초록 ▼

□ 연구개요
본 사업에서 제안하는 방식은 기존의 전력저장장치와 완전히 차별화 되는, 분산 충방전 병렬 구조의 시스템 아키텍쳐를 제안한다. 이는 배터리 셀에 개별 직류-직류 전력변환 장치가 연결되어 고승압 및 양방향 충방전 제어를 담당하게 함으로써 직렬구조에서 오는 여러 문제점을 제거하고, 높은 설계유연성과 제품신뢰성을 확보하도록 하는 것이다. 특히, 배터리 셀 편차를 보상하기 위한 셀 발란싱 회로를 필요로 하지 않으므로 병렬 분산형 방식은 경제적인 측면에서도 이점을 지니게 된다. 이러한 장점은 보수적인 에너지 시장에의 진입을

□ 연구개요
본 사업에서 제안하는 방식은 기존의 전력저장장치와 완전히 차별화 되는, 분산 충방전 병렬 구조의 시스템 아키텍쳐를 제안한다. 이는 배터리 셀에 개별 직류-직류 전력변환 장치가 연결되어 고승압 및 양방향 충방전 제어를 담당하게 함으로써 직렬구조에서 오는 여러 문제점을 제거하고, 높은 설계유연성과 제품신뢰성을 확보하도록 하는 것이다. 특히, 배터리 셀 편차를 보상하기 위한 셀 발란싱 회로를 필요로 하지 않으므로 병렬 분산형 방식은 경제적인 측면에서도 이점을 지니게 된다. 이러한 장점은 보수적인 에너지 시장에의 진입을 용이하게 할 것으로 예측된다. 분산 병렬형 아키텍쳐는 또한 산업계의 최대 화두인 “모듈화” 까지도 가능하게 하는데, 생산성 (규격화에 의한 자동 기계 생산) 및 신뢰성 (모듈 하나가 고장 시에도 전체 시스템이 안정적으로 동작을 유지할 수 있는 특성) 향상을 위한 가장 확실한 방법으로 지목되고 있다. 궁극적인 모듈화를 위해서는 시스템 확장 시 모듈 외에 추가적인 장치가 필요없어야 하는데, 이를 위해서는 모든 센서의 내장화 및 외부와의 통신이 필요없는 자율제어 (autonomous control)가 가능한 제어구조가 필요하다. 이를 통하여 셀 별로 개별적인 최적 SOC 프로파일 운영이 가능하여, 사업의 최종 목표인 에너지 저장 용량 최적화, 충방전 효율 극대화 및 배터리 셀의 수명/신뢰성, 시스템 확장성, 설계유연성 등을 확보한다.
본 사업에서 제안하는 분산형 병렬모듈 아키텍쳐의 개념은 다음과 같이 구성되어 있다. 각 셀은 고효율 양방향 벅/부스트 전력회로에 의해서 모듈화되어 병렬로 연결되어 있으며 (셀 모듈), 이러한 셀 모듈은 양방향 고 승/강압 직류 전력변환기에 의해서 고전압 DC 링크로 병렬 연결되어 있다 (시스템 모듈). 제안된 아키텍쳐는 셀이 개별적으로 전원 측과 연결되어 있으므로 기존의 셀 편차를 보상하기 위한 셀 발란싱 전력회로가 필요 없으며, 다양한 종류 / 수명의 배터리 셀 조합을 가능하게 한다. 또한 직렬연결 시, 하나의 셀이 불량이면 전체 스트링 동작이 중지되는 신뢰성 저하를 예방할 수 있으며, 다양한 전력요구에 부응하여 저장장치의 임의 확장 및 제거가 가능하다. 확장을 위해서 PV 모듈을 추가할 때, 기존 시스템을 변경하지 않고 단순히 조절기를 추가함으로써 설계 변경없이 신속하게 확장 가능하다. 이러한 분산형 모듈 구조를 가능하게 하기 위해서는 첫째로, 고전압 직류 링크에 연결된 시스템 모듈 내의 양방향 전력변환기 효율이 극단적 이득에도 불구하고 매우 높아야 한다. 이를 위해서, 시스템 모듈 내의 직류 링크를 유연하게 설계하여 (8-9 V), 차후에 연구될 공진형 양방향 토폴로지를 적용하여 고정 듀티비, 고정 주파수를 갖도록 최적 설계한다. 토폴로지 후보군으로는 저전압-고전류에서 고전압-저전류로 연계가능한 공진형 푸쉬풀-(하프 / 풀)브리지 하이브리드 혹은 공진형 (하프 / 풀) 브리지 - (하프 / 풀)브리지를 생각할 수 있다. 또한 소자적인 측면에서 차세대 고효율 고주파 스위칭 밴드갭 소자인 SiC MOSFET 혹은 GaN MOSFET을 적용하도록 한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
연구내용: 분산형 병렬모듈 에너지 저장 시스템의 최적 모듈 회로 아키텍쳐 개발
- 승/강압비 1: 50인 저전압-고전류 양방향 하이브리드 토폴로지 (풀-하프브리지 혹은 푸쉬풀-브리지) 개발
- 완전히 독립적인 운용이 가능한 병렬 모듈형 자율제어 알고리즘 개발
- SiC MOSFET 혹은 GaN MOSFET을 적용한 고속 스위칭 고효율 양방향 컨버터 개발.
- 10% 이상의 셀 편차에서 안정한 충방전 마진을 위한 피드백 정전압-정전류 제어-다수 개의 시스템 모듈의 최적 설계 가이드라인 확립 및 시뮬레이션, 하드웨어를 통한 검증.
- 다수 개의 모듈 연결시 상호 동특성 영향 분석을 위한 소신호 모델링 및 전달함수 유도

