리튬이온 배터리는 낮은 자체 방전율 특성과 고밀도 에너지 저장장치로 다양하게 응용되고 있으며, 단위 셀 배터리의 전압은 4V 보다 낮아, 직렬로 연결하여 사용해야 하는 것이 일반적이다. 배터리 셀전압의 직렬 연결 동작시, 각각의 단위 셀 배터리는 내부저항이 균일하지 않아, 충전 시, 특정 단위 셀 배터리는 4V 이상이 걸려, 폭발이 발생할 수도 있으며, 또한, 방전 시 배터리의 특성을 떨어뜨릴 수 있는 한계 전압 이하가 되는 심각한 문제가 존재한다. 따라서, 단위 셀 배터리의 충전 및 방전 동작에서는 과충전과 과방전을 사전에 감지하기 위한 전압 센싱 동작이 필요하며, 이에, 본 논문에서는 고속 배터리 전압 센싱 모듈 개발을 소개한다. 제작된 CVM(Cell Voltage Monitoring)은 단위 배터리 셀을 통하여, 전압 및 온도 채널 포함하여, 12채널을 모니터링할 수 있으며, 채널당 12-bits 분해능과 192 kbps 전송 속도를 가진다.
리튬이온 배터리는 낮은 자체 방전율 특성과 고밀도 에너지 저장장치로 다양하게 응용되고 있으며, 단위 셀 배터리의 전압은 4V 보다 낮아, 직렬로 연결하여 사용해야 하는 것이 일반적이다. 배터리 셀전압의 직렬 연결 동작시, 각각의 단위 셀 배터리는 내부저항이 균일하지 않아, 충전 시, 특정 단위 셀 배터리는 4V 이상이 걸려, 폭발이 발생할 수도 있으며, 또한, 방전 시 배터리의 특성을 떨어뜨릴 수 있는 한계 전압 이하가 되는 심각한 문제가 존재한다. 따라서, 단위 셀 배터리의 충전 및 방전 동작에서는 과충전과 과방전을 사전에 감지하기 위한 전압 센싱 동작이 필요하며, 이에, 본 논문에서는 고속 배터리 전압 센싱 모듈 개발을 소개한다. 제작된 CVM(Cell Voltage Monitoring)은 단위 배터리 셀을 통하여, 전압 및 온도 채널 포함하여, 12채널을 모니터링할 수 있으며, 채널당 12-bits 분해능과 192 kbps 전송 속도를 가진다.
Lithium-ion batteries have been used for high density energy storage system due to the features such as low self-discharge rate. And the unit cell battery with the voltage less than 4V is recommended to use the series connections for a high voltage charger. When batteries are charged or discharged w...
Lithium-ion batteries have been used for high density energy storage system due to the features such as low self-discharge rate. And the unit cell battery with the voltage less than 4V is recommended to use the series connections for a high voltage charger. When batteries are charged or discharged with series connection, there may be an explosion or degradation of unit cell battery owing to undistributed internal resistance of cell battery. therefore, the voltages of unit cell batteries should be monitored to prevent an overcharging and a deep discharging. This paper introduces the implementation of CVM (Cell Voltage Monitoring) system that can transmit the 12 channel's information including voltages and temperatures with the 12-bits resolutions and the transmission speed of 192 kbps.
Lithium-ion batteries have been used for high density energy storage system due to the features such as low self-discharge rate. And the unit cell battery with the voltage less than 4V is recommended to use the series connections for a high voltage charger. When batteries are charged or discharged with series connection, there may be an explosion or degradation of unit cell battery owing to undistributed internal resistance of cell battery. therefore, the voltages of unit cell batteries should be monitored to prevent an overcharging and a deep discharging. This paper introduces the implementation of CVM (Cell Voltage Monitoring) system that can transmit the 12 channel's information including voltages and temperatures with the 12-bits resolutions and the transmission speed of 192 kbps.
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문제 정의
본 논문에서는 40kW급의 충전시스템에 사용되는 고속 다채널 CVM 시스템 구현을 소개하였다. 충방전 동작에서 배터리 전압 및 온도 측정을 제작된 CVM 단말을 통해 검증하였으며, 제안된 CVM 시스템은 충방전 시스템의 신뢰성 향상, 안정성 확보를 위한 유용한 기술로 활용될 것이 기대된다.
제안 방법
그림 3은 배터리 셀 전압측정 모듈을 나타낸다. 배터리 셀 전압측정 모듈은 Daisy-Chain 구조로 연결되어 배터리 셀로부터 스위치 동작을 통하여 인접하는 두 개의 아날로그 전압에 따른 전위차로 배터리 채널의 전압을 측정한다. 그림 5는 Daisy Chain 구조에서 배터리 팩 내부 두 번째 배터리 셀(VIN1-VIN2)의 전압획득을 위한 구조를 나타낸다.
본 논문에서는 40kW급의 충방전 장치에서, 다수의 리튬 이온 배터리 단위셀의 측정을 위한 96 채널의 전압 및 온도 정보를 192 kbps의 고속의 전송속도로 모니터링할 수 있는 CVM 시스템을 제안하였으며, Daisy Chain 방식을 채택하여제작된 단위 모듈을 통해 고속 다채널 배터리셀 전압 및 온도 모니터링 동작을 확인하였다.
CVM 시스템은 배터리 셀을 타겟으로 충방전 시스템과 병렬로 연결되어 배터리 전압 및 온도를 측정하고 외부 충방전 장치 제어기로 송수신하는 시스템이다. 요구되는 사양인 96개의 채널에 대한 모니터링은 Daisy Chain 방식을 채택하는 시스템의 설계로 12개의 채널을 기본단위로 하는 모듈을 설계하였다.
