[논문]온라인 전기자동차의 대용량 배터리를 위한 전압-온도를 이용한 패시브 셀 밸런싱 에이전트

오근현; 김종우; 서동관; 김종돈

온라인 전기자동차의 대용량 배터리를 위한 전압-온도를 이용한 패시브 셀 밸런싱 에이전트
A Passive Cell Balancing Agent by using Voltage and Temperature for Large Batteries in Online Electric Vehicles 원문보기

오근현 (KAIST IT 융합연구소) , 김종우 (KAIST IT 융합연구소) , 서동관 (KAIST IT 융합연구소) , 김종돈 (KAIST 온라인전기자동차사업단)

친환경적 전기자동차에 대한 관심이 커짐에 따라 전력의 효율적인 저장과 관리를 위한 대용량 배터리에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 배터리 용량의 극대화, 안정성, 그리고 수명 등을 위한 다양한 셀 밸런싱 방법들이 소개되고 있다. 기존 패시브 셀 밸런싱 방법은 하드웨어의 기능을 수행하는 것에 초점을 맞추어 배터리 상태에 따라 다양한 반응을 정의하기 어려움으로 효과적인 운용에 한계가 있다. 본 논문에서는 소프트웨어 에이전트 모델을 적용한 배터리 셀 밸런싱 시스템을 제안하며 에이전트가 현재 전압과 온도를 고려한 셀 밸런싱을 수행함으로 고속 충전시에 발생하는 셀간 전압차를 최소화 한다. 또한 충전의 신속성과 셀 전압 안정성을 유지한다. 현재 연구 개발 중인 카이스트 온라인 전기자동차에서 사용 예정인 배터리 관리시스템 기반 시뮬레이션을 수행함으로 제안하는 방법의 유용성을 입증하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 반응성 소프트웨어 에이전트 모델에 기반한 리튬 이온-리튬 폴리머 대용량 배터리의 효율적인 패시브 셀 밸런싱 방법을 제안하였다. SoC 가 특정 수치 이하로 낮은 경우 충전의 신속성에 최우선 순위를 두었다.
본 논문에서는 소프트웨어 에이전트 모델에 기반한 대용량 배터리의 패시브 셀 밸런싱 시스템을 제안한다. 배터리 전압과 온도를 입력으로 하여 상황에 적절한 셀 밸런싱 방법을 적용한다.
따라서 상황에 적절한 셀 밸런싱을 수행하기 어렵다. 본 논문에서는 소프트웨어 에이전트 모델을 기반으로 패시브 셀 밸런싱 제어 방법을 제안한다.

제안 방법

Lee 와 Cheng 은 각 배터리 셀 전압을 입력으로 받고 퍼지규칙을 통하여 전압이 높은 셀과 낮은 셀을 구분하였다. 구분된 셀을 이용하여 전압이 낮은 셀을 전압이 높은 셀의 전류를 이용하여 충전을 수행하였다 [3]. 액티브 셀 밸런싱과는 달리 패시브 셀 밸런싱의 경우 다양한 상태에 맞는 방법을 적용하기에 어려움이 있다.
충전 실험은 충전시 셀 밸런싱을 수행하면서 전압에 대한 로그를 남겼다. 무부하 실험은 실험군 A 처럼 셀 밸런싱 없이 충전을 하고 무부하 상태에서 셀 밸런싱을 수행하였다.
배터리의 SoC 잔존량이 시스템을 유지하기에 부족하여 빠른 충전이 요구되는 상황인지와 전체 셀간 전압 편차가 안정된 범위 이내로 들어왔는지를 통해 균등화 여부를 결정한다. 균등화가 허용되었으면 ܸV_min이 ܸV_c보다 큰 경우 ܸV_min보다 큰 전압을 가진 셀을, 반대의 경우 ܸV_c보다 큰 전압을 가진 셀의 전압을 감소시키기로 결정한다.
그림 3 는 n 개의 셀을 가진 배터리의 상태결정모델을 보여준다. 본 논문에서는 모델을 의사결정트리을 이용하여 모델을 표현된다. SoC 는 배터리의 충전 상태, C₁은 배터리 빠른 충전이 요구되는 기준 SoC, C₂는 셀 전압 허용 편차, ܸ௧는 셀 전압의 표준편차, ܸV_i은 i 셀의 전압, ܸV_min은 배터리의 전체 셀 중 최소 전압, ܸV_c는 셀별 과방전을 방지하기 위한 유의수준, ܶT_i은 i 셀의 온도, ܶT_t은 현재 배터리 모듈에 장착된 팬 동작이 가능한지를 판단하는 안전 온도의 유의수준이다.
SoC 가 특정 수치 이하로 낮은 경우 충전의 신속성에 최우선 순위를 두었다. 셀 밸런싱 기준점을 두어 과방전을 방지하였고 상태에 따라 전력 소모량을 크게 함으로 셀 밸런싱의 신속성을 보장하였다. 온라인 전기자동차 BMS 환경을 반영한 시뮬레이션을 통하여 소프트웨어 에이전트의 규칙을 기반으로 셀 밸런싱을 수행함으로 효율적인 셀 밸런싱이 가능하여짐을 확인하였다.
제안하는 방법의 유용성을 입증하기 위해 온라인 전기자동차에 내장된 중대형 대용량 배터리 환경을 기반으로 시뮬레이션을 수행하였다.
충전 실험은 충전시 셀 밸런싱을 수행하면서 전압에 대한 로그를 남겼다. 무부하 실험은 실험군 A 처럼 셀 밸런싱 없이 충전을 하고 무부하 상태에서 셀 밸런싱을 수행하였다.

