[논문]BMS 정밀도 향상을 위한 셀 밸런싱용 션트 고정저항의 허용오차 저감 방법

김은민; 손미라; 강창룡

doi:10.5370/kiee.2018.67.8.1055

BMS 정밀도 향상을 위한 셀 밸런싱용 션트 고정저항의 허용오차 저감 방법
A Method of Reducing a Tolerance of a Shunt Resistor for Balance of the Battery Cell to Improve a Precision of BMS 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.8, 2018년, pp.1055 - 1061

김은민 (Seoul National University Electric Power Research Institute) , 손미라 (Dept. of Metallurgical Engineering, Pukyong National University) , 강창룡 (Dept. of Metallurgical Engineering, Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, due to the rapid development of electric vehicle and energy storage system, it is emphasized for battery management system to be needed and to be improved. BMS carries out various movement for optimization the use of the energy and safe use of secondary battery, these movement of BMS start at high wattage shunt fixed resistor which performs a function for detecting current among the BMS components. In addition, for the safe operation of secondary battery, the reliability of current voltage variation detected from shunt should be secured, and for corresponding characteristics, the quality of Temperature coefficient of resistance for BMS shunt and the quality of Thermo electromotive force all must be excellent. For these reasons, this study comes up with the stabilization plan for thermo electromotive force and temperature coefficient of resistance of BMS shunt resistor which is key to secondary battery operation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전기자동차에 적용되는 이차전지 관리 시스템의 동작에 시작이 되는 감지 센싱용 대전력 션트저항의 열기전력 특성과 저항온도계수 특성의 설계를 통하여 합금 저항체의 전기적인 특성을 고찰하였다. 제작된 합금 저항 금속의 조성을 확인하기 위해 EDX 분석을 수행하였으며, 설계한 션트의 금속 압연 판재가 양호하게 제작되었음을 알 수 있었다.
이에 본 연구에서는 BMS의 션트에 필요한 정밀 감지 능력을 구현하기 위하여 합금의 함량을 최소로 하여 저항금속과 단자금속 간의 온도 구배를 최소화하며, T.C.R은 안정적인 합금 설계와 열의 이동을 조정하여 EMF 특성과 T.C.R 특성을 동시에 만족하는 BMS용 대전력 션트의 허용오차를 저감하였다.
제작된 합금 저항 금속의 조성을 확인하기 위해 EDX 분석을 수행하였으며, 설계한 션트의 금속 압연 판재가 양호하게 제작되었음을 알 수 있었다. 현재 이차전지 BMS용 션트 저항에 전반적으로 사용되고 있는 망가닌 재료를 기본으로 망가닌 재료가 구현하지 못하는 낮은 온도에서의 EMF 특성을 만족하기 위한 망간의 함량을 조절한 실험을 진행하였다. 실험 결과로부터 3wt%Mn, 5wt%Mn에서 낮은 저항온도 계수와 우수한 열기전력 특성을 만족하였고 션트 저항의 합금 설계에서 합금의 함량에 따른 저항온도계수 특성과 열기전력 특성은 서로 상충되는 관계가 있음을 확인하였다.

제안 방법

전기적인 특성의 측정을 위해 BMS용 션트 저항의 구조를 15W 급의 상용 규격 크기로 제작하였고 그림 6과 같다[8]. 그리고 각각 비저항이 다른 합금의 최종 저항 값을 일치시키기 위하여 저항 금속의 두께를 조정하여 샘플을 제작하였다.
동일 조건에서의 실험을 위해 각 조성의 션트를 일괄 100μΩ으로 제작하여 그림 6에 표시한 동일한 측정 지점에서 저항을 확인하였다.
그림 11에는 온도 변화에 따른 각 합금의 열기전력 상승을 나타내었다. 실험은 제벡효과와 펠티어의 영향을 고려한[11] 전기적 발열 시험과 간접 발열을 기본으로 하는 환경발열 조건에서의 시험으로 구분되며 시험은 환경 발열 조건에서의 시험을 실시하였고 실험에 적용된 설비는 그림 12와 같다.
우수한 저항온도 계수의 망가닌에서 EMF 특성을 만족하고 T.C.R도 우수한 합금을 구성하기 위하여 망가닌의 망간을 낮추어 합금을 제작하였다. 기준 금속인 Cu-2wt%Ni에 Mn을 각 3 wt%와 5wt%, 10wt%, 12wt%의 합금을 진공용융로에서 용융하여 잉곳 형태로 제조하였고 표 2와 같다.
이후에 분산화 열처리와 상하부 편석제거를 통해 농도를 조정하고 압연 공정을 이용하여 판재 형태로 제조하였다.
저항을 측정한 션트로부터 그림 9와 같이 온도 변화에 따른 션트의 저항 변화를 측정하였고, 결과로부터 각 저항체의 저항 온도 계수 값을 식 (1)와 같이 25℃에서 125℃까지 범위 내에서 산출하였다.
제작된 합금의 조성을 확인하기 위해 EDX 분석을 수행하였으며, 전기적인 특성으로는 제작 합금의 저항, 온도변화에 따른 저항변화, EMF 특성 변화에 의한 전위차 등을 측정하였다. 전기적인 특성의 측정을 위해 BMS용 션트 저항의 구조를 15W 급의 상용 규격 크기로 제작하였고 그림 6과 같다[8].

