고전력 리튬 배터리 스택을 위한 배터리 관리 기술

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고전력 리튬 배터리 스택을 위한 배터리 관리 기술



수년 간의 노력과 지속적인 발전에 의해서 고에너지 배터리 시스템이 조만간 일상생활 곳곳에서 특히 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차에 있어서 실용화될 것이다. 이 기술은 전세계적으로 에너지 효율을 크게 향상시킬 것이며 대체 에너지 소스의 사용을 증가시킬 것이다. 그러기 위해서는 실용적이고, 경제적이고, 신뢰할 수 있는 배터리 시스템을 위해서 여러 기술적 문제들을 해결해야 한다.




글│GREG ZIMMER, Product Marketing Engineer, Signal Conditioning Products,

Linear Technology








리튬 기반 배터리는 고전력 산업용 및 교통 시스템에서 납축전지 및 NiMH(nickel metal hydride)를 빠르게 대체하고 있다. 하지만 리튬 배터리는 에너지 및 전력 밀도 측면에서 이점을 제공하나 배터리 관리 장치의 복잡성이 높아진다는 것이 문제로 지적되고 있다. 이같은 차세대 배터리 관리 시스템(BMS)을 위해서는 개발자가 매우 까다로운 설계 제약을 충족해야 한다. 개발자는 넓은 온도 범위에 걸쳐 매우 높은 정밀도 기준을 가지고 혹독한 잡음 환경과 수백 볼트의 커먼 모드 전압이 존재하는 환경에서 각 셀의 전압을 측정해야 한다.




리튬 배터리 팩




리튬 배터리 팩은 일련의 리튬이온 셀로 이루어지며 이들 셀은 통상적으로 2.5V~3.9V 및 4Ahr~ 40Ahr 셀이다. 많은 시스템이 36~200개 셀을 직렬로 연결한다. 하이브리드 전기 자동차 애플리케이션에서 고전력 리튬이온 배터리 팩을 구현할 때 해결해야 하는 과제에 대해 살펴보자. 이 배터리 팩은 신속한 재충전 성능을 제공해야 한다.

고객들은 최소한 10년 동안 수명이 지속되는 배터리 팩을 이용해서 200A 대의 피크 충전 및 방전 전류를 이용해 단일 충전으로 100마일 거리를 제공할 것을 요구한다. 무엇보다도 화재와 같은 ROE(rapid oxidation event) 가능성은 가솔린 구동 자동차보다 낮아야 한다. 당연히 이러한 모든 성능들은 자동차 가격에 미치는 영향을 최소화하면서 달성되어야 한다. 요컨대 리튬 배터리 팩을 이용하는 전기 자동차(EV)의 설계 상의 과제는 성능, 경제성, 안전성을 조화시키는 것이다. 이를 위한 두 가지 중요한 요소가 배터리 셀 디자인과 셀 관리 장치이다.

리튬이온 배터리를 100퍼센트 SOC(state of charge)로 충전하거나 0퍼센트 SOC로 방전하면 장기적으로 용량이 감소된다. 그러므로 리튬이온 동작 SOC는 대체적으로 30%~70%의 작은 범위로 제한된다. 이는 사용할 수 있는 배터리 용량을 최대 사양 용량의 불과 40%로 감소시킨다. 배터리의 가용 범위를 최대한 활용하기 위해서는 배터리 시스템이 각 셀의 전압(이는 SOC와 직결된다)을 매우 정밀하게 모니터해야 한다. 이것은 리튬이온 셀의 방전 곡선이 비교적 평탄하기 때문이다(그림 1참조). 예를 들어 SOC가 1퍼센트 변화했다고 했을 때 셀 전압은 불과 수 밀리볼트 변화한 것으로 나타날 수 있다.




리튬이온 배터리 스택




고전압 스택으로 다수의 리튬이온 셀을 작동할 때는 특정한 SOC 범위를 유지하고자 하는 목표에 상당한 복잡성을 야기한다. 리튬이온 배터리 스택은 단일 전원 소스처럼 충전하고 방전할 수 없다. 배터리 셀들이 제조 변동성 때문에 용량이 다소 차이가 있으며 약한 셀이 그렇지 않은 셀보다 더 빠르게 노후화됨으로써 그러한 용량 차이가 시간이 가면서 커진다. 용량이 다른 셀보다 낮은 셀은 충전 및 방전 사이클을 거듭함에 따라서 SOC가 점차적으로 변화된다. 각 셀의 SOC를 주기적으로 균등화 혹은 밸런싱하지 않으면 일부 셀이 결국에는 과충전 혹은 과방전됨으로써 손상을 일으키거나 결국에는 전체적인 배터리 스택 결함을 일으킬 수 있다.

뿐만 아니라 고전력 배터리 애플리케이션은 전력 인버터, 스위칭 레귤레이터, 릴레이, 엑추에이터, 기타 소스로부터 발생되는 상당한 잡음과 씨름해야 한다. 그림 2는 전기 모터로 전력을 공급하는 10kHz 인버터의 스파이크를 이용해서 100셀 배터리 스택 출력을 시뮬레이트하고 있다. 이 예에서는 각 셀이 평균적인 DC 값이 3.7V이며 100V 트랜션트가 100개 셀에 걸쳐서 균등하게 분산되어 있다. 맨 위 배터리 셀은 370V 동상 전압, 100V 동상 스위칭 트랜션트, 1V 차동 트랜션트이다.





확실히 배터리 관리 장치는 아날로그 측정이 매우 까다롭다. 이 장치는 고전압 스택 상의 각 개별 셀 전압을 신속하고 정밀하게 측정해야 한다. 그러기 위해서는 0V에서(스택을 이동함에 따라서) 1000V 이상에 달하는 동상 전압으로부터 낮은 차동 전압을 추출할 수 있어야 한다. 오늘날 다수의 배터리 관리 시스템은 규격형 부품을 모듈러 방식으로 조합해서 이용한다.

그림 3은 36셀 팩을 어떻게 12셀의 3개 그룹으로 모니터할 수 있는지 보여준다. 스택을 적은 수의 그룹으로 분할함으로써 각각의 아날로그 장치 셋에 대해 동상 전압을 낮출 수 있다. 12셀 모듈이 Linear Technology의 LTC6802-1 배터리 스택 모니터를 이용하는 아날로그 장치로 로컬 전력 및 접지를 <