 물리량을 전압 값으로 변환하여 출력 되도록 설계 하였다. PCB의 가장 큰 특징은 그림 2와 같이 Cell Simulation 보드가 고전압의 직렬 전압을 출력하여야 하기 때문에 이를 빠르고 효율적으로 구현하기 위하여 디지털 절연회로의 적용과 FPGA를 이용한 컨트롤로직을 구현하였으며 고정밀 컨버터를 이용하여 정밀도를 향상시켰다. 그리고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 Address, Data, Control 버스로 구성된 어드레스 확장기법을 적용하였다.
개발된 Cell 시뮬레이션 보드의 각 셀의 출력 정밀도를 확인하기 위하여 5V, 4.5V, 4V, 3.5V, 3V, 2.5V, 2V, 1.5V, 1V, 0.5V 순으로 전압을 인가하여 출력되는 전압의 크기를 정밀 계측기(Agilent사의 34970A)를 이용하여 측정하였다.
레퍼런스(Reference) 저항과 서미스터 Simulation 저항의 비율로서 전압이 나타내어지고 측정된 전압을 기준으로 온도로 환상하여 반응하도록 한다. 구성으로는 10Mbit 절연기(isolator)를 사용하였으며, 이때 인가되는 전압은 5V, 그리고 DC-R 컨버터를 사용하여 전압변화로서 온도 변화를 출력하였다.
Cell simulation board의 회로의 특이 사항으로는 Control logic 에 있으며, 10MBIT 디지털 Isolator를 사용 하여 전압간섭으로부터 board level에서 차단하였으며, Isolation power는 ±15V, +5V 범위를 갖는다. 그리고 16BIT D/A Converter를 사용하여 디지털 데이터를 아날로그로 변환 하였으며, 2.5V Precession reference와 작동 증폭은(Operational Amplifier) 2배의 값을 갖도록 설계 하였다.
개발된 함수는 Simulation 하는데 있어서, 정해진 시나리오에 맞춰 시뮬레이션을 진행 할 수 있는 자동 모드와, 사용자가 직접 원하는 Cell의 전압을 컨트롤할 수 있는 수동모드를 개발하여 양산 모드뿐만 아니라 정밀 시뮬레이션 시에도 사용할 수 있도록 기능을 다양화 하였다. 그리고 메인 프로그램 상에서 사용자가 시뮬레이션 진행되는 Cell의 위치를 확인할 수 있도록 UI의 속성을 컨트롤할 수 있도록 하였으며, 해당 Cell의 전압을 실시간으로 확인 할 수 있도록 그래프를 추가 하였다.
먼저 컨버터와 Op amp, 트랜지스터를 이용한 시스템은 기존 시스템 대비 약 1/10의 비용으로 시스템을 구현할 수가 있었으며, 기존의 시스템 제어방식인 GPIB나 Serial Interface방식에 비하여 디지털 버스방식의 인터페이스는 인터페이스 속도를 1/1000의 속도로 구현하여 채널당 10μsec이내, 전체 채널에 대하여 1msec속도를 구현하였다.
실험은 Cell 40개에 각각 전압, 전류, 온도를 제어할 수 있는 총 10번의 시퀀스를 사전에 스프레드시트 형식의 파일로 입력해놓았으며, 시뮬레이터는 이 파일을 호출하여 Cell simulation board에 전압 값을 제어하고 이때 Cell simulation board에서 출력된 전압 값과 전류, 온도값을 실시간으로 측정하여 비교 분석 하였다.
이와 같이 개발된 Cell simulation 보드는 그림 3과 같이 하나의 PCB에 집적화 하였으며, 총 5개의 Cell simulation을 할 수 있도록 설계 하였다.
전류제어는 실제 시스템과 같이 Shunt 저항에 필요한 전류를 실제로 공급하고 측정하는 방식을 적용함으로서 실질적인 시뮬레이션을 할 수 있도록 하였다. 또한 대부분의 파워시스템은 고정밀도라도 12비트만을 사용하는데 16비트의 고정밀도 컨버터를 사용하여 정밀도를 향상시켰으며, 개발된 시스템의 유의성은 총 0.
