[논문]고효율 리튬폴리머 축전지 관리시스템 개발

신현주; 고영철; 김덕호; 배은섭; 이세현

고효율 리튬폴리머 축전지 관리시스템 개발
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신현주 (현대중공업) , 고영철 (현대중공업) , 김덕호 (현대중공업) , 배은섭 (현대중공업) , 이세현 (현대중공업)

침몰한 잠수함 승조원의 구조용으로 사용되는 구난잠수정은 주 전원과 보조전원으로 축전지가 필수적으로 사용된다. 그러나 사용 중인 축전지 모듈이나 뱅크의 일부 셀(Cell)에 불량이 발생하면 전체 축전지 뱅크의 기능이 저하되어 구난정 시스템을 적절히 운영하지 못하여 제대로 임무를 수행하지 못하거나 커다란 손실을 가져온다. 그리고 축전지에 과 충전이나 과 방전이 발생하면 축전지가 폭발하여 화재가 발생하거나 축전지 내부 구조의 파괴로 더 이상 사용 못하는 경우가 발생한다. 따라서 이와 같이 축전지에 손상을 줄 수 있는 상황을 미연에 방지하여 축전지가 최적의 동작 상태를 유지할 수 있도록 해주고 전체 시스템의 신뢰성을 향상시키기 위하여 본 논문에서는 구조잠수정용 리튬폴리머 (Lithium Polymer) 축전지 관리장치의 개발을 수행하였다. 본 논문을 통해 축전지 관리 장치(BMS : Battery Management System)의 핵심기술인 H/W 및 S/W 설계기술, 각 Cell의 전압 제어기술, SOC(State of Charge) 제어 알고리즘 도출 및 시스템 운영 기술을 구현하였으며 개발된 알고리즘과 기능은 충 방전 부하시험과 한국 선급인증시험을 통해 유효한 방식임을 확인하였다.

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문제 정의

이러한 연납 축전지는 100년 이상 세계시장에서 사용하고 있으나, 에너지 밀도와 효율이 낮아 충전 후 사용되는 방전시간이 짧고, 유지보수에 많은 시간과 경비를 요구한다. 따라서, 연납축전지를 대체할 대용량 고효율 축전지를 경쟁적으로 요구하고 있으며, 이러한 시장의 요구 사항에 부응하기 위해서 본 논문에서는 리튬폴리머 축전지 관리시스템을 개발하였다.
본 논문에서는 구조잠수정용 리튬폴리머 (Lithium Polymer) 축전지 관리시스템(BMS)의 개발을 수행하였다. BMS의 핵심 기술인 H/W 및 S/W 설계기술, 각 Cell의 전압 제어기술, SOC(State of Charging) 제어 알고리즘 도출 및 시스템 운영 기술에 대해 기술하였으며 개발된 알고리즘과 기능은 충 방전부하시험과 한국 선급인증시험을 통해 유효한 방식임을 확인하였다.
기존의 구난잠수정용 축전지 관리시스템은 단순히 현재 계측되는 축전지의 전체 전압, 전류 값을 읽고 사용자의 경험에 의해 시스템을 운영함으로써 축전지 보호 및 SOC계산 등의 본래의 기능을 구현하는데 어려움을 겪고 있었다. 이러한 문제점을 해결하기위해 본 논문에서는 축전지 각각의 Cell 전압, 온도 및 전체 전류를 검출하여 분석함으로써 개별 불량 축전지를 사전에 감지하여 교체할 수 있어 축전지 보호 및 수명연장 기능을 수행하도록 하였다. 그리고 축전지의 용량이나 수명특성과 관계있는 축전지의 잔존용량을 정확히 산출하기 위해 SOC 산출 알고리즘을 설계하였다.

