[논문]항공기 저온 시동배터리에 적용된 기술

김용재

문제 정의

본 개발에서는 현재의 니켈 카드뮴 배터리의 저온 시 동 문제를 국내 최초 리튬이온전지를 이용한 항공기 시동 배터리 시스템 및 국내 최초 이중화 BMS 적용 기술, 3중 안전 설계의 지능형 히 팅 시스템으로 극복한 내용에 대해서 간단하게 기술하였다. 개발된 항공기 저온 시동 배터리 시제품 통하여 저온 시동 성능 검증은 완료하였고 현재 신뢰성(환경) 시험 인증 진행 중에 있으며 완료 후 사업화를 진행할 예정이다.
이 밖에도 신뢰성을 확보하기 위한 BMS(Battery Management System) 이중화, 전기 자동차에 적용되고 있는 지능화된 SOC(state-of-charge) 연산 알고리즘 기반으로 항공기의 특성을 고려하여 보완 개발, 고장진단 및 예측 알고리즘을 적용을 하여 항공기 저온 시동배터리를 2016년에 개발을 완료하였다(그림 5). 본 장에서는 항공기 저온 시동배터리 개발에 적용한 전력전자 기술 및 배터리 관리 기술에 대해서 소개하고자 한다.
이때, 초기 배터리팩과 장시간 배터리팩의 셀 간 전압 및 SOC 불균형 비율로부터 SOH를 예측하고자 한다.(저항과 용량정보로부터 SOH 가 예측됨을 착안)

