[논문]리튬 배터리 퓨즈 온도 보상에 따른 과전류 시퀀스 제어 알고리즘 설계

송정용; 허창수

doi:10.4313/jkem.2019.32.1.58

리튬 배터리 퓨즈 온도 보상에 따른 과전류 시퀀스 제어 알고리즘 설계
Design of Over Current Sequence Control Algorithm According to Lithium Battery Fuse Temperature Compensation 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.1, 2019년, pp.58 - 63

Abstract ▼ AI-Helper

Lithium-ion batteries used for IT, automobiles, and industrial energy-storage devices have battery management systems (BMS) to protect the battery from abnormal voltage, current, and temperature environments, as well as safety devices like, current interruption device (CID), fuse, and vent to obtain positive temperature coefficient (PTC). Nonetheless, there are harmful to human health and property and damage the brand image of the manufacturer because of smoke, fire, and explosion of lithium battery packs. In this paper, we propose a systematic protection algorithm combining battery temperature, over-current, and interconnection between protection elements to prevent copper deposition, internal short circuit, and separator shrinkage due to frequent and instantaneous over-current discharges. The parameters of the proposed algorithm are suggested to utilize the experimental data in consideration of battery pack operating conditions and malicious conditions.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Block diagram of the battery management system.
표 Table 1. Specification of the battery pack.
그림 Fig. 2. Advanced over current protection and alarm region.
표 Table 2. Parameters of advanced over current protection algorithm.
그림 Fig. 3. Discharge voltage and current profile at each condition with FET and cell temperature.
그림 Fig. 4. Over current protection alarm by terminal wiring.
그림 Fig. 5. Power derating by CFP.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 충/방전 과전류로 인하여 셀의 내부 온도 상승 및 압력 상승으로 발연 및 발화를 야기하고 나아가서 배터리 팩의 열 폭주 상태, 최악의 경우 연쇄 폭발로 이어지는 비정상적인 상황을 보호하고자 각형 배터리 보호 소자인 퓨즈 동작 특성과 셀 온도, BMS의 보호 기능을 복합적으로 고려하여 순차적으로 동작하는 과전류 보호 알고리즘을 제안하여 응용 분야별 신뢰성과 안전성을 확보하고자 한다 [4,5].

제안 방법

각형 배터리 팩에 내장된 퓨즈는 온도 및 방전 전류의 비선형적인 동작 특성을 고려하여 운영할 수 있도록 BMS 하드웨어와 실시간 측정되는 모니터링 값을 연산하고 이에 따라 출력 제어가 가능하도록 소프트웨어 및 알고리즘으로 구현하였다.
결론적으로 선택한 각형 배터리의 퓨즈 보호 영역을 기준으로 온도 및 방전 전류에 따른 알람, 스위칭 제어를 할 수 있도록 파라미터를 구성하였으며 이는 사용하는 배터리의 동작 특성과 시스템의 동작 특성을 상호 고려하여 협조 제어를 할 수 있도록 알고리즘을 구현하였으며, 실험을 통한 알고리즘 동작 상태를 확인하였다 [7].

대상 데이터

실험 샘플 제작은 103450 리튬 각형 배터리 4개를 스팟 용접을 통하여 직렬로 연결하고 각 단위 셀들의 전압, 팩 전류, 배터리 표면 온도를 실시간 모니터링할 수 있도록 BMS를 구성하였고 블록다이어그램은 그림 1과 같다.

성능/효과

즉 각형 배터리를 사용하는 배터리 팩의 경우, 사용하는 리튬 배터리의 전기화학적 동작 특성을 이해하고 출력 사양의 신뢰성 및 내부 장착된 안전소자의 안전성을 고려하여 과전류 시퀀스 제어 알고리즘을 구현함으로써 응용시스템의 출력 신뢰성 및 안전성을 확보할 수 있었다. 또한 복합적인 시퀀스 제어 동작을 위하여 선정된 파라미터는 각형 배터리 4대 구성 재료의 특성이 그대로 반영된 최대 실험 마진 값을 고려함으로 발연이나 발화, 폭발과 같은 비정상적인 동작 안전성을 검증할 수 있었다.
즉 각형 배터리를 사용하는 배터리 팩의 경우, 사용하는 리튬 배터리의 전기화학적 동작 특성을 이해하고 출력 사양의 신뢰성 및 내부 장착된 안전소자의 안전성을 고려하여 과전류 시퀀스 제어 알고리즘을 구현함으로써 응용시스템의 출력 신뢰성 및 안전성을 확보할 수 있었다. 또한 복합적인 시퀀스 제어 동작을 위하여 선정된 파라미터는 각형 배터리 4대 구성 재료의 특성이 그대로 반영된 최대 실험 마진 값을 고려함으로 발연이나 발화, 폭발과 같은 비정상적인 동작 안전성을 검증할 수 있었다.