제안 방법

그림 2의 구성도에서 알 수 있듯이 축전지 관리시스템의 기본 구성은 1개의 Master가 3개의 Slave를 관리하는 구조이며 이와 같은 구조를 병렬로 연결하여 전체 축전지 관리시스템을 구성하였다. Slave 보드를 이용하여 전압, 온도 등의 Data 검출기능을 수행하며 검출된 데이터를 분석하여 축전지 Cell 밸란싱 제어, 축전지의 보호 및 알람 기능을 수행하도록 되어있고 Master 보드는 Slave 보드에서 전달된 실측값과 전류를 이용하여 에너지 잔존용량을 계산하는 기능을 수행하고 충전 제어 기능을 통해 축전지를 안전하게 충전시키며 현재 검출하거나 계산된 축전지의 실시간 데이터를 디스플레이 장치에게 전달하는 기능으로 구성되어있다. 그리고 각각의 장치간의 인터페이스는 RS232, RS485 통신을 이용하여 구현된다.
구현된 시스템의 신뢰성을 확인하기위해 외부 인증 시험기관을 통해 인증시험을 실시하였다. 시험항목과 결과는 아래의 표와 같다.
이러한 문제점을 해결하기위해 본 논문에서는 축전지 각각의 Cell 전압, 온도 및 전체 전류를 검출하여 분석함으로써 개별 불량 축전지를 사전에 감지하여 교체할 수 있어 축전지 보호 및 수명연장 기능을 수행하도록 하였다. 그리고 축전지의 용량이나 수명특성과 관계있는 축전지의 잔존용량을 정확히 산출하기 위해 SOC 산출 알고리즘을 설계하였다. 현재 SOC의 산출에 이용되고 있는 방법으로는 개로 전압 측정법, 내부 저항 측정법, 전류·시간(AH) 누적법, 비중 측정법등이 있는데 본 논문에서 구현한 잔존용량 계산 방법은 전원투입 시 개로 전압을 읽어서 초기 잔존용량을 산출하고 이후 AH 누적법을 사용하여 잔존용량을 산출하는 방법을 사용하였으며 AH 누적법의 문제인 누적오차를 보정하는 방법을 사용함으로써 잔존용량의 계산 오차를 줄일 수 있었다.
현재 SOC의 산출에 이용되고 있는 방법으로는 개로 전압 측정법, 내부 저항 측정법, 전류·시간(AH) 누적법, 비중 측정법등이 있는데 본 논문에서 구현한 잔존용량 계산 방법은 전원투입 시 개로 전압을 읽어서 초기 잔존용량을 산출하고 이후 AH 누적법을 사용하여 잔존용량을 산출하는 방법을 사용하였으며 AH 누적법의 문제인 누적오차를 보정하는 방법을 사용함으로써 잔존용량의 계산 오차를 줄일 수 있었다. 그리고 충 방전 부하시험과 한국 선급 기준의 인증시험을 통해 개발한 알고리즘과 기능의 신뢰성을 확인하였다.
제안된 SOC 알고리즘은 전압 및 전류 등의 실측값을 측정하고 그 측정된 데이터인 전류와 시간의 누적된 값에 의해 SOC의 실시간 계산이 가능한 AH 누적법을 사용하였는데 초기 SOC 산출은 축전지 업체가 제공하는 OCV *-SOC 관련 데이터를 이용하고 이후 SOC 계산은 AH 누적법을 적용하였다. 아래의 그림 4는 구현한 SOC 산출 알고리즘의 흐름도이다.
현재 SOC의 산출에 이용되고 있는 방법으로는 개로 전압 측정법, 내부 저항 측정법, 전류·시간(AH) 누적법, 비중 측정법등이 있는데 본 논문에서 구현한 잔존용량 계산 방법은 전원투입 시 개로 전압을 읽어서 초기 잔존용량을 산출하고 이후 AH 누적법을 사용하여 잔존용량을 산출하는 방법을 사용하였으며 AH 누적법의 문제인 누적오차를 보정하는 방법을 사용함으로써 잔존용량의 계산 오차를 줄일 수 있었다.

성능/효과

본 논문에서는 구조잠수정용 리튬폴리머 (Lithium Polymer) 축전지 관리시스템(BMS)의 개발을 수행하였다. BMS의 핵심 기술인 H/W 및 S/W 설계기술, 각 Cell의 전압 제어기술, SOC(State of Charging) 제어 알고리즘 도출 및 시스템 운영 기술에 대해 기술하였으며 개발된 알고리즘과 기능은 충 방전부하시험과 한국 선급인증시험을 통해 유효한 방식임을 확인하였다.
표 1은 대표적으로 사용되는 이차전지를 나타내고 있으며, 각각의 항목들을 비교해 볼 때 리튬계열의 이차전지가 다른 전지에 비해서 우수한 성능 및 수명을 가지고 있음을 알 수 있다. 따라서 본 시스템에 사용된 축전지도 리튬계열의 축전지를 적용하여 개발함으로써 에너지 밀도를 높이고 수명을 연장시켜 시스템의 신뢰성을 향상 시킬 수 있었다.
부하 실험을 통해 부하의 가변에 따라 축전지 관리시스템 운영에 필요한 실측값이 정확하게 검출되고 표시되는 것을 확인 할 수 있었으며 시스템 운영에서 가장 중요한 요소인 SOC 값의 정확성은 SOC가 100%가 되도록 충전한 후 0.5C(75A)의 전류로 10분마다 계산치와 실제값을 비교 확인 한 결과 계산한 값과 표시되는 값이 4%미만의 오차가 발생됨을 알 수 있었다.

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