컨트롤 프로그램은 LabVIEW FPGA 프로그램, RT 프로그램, Windows Host 프로그램을 개발하였으며, 컨트롤시스템은 제어를 모니터링 하는 Host PC와 제어 알고리즘이 Real-Time으로 수행 할 수 있는 Real-Time Target, 그리고 Cell Simulator와 직접적인 하드웨어 입출력을 담당하는 FPGA 로 구성되도록 개발 하였다. FPGA 프로그램은 Address Set bit , Chip Selection bit, Data Set bit, Control bit 총 4 Port를 제어 할 수 있도록 개발하였으며, 모든 알고리즘은 함수로서 사용할 수 있도록 구조화 하였다.
이론/모형
최종개발된 Cell 컨트롤 보드는 그림 4와 같으며, FPGA칩의 탈부착이 용이 하도록 칩 소켓을 이용하였으며, 컨트롤 시스템과의 연결은 32핀 병렬포트(Parallel port)를 이용하였다. BMS 시뮬레이터 컨트롤 시스템 개발의 경우, Cell Simulation Board를 컨트롤하기 위하여 National Instruments사의 LabVIEW FPGA 기반의 Embedded 방식을 선택 하였다.
PCB의 가장 큰 특징은 그림 2와 같이 Cell Simulation 보드가 고전압의 직렬 전압을 출력하여야 하기 때문에 이를 빠르고 효율적으로 구현하기 위하여 디지털 절연회로의 적용과 FPGA를 이용한 컨트롤로직을 구현하였으며 고정밀 컨버터를 이용하여 정밀도를 향상시켰다. 그리고 이를 효과적으로 제어하기 위하여 Address, Data, Control 버스로 구성된 어드레스 확장기법을 적용하였다.
성능/효과
3.5V 의 경우는 그림 9와 같이, Cell 11번에서 가장 큰 값이 출력되었으며(3.51V)5번째 시퀀스에서 Cell 33번에서 Peak가 감지되었다. 또한 역시 Cell 17∼19번에서 가장 큰 변화를 나타내었다.
4.5V를 인가한 경우는 전압 범위 4.495 ~ 4.505V 전압범위 내에서 그림 7과 같으며, 역시 Cell 17, 18, 19번에서 전압 값의 분산도가 높음을 확인할 수 있었다. 그리고 특히 1번 시퀀스에서 Cell 21, 22, 23번에서 값이 오차율일 높아짐을 확인 할 수 있었다.
Host Program의 경우, 그림 5와 같이 사전에 정해 놓은 시나리오를 파일로부터 읽어 올 수 있도록 함수를 개발 하였다. 개발된 함수는 Simulation 하는데 있어서, 정해진 시나리오에 맞춰 시뮬레이션을 진행 할 수 있는 자동 모드와, 사용자가 직접 원하는 Cell의 전압을 컨트롤할 수 있는 수동모드를 개발하여 양산 모드뿐만 아니라 정밀 시뮬레이션 시에도 사용할 수 있도록 기능을 다양화 하였다. 그리고 메인 프로그램 상에서 사용자가 시뮬레이션 진행되는 Cell의 위치를 확인할 수 있도록 UI의 속성을 컨트롤할 수 있도록 하였으며, 해당 Cell의 전압을 실시간으로 확인 할 수 있도록 그래프를 추가 하였다.
5V를 인가하였을 때 출력되는 전압 값은 총 10번의 실험에서 일정한 패턴으로 값이 출력되는 것을 그림 6과 같이 확인할 수 있었다. 그러나 17번, 18번, 19번 Cell의 전압 값이 0.001V 이내에서 분산되는 것을 확인할 수 있었으나, 이것 역시 10번의 패턴이 일정함을 확인 할 수 있었다.
그리고 4V로 설정하고 출력 값을 분석한 결과, 그림 8과 같이 Cell 17~19번에서 역시 전압 변화가 가장 크게 나타났으며, 특이사항으로는 Cell 11번에서 가장 큰 전압값(4.007V)이 출력되었다.
그리고 Cell pack 전압의 출력 시에도 그림 12와 같이 위와 같은 Cell 번호에서 전압 오차가 유의 수준 내에서 발생함을 확인하였다. 한편, Cell temperature 제어 후 출력 결과는 100,000Ω 입력을 입력하여, 99,952.
또한 대부분의 파워시스템은 고정밀도라도 12비트만을 사용하는데 16비트의 고정밀도 컨버터를 사용하여 정밀도를 향상시켰으며, 개발된 시스템의 유의성은 총 0.001∼0.004V 수준에서 표준편차가 발생하였으며, 매우 높은 유의성 및 반복성을 가지는 시스템으로 평가 되었다.
