하이브리드차/전기차의 배터리 팩 밸런싱으로 배터리 수명 연장

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하이브리드차/전기차의 배터리 팩 밸런싱으로 배터리 수명 연장



이 글에서는 밸런싱의 중요성을 살펴보기 위해서 2개의 동일한 배터리 팩을 이용해서 두 가지 기본적인 배터리 관리 전략에 대해서 살펴본다. 이 테스트에서는 먼저 배터리 팩의 총 용량이 배터리의 수명에 걸쳐서 어떻게 영향을 받는지 살펴본다.



글/Cuyler Latorraca, Applications Engineer, Linear Technology








전력 소스로 배터리의 사용이 갈수록 늘어나고 있는 것과 발맞추어서 배터리의 사용 수명을 극대화할 것에 대한 요구 또한 높아지고 있다. 배터리 평형 불일치는 배터리 팩을 이루는 각기 개별 셀의 충전 상태(state of charge)가 불일치 하는 것으로서, 대형 리튬 배터리 팩에서 중대한 문제가 되고 있다. 이와 같이 충전 상태가 불일치 하는 것은 제조 프로세스 상의 변동성, 작동 조건, 배터리 노후화 등에 의해서 발생하는 것이다. 평형 불일치는 배터리 팩의 총 용량을 감소시키고 배터리 팩을 손상시킬 수 있다. 평형 불일치는 배터리가 충전 상태에서 방전 상태로 전환하는 것을 방해하고 이를 면밀하게 모니터링을 하지 않으면 배터리가 과충전 되거나 과방전 됨으로써 셀을 영구적으로 손상시킬 수 있다. 하이브리드 전기차나 전기차의 배터리 팩에 이용되는 배터리들은 배터리 제조업체에서 고객에게 출하하는 특정 로트로 셀 간의 변동성을 낮추기 위해서 용량과 내부 저항을 기준으로 배터리를 선별한다. 그런 다음 배터리 팩의 셀-대-셀 매칭을 향상시킬 수 있도록 신중하게 엄선된 배터리들을 이용해서 자동차 배터리 팩을 구축한다. 이렇게 하면 이론적으로는 배터리 팩으로 높은 수준의 평형 불일치가 일어나지 않아야 하는데, 그럼에도 불구하고 배터리 팩의 수명이 다할 때까지 높은 배터리 용량을 유지하기 위해서는 대형 배터리 팩을 구축할 때 배터리 모니터링과 배터리 밸런싱이 함께 필요하다는 것이 업계의 대체적인 의견이다.

이 글에서는 밸런싱의 중요성을 살펴보기 위해서 2개의 동일한 배터리 팩을 이용해서 두 가지 기본적인 배터리 관리 전략에 대해서 살펴본다. 이 테스트에서는 먼저 배터리 팩의 총 용량이 배터리의 수명에 걸쳐서 어떻게 영향을 받는지 살펴본다. 이들 전략을 평가하기 위해서 BMS(battery monitoring system)를 개발하였다. BMS는 모니터링 하드웨어, 밸런싱 하드웨어, 컨트롤러의 3개 부분으로 이루어진다. 이 테스트에 이용된 BMS는 셀 전압 및 배터리 부하 전류를 모니터링하고, 셀을 밸런싱하고, 배터리의 부하 및 배터리 차저 접속을 제어할 수 있다.




모니터링 하드웨어



그림 1은 간단한 배터리 모니터링 및 밸런싱 시스템을 보여준다.