제안 방법

배터리 Pack를 보호하는 케이스를 가볍고 부식에 강한 카본(Carbon)으로 제작하여 충격 및 부식, 염수분무 등에 대한 보호 설계를 한다. 그리고 온도 센서를 배터리 Pack에 일정한 간격의 위치에 장착하여 배터리 Pack 의 내부 온도 전체를 모니터링 할 수 있도록 설계한다.
지능형 히 팅 시스템을 내장하였다. 그리고 항공기 운용에서 급격한 고도 차이에 따른 열 충격을 최소화하기 위한 내부 단열재를 통한 보강 및 2중 케이스로 개발하였다. 이 밖에도 신뢰성을 확보하기 위한 BMS(Battery Management System) 이중화, 전기 자동차에 적용되고 있는 지능화된 SOC(state-of-charge) 연산 알고리즘 기반으로 항공기의 특성을 고려하여 보완 개발, 고장진단 및 예측 알고리즘을 적용을 하여 항공기 저온 시동배터리를 2016년에 개발을 완료하였다(그림 5).
배터리의 선정이 중요하다. 따라서 그림 6와 같이 개발을 진행하면서 가장 널리 사용 되고 있고 신뢰성이 확보된 배터리 셀을 통하여 직접 저온 시험을 진행하였다(그림 7). 배터리는 2S2P의 동일한 조건으로 구성하였으며 모두 배터리 충전기를 통하여 완충을 한 뒤 24시간 동안 저온 시험기에서 -32C로 보관을 하며 24시간 보관된 상태에서 각각의 배터리에 동일한 부하를 가하여 배터리에서 출력되는 전압 및 전류의 특성을 확인하였다(그림 8).
따라서 본 개발에서는 BMS의 안정성을 극대화하기 위하여 아래 그림의 Redundancy BMS 구성도와 같이 단일 BMS에 똑같은 BMS를 추가하여 구성을 하며 2중화 시스템은 기본적으로 Master 및 Slave 권한으로 동작을 하지만 모든 배터리의 상태를 감시하는 단일지점 오류를 완화하기 위해 2중화시스템은 독립적으로 감시와 상호 통신을 진행을 하여 Master 시스템이 오류가 발생하면 Slave 에서 바로 시스템 역할을 진행을 하여 안정성을 최대화 한다(그림 11).
제어에 대한 안전 설계가 필요하다. 따라서 안전 설계를 소프트웨어에 의한 안전 운영 및 하드웨어 적으로 히터 제어에 대한 안전 설계를 포함하여 개발을 하였다. 특히 히터 오동작에 대한 보호를 위해서 그림 15와 같이 히터 제어에 대해서 3중 안전 설계를 적용하였다.
2배)을 전력을 출력 할 수 있도록 부스 바를 설계 한다. 배터리 Pack를 보호하는 케이스를 가볍고 부식에 강한 카본(Carbon)으로 제작하여 충격 및 부식, 염수분무 등에 대한 보호 설계를 한다. 그리고 온도 센서를 배터리 Pack에 일정한 간격의 위치에 장착하여 배터리 Pack 의 내부 온도 전체를 모니터링 할 수 있도록 설계한다.
따라서 그림 6와 같이 개발을 진행하면서 가장 널리 사용 되고 있고 신뢰성이 확보된 배터리 셀을 통하여 직접 저온 시험을 진행하였다(그림 7). 배터리는 2S2P의 동일한 조건으로 구성하였으며 모두 배터리 충전기를 통하여 완충을 한 뒤 24시간 동안 저온 시험기에서 -32C로 보관을 하며 24시간 보관된 상태에서 각각의 배터리에 동일한 부하를 가하여 배터리에서 출력되는 전압 및 전류의 특성을 확인하였다(그림 8). 시험을 통하여 방전에 따른 전압 및 전류의 특성으로 저온 방전 성능이 가장 우수한 배터리 셀을 선정하였다.
. 병렬로 연결하여 개발 목표에 부합하는 출력 전압 및 배터리 용량을 가지도록 구성을 하며 배터리 다수의 셀을 안정적으로 고정하기 위해서 배터리 상부 및 하부 고정 브래킷을 제작하고 배터리 셀의 사이에는 CNT(탄소나노튜브) 히터를 적층으로 쌓아 제작하여 고정 하도록 개발하였다. 엔진 시동 시에 높은 전력 (15V, 600A, 9kW)를 순간적으로 출력할 때 안정성을 고려 l, lkW(1.
본 개발에 적용된 BMS의 적용기술은 그림 8과 같이 과충전, 과방전, 과전류, 과온도, 단락보호 등의 안전기능과 충전 제어, 셀 밸런싱 및 모니터링, 배터리 팩의 전압 및 전류 등의 모니터링, 배터리 고장 및 수명 예측 진단 (SOH : state-of-health), 충전 모델링 추정 (SOC : state-of- charge), 외부 전력 부하 분석, 히팅 시스템 저〕어, BMS 2 중화 동작등의 기능이 있다.
병렬로 연결하여 개발 목표에 부합하는 출력 전압 및 배터리 용량을 가지도록 구성을 하며 배터리 다수의 셀을 안정적으로 고정하기 위해서 배터리 상부 및 하부 고정 브래킷을 제작하고 배터리 셀의 사이에는 CNT(탄소나노튜브) 히터를 적층으로 쌓아 제작하여 고정 하도록 개발하였다. 엔진 시동 시에 높은 전력 (15V, 600A, 9kW)를 순간적으로 출력할 때 안정성을 고려 l, lkW(1.2배)을 전력을 출력 할 수 있도록 부스 바를 설계 한다. 배터리 Pack를 보호하는 케이스를 가볍고 부식에 강한 카본(Carbon)으로 제작하여 충격 및 부식, 염수분무 등에 대한 보호 설계를 한다.
그리고 항공기 운용에서 급격한 고도 차이에 따른 열 충격을 최소화하기 위한 내부 단열재를 통한 보강 및 2중 케이스로 개발하였다. 이 밖에도 신뢰성을 확보하기 위한 BMS(Battery Management System) 이중화, 전기 자동차에 적용되고 있는 지능화된 SOC(state-of-charge) 연산 알고리즘 기반으로 항공기의 특성을 고려하여 보완 개발, 고장진단 및 예측 알고리즘을 적용을 하여 항공기 저온 시동배터리를 2016년에 개발을 완료하였다(그림 5). 본 장에서는 항공기 저온 시동배터리 개발에 적용한 전력전자 기술 및 배터리 관리 기술에 대해서 소개하고자 한다.
본 개발에서의 배터리 시스템은 -32"C 저온 시동(cold craning) 이목적이므로, SOC 추정알고리즘의 중요성이 상대적으로 떨어지게 된다. 즉, 배터리 어플리케이션에 많이 사용되는 전류 적산법 만으로 SOC 추정이 가능하며 히팅을 통해 제어된 온도에서의 개방전압(open-circuit voltage)으로부터 초기 SOC 정보를 파악하고, 저온 시동에 따른 전류와 시간의 누적으로 SOC 변화량을 계산하여 SOC를 추정한다.
따라서 안전 설계를 소프트웨어에 의한 안전 운영 및 하드웨어 적으로 히터 제어에 대한 안전 설계를 포함하여 개발을 하였다. 특히 히터 오동작에 대한 보호를 위해서 그림 15와 같이 히터 제어에 대해서 3중 안전 설계를 적용하였다.