□ 연구개발결과의 중요성
본 연구의 중요성은 다음과 같다.
- 우리나라의 한정된 자원이라는 측면에서 녹색성장관련 연구개발 성과 향상은 매우 중요하며, 이를 위한 국가차원의 에너지 저장 원천기술 연구개발은 매우 중요함.
- 미국기업이 독일의 디젤차와 일본에 우위를 뺏긴 기존 하이브리드 차량 시스템 기술력을 극복하기 위해서 개발한 순수 전기차는, 리튬 배터리 시장을 석권하고 있는 우리나라에게는 저장장치 기술 우위 및 원천기술을 확보할 수 있는 도전이자 기회임.
- 전기자동차, 연료전지, 태양광 발전 등, 관련 신재생 에너지 효율 증진을 위한 요소 기술로 확대 적용 가능.
- 고효율(15–30% 증가), 가격의 저하 및 필요부품 감소에 의한 신뢰성 향상
- 모듈화 기술은 에너지 학계에서 뿐 아니라, 기존의 전력전자 학계에도 큰 의미가 있음.
- 현재의 범용 전력변환 장치는, 각 부품들이 표준화 되지 않아서 집적화가 불가능하고, 따라서 제품의 제조과정이 노동 집약적이 되어, 결국 높은 제조원가와 낮은 제품 신뢰성이라는 결과로 나타나고 있음.
- 미국을 위시한 선도적 연구소들은 근래 들어 전력전자의 새로운 방향을 제시하고 있는데, 그 중 가장 대표적인 것은 세계적인 전력전자 연구그룹인 미국의 모 전력전자 센터가 제시한 “집적화된 전력전자 모듈 (Integrated Power Electronics Module, IPEM)"임. 이는 통합된 기능과 표준화된 인터페이스 및 자동화 대량생산에 적합하게 설계된 집적화된 전력 회로에 기반한 전력전자 기술로서, 이러한 집적화된 모듈을 적절히 구성하기만 하면, 인력을 사용하여 조립하는 대신에 반도체 공정에 의해서 일괄적으로 전력변환 기기들을 생산하게 됨으로써, 높은 가격 경쟁력과 우수한 신뢰성을 가진 제품을 양산할 수 있게 되고, 궁극적으로 노동 집약적인 형태의 전력전자 산업을 혁신적으로 개선할 수 있음.
- 이런 기술적 진보는 ”패러다임의 전환”이라고 불릴 만한데, 이미 신호처리분야에서는 ‘무어의 법칙’과 같은 VLSI 회로기술이 위와 같은 통합화 (Integration)를 통하여 놀라운 기술적 진보를 이루었음.
- 본 기술 또한 연구완료시, 단순히 에너지 저장용 전력조절기 개발을 넘어서서 범용 전력변환 모듈로까지 확장 가능함.

현재 전세계적으로 재활용 배터리를 이용한 응용이 등장하고 있고, 대량생산을 통하여 전기차·ESS 시장에 보다 저렴한 배터리가 등장할 전망이다. 또 배터리 잔존가치 기준이 마련됨에 따라 전기차 중고 시장 활성화에도 기여할 것으로 기대된다. 전기차를 10년가량 운행하면 배터리 충·방전 성능이 20-40% 떨어지기 때문에 전기차용으로 부족하지만, ESS나 무정전전원공급장치(UPS) 등으로는 활용할 수 있기 때문이다. 이를 통하여 중.대형 이차전기 기술개발 통한 “전기차, ESS “ 경쟁력 확보가 가능하다. 국내외 산업동향은 다음과 같다.
ㅇ 배터리 재활용을 통해 국내 전기차 확산을 촉진함으로써 온실가스 배출감축, 전력망의 신뢰성 및 효율성 향상에 기여
ㅇ 미국 캘리포니아, ESS 설치의무화 법안 제정 (2014년 말부터 공급전력의 2.25%)
ㅇ 미국 공공기관 및 연구소, 벤처기업 및 대형 전력회사 중심으로 기술개발 및 실증
ㅇ 유럽 2020년까지 유럽 내 390GW 규모로 설치하는 것을 목표로 추진
ㅇ 국내에서 xEV 폐배터리를 이용한 ESS 기술 개발 사업 시작