이 BMS 하드웨어 디자인은 고도로 통합적인 LTC6803-1 멀티셀 배터리 모니터링 IC를 기반으로 구현한 것이다. LTC6803-1은 한 IC로 최대 12개 셀을 측정할 수 있으며 직렬 데이지 체인이 가능하므로 다중의 IC를 연결함으로써 한 직렬 포트로 100개 이상의 배터리 셀을 모니터링 할 수 있다. 배터리 모니터링 시스템을 설계할 때는 특정 사양을 특히 중요하게 고려해야 하는데 그 첫 번째가 셀 전압 정확도이다. 셀 전압 정확도는 개별 셀의 충전 상태를 계산할 때 중요한 것으로서 셀이 작동 한계에 얼마나 근접하게 작동할 수 있느냐를 결정짓는 요인이 된다. LTC6803은 분해능이 1.5mV이고 정확도가 4.3mV이다. 그러므로 컨트롤러가 배터리 소재에 관계 없이 배터리 상태를 정확하게 판단할 수 있다. 둘째, 배터리 스택의 평형 불일치를 일으키는 중요한 요인이 배터리 모니터링 회로 자체의 전원 전류 및 대기 전류의 변동성이다. 자동차 애플리케이션에서는 대기 전류가 특히 중요한데, 이것은 대부분의 자동차들이 대부분의 시간 동안 작동이 멈춰 있고 BMS가 대기 모드이기 때문이다. LTC6803은 대기 전류가 12μA에 불과하며, 전류 정격이 6μA에서 18μA에 이르므로 최악 사례라 하더라도 대형 셀 스택으로 배터리 팩 사이의 평형 불일치가 12μA이므로 월간 평형 불일치가 10mAhr 미만이다. 또한 2개 ADC 입력을 제공하므로 이를 이용해서 배터리 온도나 기타 센서 데이터를 모니터링 할 수 있다. 그림 1의 디자인은 Vtemp1 입력을 이용해서 배터리 전류를 측정하고 있다. 고전압 양방향 전류 검출 증폭기로서 LT1999를 이용해서 전류를 측정한다. LT1999는 입력 범위가 -5V~80V이며 이 예에서는 배터리 팩 상단에서 ±10암페어를 모니터링 하도록 설정되었다. LTC6803의 2개 GPIO 핀을 이용해서 동적 부하 및 차저를 제어한다. 그럼으로써 LTC6803이 충전 완료 지점이나 방전 지점에 도달했을 때 배터리를 차저나 부하로부터 차단할 수 있다.




밸런싱 하드웨어



팩의 모든 셀로 바이패스 저항과 스위치를 이용해서 수동 밸런싱 하드웨어를 구현하고 있다. 밸런싱 저항은 통상적으로 두 가지 방식으로 이용된다(그림 2).

밸런싱 저항을 이용해서 SOC(state of charge)가 낮은 배터리는 빠르게 충전하면서 SOC가 높은 셀은 과충전 하거나 손상시키지 않도록 셀들로 충전 전류를 공급할 수 있다. 또 다른 방식으로는 저항을 이용해서 SOC가 높은 배터리로부터 여분의 전하를 누출시킴으로써 이들 배터리를 SOC가 낮은 배터리와 평형을 이루도록 할 수 있다.

이 하드웨어를 설계할 때 가장 중요한 문제는 적정한 밸런싱 전류를 판단하는 것이다. 이 전류는 바이패스 저항의 값을 이용해서 설정할 수 있다. 적합한 밸런싱 전류는 셀 용량, 밸런싱에 허용 가능한 시간, 예상되는 불일치 정도, 저항을 사용하는 방식에 따라서 달라진다. 저항을 차저 전류를 바이패스 하도록 이용하면 수 암페어를 션트 하도록 설정된다. 밸런싱 저항을 여분의 전하를 누출하도록 이용하면 원하는 밸런싱 시간에 맞도록 저항의 크기가 결정된다. 수동 밸런싱은 배터리 모니터링 회로로 인한 팩 부하, 셀 자체 방전, 내부 저항 효과 때문에 발생하는 SOC 평형 불일치만 교정할 수 있다. 이들 소스는 지속적으로 모니터링 했을 때 매일 소량의 평형 불일치만을 일으킨다. 이 시험 평가에 이용한 BMS 시스템은 밸런싱 저항이 33옴으로서 밸런싱 전류를 대략 100mA로 설정하고 있다. 이것은 소형 배터리를 위해서는 높은 밸런싱 전류이나 밸런싱 동작에 더 짧은 시간이 걸린다.




