[논문]VRFB를 위한 BOP 구성 및 BMS 기능구현에 관한 연구

최정식; 오승열; 정동화; 박병철

doi:10.5207/jieie.2014.28.12.074

VRFB를 위한 BOP 구성 및 BMS 기능구현에 관한 연구
A Study on the Configuration of BOP and Implementation of BMS Function for VRFB 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.28 no.12, 2014년, pp.74 - 83

최정식 (전자부품연구원 에너지변환연구센터) , 오승열 (전자부품연구원 에너지변환연구센터) , 정동화 (순천대 전기제어공학과) , 박병철 (전자부품연구원 에너지변환연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a study on the configuration of balancing of plant(BOP) and implementation of battery management system(BMS) functions for vanadium redox flow battery(VRFB) and propose a method consists of sensor and required design specifications BOP system configuration. And it proposes an method of the functions implementation and control algorithm of the BMS for flow battery. Functions of BMS include temperature control, the charge and discharge control, flow control, level control, state of charge(SOC) estimation and a battery protection through the sensor signal of BOP. Functions of BMS is implemented by the sensor signal, so it is recognized as a very important factor measurement accuracy of the data. Therefore, measuring a mechanical signal(flow rate, temperature, level) through the BOP test model, and the measuring an electrical signal(cell voltage, stack voltage and stack current) through the VRFB charge-discharge system and analyzes the precision of data in this paper. Also it shows a good charge-discharge test results by the SOC estimation algorithm of VRFB. Proposed BOP configuration and BMS functions implementation can be used as a reference indicator for VRFB system design.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 바나듐계 레독스 흐름전지(VRFB)를 이용한 전력저장용 시스템 구성에 있어 주변기기인 BOP(Balance of Plant) 구성과 BMS(Battery Management System)의 기능 및 제어에 관한 연구는 미흡하다. 따라서 본 논문에서는 VRFB 시스템의 BOP 구성 기술과 흐름전지용 BMS의 기능 구현에 관한 내용을 기술하고 향후 전력저장용 시스템 구성 시 설계 지표를 나타내고자 한다.
본 논문은 VRFB를 위한 BOP 구성 및 BMS 기능구현에 관한 연구로서 BOP 구성에 있어 요구되는 설계 사양 및 각종 센서들을 나타냈다. 또한 BMS에서는 구성된 BOP의 센서 신호를 통해 온도제어, 유량제어, 레벨제어, 충방전 제어 및 SOC 추정 기능 구현에 대해 설명하였다.

제안 방법

VRFB의 BMS에 대한 기능을 정의하여 이를 기반으로 실제 시스템을 설계하였다. BMS 시스템은 하드웨어 기반의 BMS 시제품과 모니터링 시스템으로 구성하였다. 하드웨어 기반의 BMS는 3층 PCB로 제작되었으며 MCU 및 전원부, 데이터 센싱부, 펌프 구동부로 다음 그림과 같이 나타낼 수 있다.
VRFB의 BMS에 대한 기능을 정의하여 이를 기반으로 실제 시스템을 설계하였다. BMS 시스템은 하드웨어 기반의 BMS 시제품과 모니터링 시스템으로 구성하였다.
VRFB의 SOC 추정을 위해 다음 그림 22와 같이 PSIM을 통해 VRFB의 모델링을 수행하였으며 이는 VRFB와 SOC 추정 및 전해액 펌프의 소모 전력을 포함하게 된다. 그림 23은 VRFB의 PSIM 모델링에 의한 OCV(Open Circuit Voltage)와 SOC 변화 결과를 나타낸 것이다.
VRFB는 기동 시간이 60s 이내로 순간정전 등과 같은 순시적인 반응에는 어려우며 피크 전력의 특정 시간과 SOC를 통해 제어할 수 있다. 먼저 RTS를 통해 로컬 시간을 설정하고 배터리 관리 시스템의 SOC를 계측한다. 전력 피크 시간을 오전 10：00에서 오후 02：00로 가정하고 배터리의 SOC가 0.
모니터링 시스템은 전체 계통도를 통해 스택 전압, 전류, 온도 및 SOC를 나타낼 수 있도록 구성하였으며 세부 프로그램은 각 셀에 대한 보호 정보와 상태 트랜드를 나타낼 수 있도록 구성하였다. 그림 12의 셀 이상정보는 과 충전 또는 과 방전에 대한 해당 셀의 색깔 변화로 나타낸다.
BMS 기능은 센서들의 계측 신호에 의해 구현될 수 있으므로 계측 데이터에 대한 높은 정밀도가 요구된다. 이러한 센서신호는 기계적인 신호와 전기적인 신호 나눌 수 있으며 BOP 테스트 모델과 실제 VRFB 충방전 시스템을 통해 계측 데이터의 정밀도를 분석하였다.
제작된 BMS의 성능시험은 BOP 테스트 모델을 통해 유량, 온도 및 레벨 센서의 계측 및 기능 시험을 수행 하였으며 그림 14는 제작된 BOP 테스트 모델을 나타낸다.