표 3은 CVM 시스템의 단위 모듈의 사양을 나타낸다. 이 CVM 단위 모듈을 사용하여, 충방전 시스템의 요구 사양인 96채널에 대한 모니터링을 위하여 배터리 전압 및 Thermistor 온도측정을 위한 CVM 8개 모듈까지 Daisy Chain 인터페이스로 구성될 수 있도록 하였으며, 각 측정 채널은 12-bits SAR typed A/D, 192 kbps, Daisy-Chain 8-STACK, 배터리전압 48채널, 배터리온도 48채널까지 측정이 가능하도록 설계하였다.
IGBT를 사용하여, V++전원으로부터 전류를 배터리팩의 BAT++ 단자로 공급하는 충전동작과 COM 과 BAT++ 패스의 방전 동작을 하며, 방전 동작은 배터리팩으로부터의 전류를 LOAD저항으로 방출시켜 열로 에너지를 소모하는 구조를 가진다. 제시된 충방전 시스템은 직렬 연결된 배터리에 대하여 충방전에 대한 기능만 제공하기 때문에, 단위 배터리 셀에 대한 전압 및 온도 모니터링은 제안되는 CVM 시스템을 통해 이루어진다.
설계된 펌웨어는 그림 5와 같이 CVM Block과 SPI(Serial peripheral Interface)를 통해 채널 전압 값을 수신 받아 외부컨트롤러로 전송하는 펌웨어를 포함하고 있다. 충방전부 제어 인터페이스와 고속 동작을 위해 192 kbps 의 CAN Protocol을 사용하여 구현하였다.
측정된 전압은 프로세서로 사용된 DSP에서 수신하며, 측정 대상 단위배터리 셀 온도는 Thermistor로 사용된 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance) 10kΩ의선형성을 역산하여 산출한다.
대상 데이터
그림 5는 CVM Processor Block Diagram 를 나타내며, CVM 시스템의 디지털 신호처리는 TI TMS320F28335 DSP프로세서를 통해 구현하였다. 설계된 펌웨어는 그림 5와 같이 CVM Block과 SPI(Serial peripheral Interface)를 통해 채널 전압 값을 수신 받아 외부컨트롤러로 전송하는 펌웨어를 포함하고 있다. 충방전부 제어 인터페이스와 고속 동작을 위해 192 kbps 의 CAN Protocol을 사용하여 구현하였다.
성능/효과
그림 6은 제작된 CVM 단위 모듈을 나타낸다. Daisy Chain 스택구조 연결을 통해 8개 CVM 단위 모듈에서 48 채널 전압, 48채널 온도 측정이 가능하며, 단위 모듈로부터는 전압 12채널, 배터리 셀 온도 12채널의 배터리 상태정보를 확인할 수 있다.
후속연구
본 논문에서는 40kW급의 충전시스템에 사용되는 고속 다채널 CVM 시스템 구현을 소개하였다. 충방전 동작에서 배터리 전압 및 온도 측정을 제작된 CVM 단말을 통해 검증하였으며, 제안된 CVM 시스템은 충방전 시스템의 신뢰성 향상, 안정성 확보를 위한 유용한 기술로 활용될 것이 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 충방전 시스템의 사양은 어떻게 되는가?
표 2는 단위 배터리 셀 다수를 고전압으로 충방전할 수 있는 충방전 시스템의 사양을 나타낸다. 40kW급으로 전류 및 전압의 구동은 10 msec 내에 정상상태에 도달할 수 있도록 제작하였으며, Overshoot 및 Undershoot 가 0.5 % 내에 있도록 하는 비교적 높은 사양의 충방전 시스템이다. 이 충방전 시스템은 96개의 리튬-이온 배터리를 직렬로 연결한 상태에서 충방전을 하기 때문에, 전압 및 온도를 포함한 96개의 채널에 대한 모니터링 결과를 100 msec 안에 전송할 수있어야 하며, 전송속도는 최소 24 kbps 를 확보하여야 한다.
CVM 시스템이란?
그림 2는 제안하는 CVM(Cell Voltage Monitoring) 시스템을 나타낸다. CVM 시스템은 배터리 셀을 타겟으로 충방전 시스템과 병렬로 연결되어 배터리 전압 및 온도를 측정하고 외부 충방전 장치 제어기로 송수신하는 시스템이다. 요구 되는 사양인 96개의 채널에 대한 모니터링은 Daisy Chain 방식을 채택하는 시스템의 설계로 12개의 채널을 기본단위로 하는 모듈을 설계하였다.
본 연구에서 CVM 시스템의 디지털 신호처리는 무엇을 통해 구현하였는가?
그림 5는 CVM Processor Block Diagram 를 나타내며, CVM 시스템의 디지털 신호처리는 TI TMS320F28335 DSP 프로세서를 통해 구현하였다. 설계된 펌웨어는 그림 5와 같이 CVM Block과 SPI(Serial peripheral Interface)를 통해 채널 전압 값을 수신 받아 외부컨트롤러로 전송하는 펌웨어를 포함하고 있다.
참고문헌 (4)
Yevgen Barsukov, "Battery Cell Balancing: What to Balance and How",Texas Instruments, Vol2, pp. 102-110, 2009.
황호석, "리튬-이온 배터리팩의 전압안정화회로 설계",전력전자학술대회, Vol2, pp. 187, 2004.
진성태, "수동 셀 밸런싱 로직 개발을 위한 배터리 셀 전압 모사장치 개발",한국자동차공학회, Vol10, pp.1264, 2011.
김헌희, "전기자동차에 적용되는 새로운 배터리 전압 밸런싱 시스템",전력전자학회, Vol11, pp.473-474, 2011.
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