제어 전략



배터리 상태를 모니터링하고 배터리 평형 불일치를 관리하도록 BMS 하드웨어의 제어 프로그램을 작성하였다. 이 시스템의 수동 밸런싱 기능을 켜고 끔으로써 밸런싱이 배터리 팩에 미치는 영향을 살펴볼 수 있다. Turnigy에서 제조한 2개의 동일한 배터리 팩으로 여러 회의 충전/방전 사이클에 걸쳐서 테스트를 실시하였다. 비교를 위해서 한 배터리 팩은 각각의 개별 셀 전압이 정상 동작 범위 내로 유지 되는지만 모니터링 하였다. 두 번째 배터리 팩은 모니터링과 주기적인 수동 밸런싱을 실시하였다. 이 시험에 이용된 배터리 팩은 6개의 직렬 리튬 폴리머 배터리로 이루어진 것으로서 총 용량이 2.2AHr이었다. 개별 셀은 최종적인 최대 전압이 4.2V이고 최종적인 최소 전압이 3V이다. 실제 활용을 시뮬레이트하고 노후화를 가속화하기 위해서 두 배터리 팩을 BMS의 감시 하에 연속적으로 충전 및 방전하였다. 방전 사이클은 2C~3C, 4.4A~6.6A의 고정적인 속도였고, 1C~2C, 2.2A~4.4A의 정전류로 배터리를 충전하였다. 개별 셀 전압에 대해서 저전압 및 과전압 조건과 과전류 결함을 모니터링 하도록 기본적인 모니터링 시스템을 설정하였다. 방전 시에는 스택의 어느 셀이든 3.005V의 저전압 한계에 도달하면 방전 사이클을 완료한다. 충전 사이클 시에는 팩의 어느 셀이든 4.19V의 과전압 조건에 도달하면 셀 충전을 종료한다. 각 배터리 팩을 반복적으로 100 사이클씩 충전 및 방전함으로써 노후화를 가속화하였다.

수동 밸런싱의 목표는 배터리 팩으로부터 최대한의 에너지를 안전하게 추출할 수 있도록 팩의 모든 셀의 SOC를 조절하는 것이다. 수동 밸런서는 팩으로 전하를 발생시키거나 기여하지 않으므로 배터리 팩에서 용량이 가장 낮은 셀에 따라서 팩의 가용 용량이 결정된다. 그러므로 팩 용량을 극대화하기 위해서는 밸런서가 용량과 SOC가 낮은 배터리가 최대로 충전 및 방전되도록 해야 한다. 어떤 배터리의 잠재적인 저장 에너지를 최대한 사용할 수 있기 위해서는 이 배터리를 최대로 충전하고 최대로 방전해야 하는데 배터리 팩에서는 가장 약한 셀이 충전 및 방전을 가장 먼저 완료한다. 수동 밸런싱 기법에서 가장 염려스러운 문제는 용량이 더 높은 셀을 식별하는 것이다. 배터리의 SOC는 배터리의 개방 회로 전압을 나타내며 잔류 에너지의 %를 나타내는 지표가 된다. 어떤 두 셀이 SOC가 같다고 해서 이들 셀이 동일한 양의 에너지를 저장하고 있는 것이 아니다. 특정한 SOC일 때 용량이 높은 셀이 용량이 낮은 셀보다 더 많은 에너지를 저장하고 있는 것이다.