후속연구

이처럼 배터리 팩을 사용하는 응용 분야의 특성, 리튬 배터리 자체 특성 간의 신뢰성, 안전성 동작을 고려하여 알고리즘을 구현하고 파라미터를 선정하여 적용함으로써 사용자에게 보다 안전한 배터리 팩 설계를 제안할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	각형 배터리의 열 폭주 현상의 이유는 무엇인가?	특히 각형 배터리 팩에서 사양을 벗어나는 과전류나 단락 전류는 전지 내압의 상승보다는 가열 속도가 급격하여 자기발열반응이 일어나며 동시에 고온 상태에 이르러 열폭주 현상이 일어난다. 즉, 전지 내부에서 순차적으로 음극에 의한 전해액의 환원 반응 이후 열분해반응, 양극 표면에서의 전해액의 산화반응으로 진행되고 나아가서 130~150℃ 부근에서 음극의 열분해 및 양극의 열분해반응으로 발연, 발화가 이루어 지며 다수의 배터리 팩에서는 연쇄 폭발까지 나타날 수 있다. 이러한 과전류 특성은 사용한 리튬계 배터리의 활물질과 전해질, 분리막 특성 및 제조 특성에 따라 다르며 배터리 내부의 안전 소자 동작 영역을 최대 마진으로 고려하여 차단하고 보호하여야 한다.
	리튬 배터리가 현재 휴대용 제품과 더불어 다양한 분야에 적용되고 있는 이유는 무엇인가?	리튬 배터리는 높은 에너지 밀도, 낮은 자가 방전율, 긴 수명 등의 장점 때문에 현재 휴대용 제품은 물론 친환경 자동차, 신재생에너지 전력망에 적용되는 에너지 저장 장치(energy storage system, ESS) 등 각 응용 분야에 적용되고 있다. 응용 분야별 배터리 팩은 과충전, 과방전, 고온 환경 등의 안전성을 고려하여 여러 가지 보호 기능이 기본적으로 구현되어 있는 배터리 관리 장치(battery management system, BMS)를 적용한다 [1,2].
	소형 LCO 리튬 배터리의 전지 발화의 원인은 무엇인가?	소형 LCO 리튬 배터리는 고온 환경이나 과충전, 과전류 등에 의해 전지 온도가 상승하게 되면 만충전상태에 있는 양극활물질 Li0.5CoO2와 CoO2가 열역학적으로 안정한 상태를 가지고자 분해 산소를 급격하게 방출하고 온도 상승된 전지는 내부 전해액 용매를 기화시켜 전지 내부에 채워지게 되는데, 이는 양극에서 발생 된 산소와 전해액에서 발생된 유기용매 가스가 반응하여 전지의 발화를 유발한다. 또한 대형 리튬 배터리에 서는 고온 사이클 특성 및 저온 출력 향상, 용량, 스웰링 특성 등을 개선하기 위하여 음극의 표면에 형성되는 고체 전해질 피막(solid electrolyte interphase, SEI)을 견고하게 형성하고 프로필렌 카보네이트에 다양한 첨가제를 넣어 전해질을 선택하는데, 장기간 사용 환경에 따라 노화된 전극층의 내부 저항이 높아져 국부적 반응으로 이어지고 나아가서 리튬 금속의 석출, 용해 과정이 반복되면서 덴드라이트까지 발생하여 내부 단 락까지 일어날 수 있다.

참고문헌 (8)

A. T. Elsayed, C. R. Lashway, and O. A. Mohammed, IEEE Trans. Smart Grid, 7, 897 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1109/tsg.2015.2418677]

상세보기
K.W.E. Cheng, B. P. Divakar, H. Wu, K. Ding, and H. F. Ho, IEEE Trans. Veh. Technol., 60, 76 (2011). [DOI: https://doi.org/10.1109/TVT.2010.2089647]

상세보기
I. Ayub, Making sense of complex global lithium-ion battery regulations, https://www.edn.com/design/power-management/4458542/Making-sense-of-complex-global-lithium-ion-battery-regulations (2017).
T. H. Dubaniewicz and J. P. DuCarme, IEEE Trans. Ind. Appl., 49, 2451 (2013). [DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2013. 2263274]

상세보기
B. G. Carkhuff, P. A. Demirev, and R. Srinivasan, IEEE Trans. Ind. Electron., 65, 6497 (2018). [DOI: https://doi.org/10.1109/TIE. 2017.2786199]

상세보기
S. N. Motapon, A. Lupien-Bedard, L. A. Dessaint, H. Fortin-Blanchette, and K. Al-Haddad, IEEE Trans. Ind. Electron., 64, 998 (2017). [DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2618363]

상세보기
W. Guo, L. Xiao, and S. Dai, IET Gener. Transm. Distrib., 10, 653 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1049/iet-gtd.2014.1158]

상세보기
Q. Wu and Z. Zhu, IEEE Trans. Power Electron., 32, 8969 (2017). [DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2701507]

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증