대상 데이터

R도 우수한 합금을 구성하기 위하여 망가닌의 망간을 낮추어 합금을 제작하였다. 기준 금속인 Cu-2wt%Ni에 Mn을 각 3 wt%와 5wt%, 10wt%, 12wt%의 합금을 진공용융로에서 용융하여 잉곳 형태로 제조하였고 표 2와 같다.
저항 측정 샘플은 각 조성에 따라 제작된 20ea의 샘플을 대상으로 실험하였고 실험 결과 그림 8과 같이 각 저항은 합금 저항체의 동일 저항을 구현하기 위하여 저항 금속의 두께를 조정하여 일정한 산포의 저항을 구현할 수 있었다.
동일 조건에서의 실험을 위해 각 조성의 션트를 일괄 100μΩ으로 제작하여 그림 6에 표시한 동일한 측정 지점에서 저항을 확인하였다. 저항 측정 샘플은 각 조성에 따라 제작된 20ea의 샘플을 대상으로 실험하였고 실험 결과 그림 8와 같이 각 저항은 합금 저항체의 동일 저항을 구현하기 위하여 저항 금속의 두께를 조정하여 일정한 산포의 저항을 구현할 수 있었다. 모든 망간 조성에서 각각 20개의 샘플이 0.

성능/효과

EMF 특성 시험 결과로부터 션트의 안정과 온도 상승에 따라 기전력이 낮은 합금을 구현하기 위해서는 단자 금속인 Cu와 유사도가 가장 가깝고, 온도상승의 편차가 크지 않은 합금을 션트 금속으로 사용 할수록 EMF 특성이 안정됨을 확인할 수 있었다. 결과적으로 높은 합금 조성은 저항온도 계수는 안정할 수 있지만 이에 따라 저항 금속과 단자 금속의 열전도도와 전기전도도 차이에 의한 온도 구배가 발생함을 확인할 수 있다.
R과 EMF특성을 동시에 만족하는 합금 설계에서 허용 오차 및 경감 곡선으로 고려한 마진 설계를 포함해야 하며, 이를 위한 온도전체에서 Cu-Mn 합금조성에 따른 역기전력을 그림 15에 나타내었다. 결과로 부터 Cu-3Mn-2Ni 합금과 Cu-5Mn-2Ni 합금이 본 연구에서 설계한 BMS용 정밀 대전력 션트 저항의 특성을 만족하여 적절한 합금 설계가 이루어 졌음을 알 수 있다.
EMF 특성 시험 결과로부터 션트의 안정과 온도 상승에 따라 기전력이 낮은 합금을 구현하기 위해서는 단자 금속인 Cu와 유사도가 가장 가깝고, 온도상승의 편차가 크지 않은 합금을 션트 금속으로 사용 할수록 EMF 특성이 안정됨을 확인할 수 있었다. 결과적으로 높은 합금 조성은 저항온도 계수는 안정할 수 있지만 이에 따라 저항 금속과 단자 금속의 열전도도와 전기전도도 차이에 의한 온도 구배가 발생함을 확인할 수 있다. 그리고 해당 온도 구배는 온도가 높은 금속에서 낮은 금속 쪽으로 전자의 이동을 활발히 하여 EMF특성에 악영향이 된다.
대표 샘플의 단면 확인 결과 그림 7의 전자 빔 용접 부 단면과 같이 내부에 기공 혹은 결함이 없고 전체 면에 대하여 용입 깊이가 충분하여 미용접 부가 없는 상태를 확인할 수 있었다.
모든 망간 조성에서 각각 20개의 샘플이 0.101mΩ과 0.099mΩ 사이에 저항이 분포하여 저항 값 허용오차 F급(1%) 이내로 BMS용 션트의 특성을 만족하였고 각각 조성에 따라 평균 99.98μΩ, 99.85μΩ, 100.03μΩ, 100.12μΩ을 나타내었다.
실험 결과 그림 9와 같이 3wt%, 5wt%, 10wt%, Mn이 포함된 Cu-Mn 합금에서는 각각 최종 T.C.R 평균 47.56ppm/℃과 44.55ppm/℃, 40.48ppm/℃의 저항온도계수가 측정되었으며, 표준 션트 저항으로 지정되어 사용되고 있는 망가닌 Cu-12Mn-2Ni 합금은 T.C.R 평균 30.11ppm/℃으로 가장 안정적인 특성이 나타나 Mn의 함량에 따라 비례적으로 T.C.R이 낮아짐을 확인하였다.
현재 이차전지 BMS용 션트 저항에 전반적으로 사용되고 있는 망가닌 재료를 기본으로 망가닌 재료가 구현하지 못하는 낮은 온도에서의 EMF 특성을 만족하기 위한 망간의 함량을 조절한 실험을 진행하였다. 실험 결과로부터 3wt%Mn, 5wt%Mn에서 낮은 저항온도 계수와 우수한 열기전력 특성을 만족하였고 션트 저항의 합금 설계에서 합금의 함량에 따른 저항온도계수 특성과 열기전력 특성은 서로 상충되는 관계가 있음을 확인하였다.