대상 데이터

그리고 부수적으로 배터리팩의 온도를 측정하기 위 한 온도센서 , 입출력 전류를 측정하기 위 한 전류션트 센서, 충 . 방전을 제어하기 위한 FET 등으로 구성되어있다.
배터리는 2S2P의 동일한 조건으로 구성하였으며 모두 배터리 충전기를 통하여 완충을 한 뒤 24시간 동안 저온 시험기에서 -32C로 보관을 하며 24시간 보관된 상태에서 각각의 배터리에 동일한 부하를 가하여 배터리에서 출력되는 전압 및 전류의 특성을 확인하였다(그림 8). 시험을 통하여 방전에 따른 전압 및 전류의 특성으로 저온 방전 성능이 가장 우수한 배터리 셀을 선정하였다.
이지파워는 항공기 전기 계통도(그림 4)에서와 같이 -32°C 이상에서 외부전원 없이 탑재 배터리만으로 2회 이상 연속 엔진 시동 가능한 항공기 저온 시동배터리를 개발하기 위하여 배터리 ICT 기술을 유합한 고효율 리튬이온 배터리를 적용하였고 지능형 히 팅 시스템을 내장하였다. 그리고 항공기 운용에서 급격한 고도 차이에 따른 열 충격을 최소화하기 위한 내부 단열재를 통한 보강 및 2중 케이스로 개발하였다.

후속연구

개발된 항공기 저온 시동 배터리 시제품 통하여 저온 시동 성능 검증은 완료하였고 현재 신뢰성(환경) 시험 인증 진행 중에 있으며 완료 후 사업화를 진행할 예정이다. 그리고 본 개발에서 축적한 배터리 관련 전력전자 기술과 지속적인 연구개발을 통하여 성능 향상과 가격경쟁력 확보로 군수용 비상전원 시스템, 군사용 장비의 배터리 시스템, 차세대전투기 등 신뢰성 및 안전성, 고품질 및 고성능이 필요한 다양한 배터리의 전력전자 분야에 확대 적용할 계획이다.
개발된 항공기 저온 시동 배터리 시제품 통하여 저온 시동 성능 검증은 완료하였고 현재 신뢰성(환경) 시험 인증 진행 중에 있으며 완료 후 사업화를 진행할 예정이다. 그리고 본 개발에서 축적한 배터리 관련 전력전자 기술과 지속적인 연구개발을 통하여 성능 향상과 가격경쟁력 확보로 군수용 비상전원 시스템, 군사용 장비의 배터리 시스템, 차세대전투기 등 신뢰성 및 안전성, 고품질 및 고성능이 필요한 다양한 배터리의 전력전자 분야에 확대 적용할 계획이다. 磚

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