대상 데이터

배터리 상태 센서는 현재 배터리에 대한 정보를 획득한다. 획득되는 정보는 셀전압, 셀온도, SoC 이다. 자극-반응 행동 모듈은 현재 상황에서 에이전트가 상태를 파악하고 어떤 행동을 수행하게 될지를 결정하게 되는 부분이다.

데이터처리

셀 초기 전압은 또한 최소 전압의 값을 따른다. 이러한 조건 하에서 표 3 과 같이 셀 밸런싱을 수행하지 않았을 경우, 패시브 셀 밸런싱 방법처럼 최저 셀 전압을 기준으로 다른 셀의 전압을 일정 간격으로 소모 시키는 방법, 제안하는 방법을 사용에 대한 시뮬레이션 결과를 비교 분석하였다.

이론/모형

그림 2 는 제안하는 셀 밸런스 에이전트의 개요를 보여준다. 반응형(Reactive) 에이전트 모델을 기반으로 하였다. 반응형 에이전트는 환경을 인식하여 설계된 모델 상에서 계획(plan)에 의해 상태를 결정하여 적합한 반응을 수행하는 것이다[5].
본 논문에서는 소프트웨어 에이전트 모델에 기반한 대용량 배터리의 패시브 셀 밸런싱 시스템을 제안한다. 배터리 전압과 온도를 입력으로 하여 상황에 적절한 셀 밸런싱 방법을 적용한다. 실제 온라인 전기 자동차에서 사용되는 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management system)에 시뮬레이션을 수행하여 제안하는 에이전트와 기존 방법을 비교함으로 시스템의 유용성을 입증하였다.

성능/효과

표 5 는 무부하시 셀 밸런싱 실험 결과를 보여준다. SoC 10%에 도달하는 단계를 보면 제안하는 방법 C 가 기존 하드웨어 의존적인 B 보다 더 빠른 밸런싱 속도를 보여줌을 확인할 수 있다. 그리고 최저 SoC 와 최저 전압을 보호할 수 있으므로 배터리 안정성을 보장한다.
소프트웨어 에이전트를 사용하여 다양한 셀의 상태에 따른 다른 셀 밸런싱 방법을 적용하였을 경우 셀 밸런싱의 신속성, 시스템의 안정성을 보장함을 확인할 수 있었다.
배터리 전압과 온도를 입력으로 하여 상황에 적절한 셀 밸런싱 방법을 적용한다. 실제 온라인 전기 자동차에서 사용되는 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management system)에 시뮬레이션을 수행하여 제안하는 에이전트와 기존 방법을 비교함으로 시스템의 유용성을 입증하였다.
셀 밸런싱 기준점을 두어 과방전을 방지하였고 상태에 따라 전력 소모량을 크게 함으로 셀 밸런싱의 신속성을 보장하였다. 온라인 전기자동차 BMS 환경을 반영한 시뮬레이션을 통하여 소프트웨어 에이전트의 규칙을 기반으로 셀 밸런싱을 수행함으로 효율적인 셀 밸런싱이 가능하여짐을 확인하였다.

후속연구

카이스트 온라인 전기자동차 환경에서의 적용과 환경의 불확실성에 반응할 수 있는 지능형 시스템을 적용하여 패시브와 액티비 셀 밸런싱 방법에 효율성을 높이는 연구와 향후에 진행할 예정이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

셀 밸런싱은 어떤 과정인가?

셀 밸런싱은 리튬 이온 또는 리튬 폴리머 배터리의 충방전시 발생하는 셀간 전압차를 감소시키는 과정을 의미한다. 셀 전압에 따라 SoC(State of charge)가 결정되므로 배터리의 충전량을 극대화하기 위한 방법이다.

액티브 셀 밸런싱은 어떤 방법인가?

패시브 셀 밸런싱은 낮은 전압의 셀을 기준으로 높은 전압의 셀 전압을 감소시킨다. 액티브 셀 밸런싱은 높은 전압의 셀에서 낮은 전압의 셀로 충전을 수행하여 전압차를 줄이는 방법이다. 액티브 셀 밸런싱의 경우 전압 손실율, 속도면에서 장점이 있는 반면 패시브 셀 밸런싱의 경우 안정성과 비용면에서 유리하다 [2,4].

셀 균등화 중 패시브 셀 밸렁신은 무엇인가?

셀 균등화는 크게 패시브 셀 밸런싱과 액티브 셀 밸런싱으로 나누어진다. 패시브 셀 밸런싱은 낮은 전압의 셀을 기준으로 높은 전압의 셀 전압을 감소시킨다. 액티브 셀 밸런싱은 높은 전압의 셀에서 낮은 전압의 셀로 충전을 수행하여 전압차를 줄이는 방법이다.

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