데이터처리

8kWh급 스택의 VRFB 충방전 시스템을 나타내고 있다. 충방전 전류는 100A로 설정하여 실험하였으며 전기적인 데이터는 오실로스코프로 실 계측하고 BMS 출력값과 비교하였다.

성능/효과

BOP 테스트 모델을 통해 기계적인 센서 신호인 유량, 온도 및 레벨 센서의 신호를 계측하였고 VRFB 충방전 시스템을 통해 전기적인 신호인 셀 전압, 스택전압, 스택전류를 계측하였으며 실 계측값과 BMS의 출력값을 비교 분석해 보면 정확도는 98% 이상으로 매우 우수한 정밀도를 나타내고 있다. 또한 계측된 VRFB 스택 전압과 누적 적산법에 의한 SOC 추정 알고리즘은 충방전 테스트 결과 양호하게 추정함을 알 수 있다.
BOP 테스트 모델을 통해 기계적인 센서 신호인 유량, 온도 및 레벨 센서의 신호를 계측하였고 VRFB 충방전 시스템을 통해 전기적인 신호인 셀 전압, 스택전압, 스택전류를 계측하였으며 실 계측값과 BMS의 출력값을 비교 분석해 보면 정확도는 98% 이상으로 매우 우수한 정밀도를 나타내고 있다. 또한 계측된 VRFB 스택 전압과 누적 적산법에 의한 SOC 추정 알고리즘은 충방전 테스트 결과 양호하게 추정함을 알 수 있다.

후속연구

따라서 제시한 VRFB용 BMS는 ESS 시스템 구성을 위한 전력변환장치에 적용이 가능하며 본 논문에서 제시한 BOP 구성 및 BMS 기능구현은 국내의 연구개발이 미흡한 VRFB용 BMS 개발에 대한 설계 자료 및 필수 기능구현 자료 등의 정량적 지표로 활용이 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레독스 흐름전지란?	레독스 흐름전지는 수용액 중에 서로 다른 산화수를 갖는 2종류의 화학종 레독스 쌍을 전극 반응시킴으로서 충방전 하는 전지이다. 이 전지는 레독스 쌍의 조성이 충방전에 따라 가역적으로 변화하는 것과는 대조적으로 전극에서는 단순히 전자의 주고받음만 행해지기 때문에 전극 자체의 변화가 거의 없고 전극과 활물질이 분리되어 있어 복잡한 전극반응이 일어나지 않으며 전지의 수명이 길고 용량 증설이 비교적 용이한 장점이 있다[10].
	VRFB용 BMS에 포함되는 제어알고리즘 및 기능은 어떻게 구성되는가?	VRFB용 BMS에 포함되는 제어알고리즘 및 기능은 온도제어, 유량제어, 레벨제어, 충․방전 제어 및 SOC 추정 기능으로 구성된다.
	레독스 흐름전지는 어떠한 장점이 있는가?	레독스 흐름전지는 수용액 중에 서로 다른 산화수를 갖는 2종류의 화학종 레독스 쌍을 전극 반응시킴으로서 충방전 하는 전지이다. 이 전지는 레독스 쌍의 조성이 충방전에 따라 가역적으로 변화하는 것과는 대조적으로 전극에서는 단순히 전자의 주고받음만 행해지기 때문에 전극 자체의 변화가 거의 없고 전극과 활물질이 분리되어 있어 복잡한 전극반응이 일어나지 않으며 전지의 수명이 길고 용량 증설이 비교적 용이한 장점이 있다[10]. 또한 양쪽 전극 액이 탱크에 의해 분리 저장되기 때문에 유입 액량에 의해 전지의 출력 제어가 가능하고, 전지 보수 및 관리가 용이하며 탱크의 용량을 변경하는 것만으로도 전력 저장량의 추정이 가능하다. 현재 레독스 흐름전지에 관한 연구는 주로 전지의 소재(전해액, 분리막, 커플 등) 부분에 대한 내용이 주를 이루고 있으며 이에 대한 연구가 활발히 진행 중이다[11-13].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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