본 연구를 통하여 기존시스템 대비 제조가격, 제어속도, 정밀도 측면에서 주목할 만한 결과를 얻었다. 먼저 컨버터와 Op amp, 트랜지스터를 이용한 시스템은 기존 시스템 대비 약 1/10의 비용으로 시스템을 구현할 수가 있었으며, 기존의 시스템 제어방식인 GPIB나 Serial Interface방식에 비하여 디지털 버스방식의 인터페이스는 인터페이스 속도를 1/1000의 속도로 구현하여 채널당 10μsec이내, 전체 채널에 대하여 1msec속도를 구현하였다.
총 10번의 실험 데이터의 유의성을 분석하여, 표준 편차를 확인하여 본 결과 표 5와 같았으며, 모두 1/1000 수준에서 유의성을 보임을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하이브리드 전기차의 배터리 시스템은 어떻게 구성되는가?
하이브리드 전기차에서 배터리 시스템은 직접적인 에너지 입출력을 담당하는 배터리와, 관리 및 제어를 위한 알고리즘 수행을 담당하는 배터리 관리장치 및 각 구성 부품을 전기적으로 연결 해주는 전선과 안전장치(BMS) 등 주변 시스템으로 구성된다[1-2]. 배터리 관리 시스템 (BMS; Battery Management System)은 전기자동차의 최적 배터리 제어를 통한 주행거리 향상 및 안전성을 확보해주는 필수 요소이며, 배터리 관리 기술(BMS)은 크
BMS 시뮬레이터의 설계와 동작이 HIL 시스템으로 구현되어야 하는 이유는?
이때 사용하는 BMS 시뮬레이터는 BMS의 ECU 개발을 위한 SW 개발 환경 제공 및 ECU 동작 시험을 위한 가상 Source(Voltage, Current, Temperature)등을 제공하는 역할을 한다[2]. 따라서 BMS 시뮬레이터의 설계와 동작은 주어진 규격과 기준에 따라야 하며, 수행에 주어진 모든 기능적, 비기능적 요건을 만족하여야 하기 때문에 HIL(Hardware In the loop)시스템으로 구현되어야 한다. 한편 그동안의 BMS 시뮬레이터는 하이브리드 전기 자동차의 배터리를 시뮬레이션 하기 위하여 고가의 전원공급 모듈(Power supply)을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 모사하고, 컴퓨터와의 표준 통신 방식인 GPIB(General Purpose Input output Bus)를 이용하여 시뮬레이터를 개발 하였으나, 이는 속도가 느린 통신 방식의 한계점과 막대한 비용을 필요로 하기 때문에 많은 문제가 발생하였다.
배터리 관리 기술은 두 개로 어떻게 나눌 수 있는가?
게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째로 열에 약한 배터리를 균등 냉각하여 동일한 성능 구현이 가능토록 하여 주는 열관리 제어와 두 번째로 배터리의 각 상태를 판단하여 최적 효율 점에서 작동토록 하는 SOC(State of Charge) 제어로 나눌 수 있다[3-4].
참고문헌 (6)
John Chatzakis, Kostas Kalaitzakis, Nicholas C. Voulgaris, and Stefanos N. Manias, " Designing a New Generalized Battery Management System", IEEE transaction on inductrial electronics : a publication of the IEEE inductrial Electronics society, Vol. 50, No. 5, pp. 990-999, October, 2003
Rudi Kaiser., "Optimized battery-management system to improve storage lifetime in renewable energy systems" European lead battery conference, Vol. 168, No. 25, pp 58-65, May 2007
Xiao, X. Liu, X. Qiao, L. Li, S., " A Li-ion Battery Management System Based on MCU and OZ8920", Procedia engineering, vol .29, pp.738-743, 2012
D. P. Xu, L. F. Wang, J. Yang. "Research on Li-ion battery management system", International Conference on Electrical and Control Engineering (ICECE), Beijing, China, pp. 4106-4109, 2010.
Coleman, M. "A combined SOC estimation method under varied ambient temperature for a lead-acid battery", Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2005. APEC 2005. Twentieth Annual IEEE, Nat. Univ. of Ireland, Glaway, Ireland, pp.991-997, vol.2, march 2005
K. W. E. Cheng, B. P. Divakar, H. Wu, et al. "Battery-Management System (BMS) and SOC development for electrical vehicles", IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 60, no. 1, pp.76-88, Jan. 2011.
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