실험결과로부터 그림 13와 같이 모든 합금에서 높은 온도 EMF특성기준인 3μV 이하는 특성을 만족하였지만 그림 14와 같이 낮은 온도 EMF 특성인 0.3μV는 합금 3wt%Mn과 5wt%Mn, 10wt%Mn 만이 특성을 만족하였다.
이차전지의 안전한 동작에 핵심이 되는 BMS의 오동작을 최소화하기 위하여 감지 동작의 시작이 되는 션트 저항의 열기전력은 낮을 수 록 안정적이고 본 연구의 결과로부터 션트 저항의 기본특성을 만족하며 열기전력을 최소화 한 적절한 함금 설계가 이루어 졌다고 생각할 수 있다.
본 논문에서는 전기자동차에 적용되는 이차전지 관리 시스템의 동작에 시작이 되는 감지 센싱용 대전력 션트저항의 열기전력 특성과 저항온도계수 특성의 설계를 통하여 합금 저항체의 전기적인 특성을 고찰하였다. 제작된 합금 저항 금속의 조성을 확인하기 위해 EDX 분석을 수행하였으며, 설계한 션트의 금속 압연 판재가 양호하게 제작되었음을 알 수 있었다. 현재 이차전지 BMS용 션트 저항에 전반적으로 사용되고 있는 망가닌 재료를 기본으로 망가닌 재료가 구현하지 못하는 낮은 온도에서의 EMF 특성을 만족하기 위한 망간의 함량을 조절한 실험을 진행하였다.
특히 현재 상용 사용 중인 Cu-12Mn-2Ni 망가닌은 이론적 최저 T.C.R이 ±20ppm으로 현재 시판중인 션트의 설계가 온도에 따른 저항의 안정상에 중점을 두고 있음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BMS용 션트 저항의 열기전력 제한이 필요한 이유는 무엇인가?	그리고 구조적 특성과 낮은 저항으로 인한 다른 일반적인 션트 저항에서는 요구되지 않는 열기전력에 대한 단자와 저항금속의 전위차 발생이 제한된다. 즉 그림 5와 같이 이종 금속간의 용접 접합으로 설계된 BMS용 션트 저항은 전류 통전으로 인한 혹은 주변 온도의 변화로 인하여 소재의 온도가 상승하면 저항금속과 단자금속 간에 온도 상승 차이가 발생해 제백효과(Seebeck Effect)에 의한 전자의 이동으로 전위차가 발생하게 된다. 일반적인 저항일 경우 해당 현상의 영향이 없지만 BMS용 션트 저항은 감지의 기능에 심각한 오류를 수반하게 되어 열기전력(Thermo Electromotive Force: 이하 EMF특성)의 제한이 필요하며 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance: 이하 T.
	리튬이온 전지의 특징은 무엇인가?	ESS 에너지저장 시스템으로 사용되고 있는 여러 대용량 이차전지 중 리튬이온 전지는 단위 질량과 부피당 보유한 에너지 밀도가 높고 전류를 원하는 형태로 만들 수 있는 유연성으로 인하여 적용 가능한 이차전지 중 현재 가장 주목받고 있다[1]. 하지만 이차전지 내부 셀들의 전압 및 온도가 일정하게 유지되지 않는다면 이차전지의 성능과 수명은 낮아지게 되고, 사용 중 이차전지 내부에서 지속적인 충격과 방전 동작의 반복으로 인하여 의도하지 않은 원인의 과전류, 과전압, 과부하 등과 같은 상황이 지속될 수 있으며, 화재와 폭발로 이어질 위험이 있다[2].
	이차전지 내부 셀들의 전압 및 온도가 일정하게 유지되지 않는다면 발생하는 문제는 무엇인가?	ESS 에너지저장 시스템으로 사용되고 있는 여러 대용량 이차전지 중 리튬이온 전지는 단위 질량과 부피당 보유한 에너지 밀도가 높고 전류를 원하는 형태로 만들 수 있는 유연성으로 인하여 적용 가능한 이차전지 중 현재 가장 주목받고 있다[1]. 하지만 이차전지 내부 셀들의 전압 및 온도가 일정하게 유지되지 않는다면 이차전지의 성능과 수명은 낮아지게 되고, 사용 중 이차전지 내부에서 지속적인 충격과 방전 동작의 반복으로 인하여 의도하지 않은 원인의 과전류, 과전압, 과부하 등과 같은 상황이 지속될 수 있으며, 화재와 폭발로 이어질 위험이 있다[2].

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저자의 다른 논문 :

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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