전기차 (EV) 및 정지형(stationary) 에너지 저장장치의 시장규모 예측그래프를 보면 현재는 전기차 시장이 크지만, 전기차의 재활용 배터리가 쏟아져 나오는 2018년 이후로는 정지형 ESS의 시장이 더 커지리라 예측하고 있다.
2050년까지 에너지 저장장치 세계시장 경쟁력 확보를 위한 발전단가가 제시되어 있는 세계시장 목표가격 로드맵을 보면 궁극적으로 경잭력을 얻기 위해서는 현재 가장 경제적인 양수발전 수준의 가격경쟁력을 확보해야 함을 알 수 있다. 특히, 국내 기업이 주도권을 쥐고 있는 리튬이온 배터리가 가장 높은 수준의 가격하락을 요구받고 있어서, 향후 이를 달성하기 위한 전략이 필요함을 알 수 있다.
국내 모 평가원의 에너지 저장장치 국가 마일스톤이 제시되어 있다. 2015년부터 배터리 관리 시스템 (BMS) 및 충방전 전력조절기(PCS) 연구를 통한, 시스템 측면의 에너지 저장장치 개발에 대해서 역점을 두고 중점 추진하는 것을 알 수 있다. 2020년 이후에는 BMS 및 Pack 부품 간소화 및 생산성 향상을 예상하고 있으므로, 현 단계에서 연구를 시작함으로써 국가 원천기술 R&D 능력을 선제적으로 강화할 수 있다. 그러나 세계시장을 점유하기 위해서는 엄청난 생산단가 하락이 요구된다.
본 연구에서는 국제경쟁력을 강화하기 위해서 이차전지 관련 산업을 육성하기 위한 발판으로, “모듈구성부재” 문제를 해소하려고 한다. 즉 모듈화를 통해서 생산 공정의 혁신화와 발전원 일체형 저장장치 모듈 개발 등, 다른 산업과의 synergy 효과를 얻고자 하는 것이다. 앞에서 언급한대로 에너지 가격 졍쟁력 및 Grid-parity를 위해서는 발전 및 저장 단가를 낮추기 위한 노력이 필요한데, 기존의 배터리 부품 및 소재 측면에서의 단가하락은 저장효율과도 밀접하게 관계가 있으므로 한계가 있는 것이 사실이다. 대신 현재까지 주목하지 못한 충방전 전력조절기 및 셀 발란싱 회로의 일체화 및 모듈화를 통하여 배터리 셀과 함께 통합하여, 표준화 공정으로 대량 일괄 생산하는 방법을 생각해 볼 수 있다. 이렇게 되면, 시스템 생산구조 자체가 변화되어 상당한 단가하락을 유도할 수 있으며, 궁극적으로 비싼 발전 단가로 고심하던 국내 에너지 저장 시스템의 보급을 촉진하고, 가격경쟁력을 통한 수출증진으로 세계시장에서의 점유율 또한 높일 수 있으리라 예상된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 1. 연구개발의 필요성 ... 5
• 가. 연구의 개요 ... 5
• 나. 국내·외 연구동향 ... 8
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 14
• 가. 1차년도 연구개발 내용 및 결과 ... 14
• 1) 1차년도 목표치(를 상회하는) 승/강압비를 가진 고효율 하드웨어 시제품 제작(400V/24V,12V) ... 14
• 2) 확장형 칼만필터를 이용한 리튬이온 배터리 SOC 추정 알고리즘 개발 ... 15
• 3) 배터리 밸런싱을 위한 압전트랜스듀서를 이용한 새로운 차지 밸런싱 회로 ... 17
• 나. 2차년도 연구개발 내용 및 결과 ... 19
• 1) 당해 연도 개발 목표 및 결과 ... 19
• 다. 3차년도 연구개발 내용 및 결과 ... 22
• 1) 주요 연구 변경사항 ... 22
• 2) 당해 연도 개발 목표 및 결과 ... 22
• 라. 4차년도 연구개발 내용 및 결과 ... 26
• 1) 주요 연구 변경사항 ... 26
• 2) 당해 연도 개발 목표 및 결과 ... 26
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 33
• 4. 참고문헌 ... 35
• 5. 연구성과 ... 36
• 끝페이지 ... 36