밸런싱 소프트웨어 제어 알고리즘은 차저와 함께 밸런싱을 조정하도록 설계되었으며 충전 사이클이 시작될 때 작동된다. 수동 밸런싱은 배터리 팩으로부터 에너지를 제거하는 것만 가능하므로 팩이 방전하는 동안에 밸런싱을 하는 것은 의미가 없다. 또한 용량이 낮은 셀을 용량이 높은 셀의 SOC로 맞추는 것 또한 불가능하다. 그렇게 하면 방전 시에 이용할 수 있는 용량을 감소시킨다. 충전 사이클이 시작되면 차저가 연결되기에 앞서 셀 전압을 저장한다. 밸런서가 충전 사이클이 시작될 때 어느 셀이 셀 전압이 가장 낮았는지 계산해야 한다. 이 셀을 Clow라고 한다. 한 셀이 사전에 지정된 최대 전압 한계에 도달하면서 충전 사이클이 완료되면 셀 전압을 다시 저장한다. 두 경우 모두 무부하 전류 상태에서 잠깐 동안의 안정화 후에 셀 전압을 측정한다. 충전 사이클이 완료된 후에 Clow의 측정 전압이 가장 높은 전압이 아니면 밸런싱이 필요하다. 충전 사이클 후의 Clow의 전압을 Vbalance로 설정한다. 측정 전압이 Vbalance보다 높은 셀에 대해서는 블리드 저항을 작동시켜야 한다. 모든 셀 전압이 Vbalance 전압과 일치할 때까지 밸런싱 스위치가 계속해서 온 상태여야 한다. 밸런싱이 일어난 후에는 배터리가 충전을 재개해서 셀들을 완전히 충전한다. 수동 밸런싱의 효과를 살펴보기 위해서 2개 테스트를 실시했는데 다음은 그 테스트 결과이다.




테스트 결과: 배터리 팩 1



배터리 팩 1을 100 충전/방전 사이클을 반복하였다. 그림 3은 일련의 사이클 후에 6개 셀 전압을 기록한 것이다.

이 그림에서는 충전 사이클이 끝나고 짧은 안정 시간 후에 측정한 셀 전압을 보여준다. 충전 후에 셀 전압 간의 불일치는 용량과 내부 저항에 있어서 약간씩의 변동과 관련된 것이다. 첫 번째 사이클 후에는 배터리 팩의 용량이 2.072AHrs로 측정되었는데 100 사이클 후에는 이 용량이 2.043AHrs로 측정됨으로써 사이클 횟수가 늘어남에 따라서 용량이 다소 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 충전/방전 사이클 횟수가 늘어남에 따라서 충전 후에 셀의 최종 전압이 낮아지는 경향을 알 수 있다. 100 사이클 후에는 이 점이 특히 두드러진다는 것을 알 수 있다. 이것은 주로 배터리 노후화 때문에 배터리의 내부 저항이 다소 높아지기 때문이다. 작동 시에 밸런싱을 이용하지 않고도 이 배터리 팩은 100 사이클 전반에 걸쳐서 동일한 수준의 불일치를 유지하였다. 이 팩처럼 팩의 셀들이 자연스럽게 서로 잘 일치하는 팩은 그렇게 흔치 않다.




테스트 결과: 배터리 팩 2



두 번째 배터리 팩은 수동 밸런싱 알고리즘을 적용해서 평가하였다. 밸런싱을 실시하기 전에 이 팩을 10회 충전/방전하였다. 팩 2의 초기 전압은 그림 4와 같다.

팩 1과 달리 이들 배터리는 제조업체로부터 제공될 때부터 SOC가 크게 일치하지 않았다. 이와 같은 불일치가 좀더 일반적이라고 할 수 있다. 팩 2는 가능한 최대 용량을 제공할 수 있기 위해서 밸런싱을 필요로 했다.

셀 5와 나머지 셀들 사이에 불일치가 100mV 이상으로 매우 크다. 이러한 불일치는 배터리 용량에 심각하게 영향을 미친다. 한 사이클 후에 팩의 용량을 측정했을 때 1.765AHr이었다. 10 사이클 후에 불일치가 그대로였으며 밸런싱 알고리즘을 작동하였다. 밸런서가 모든 셀을 셀 5와 일치하도록 방전시키고 충전 사이클을 완료한 후의 SOC는 2.043AHr로 측정됨으로써 처음의 SOC에서 16% 향상되었다. 다음 50 사이클에 걸쳐서 밸런싱 알고리즘을 계속해서 작동했으나 아주 약간의 교정만 이루어졌으며 50 사이클 후에 용량이 2.044AHrs로 측정되었다.

여러 회에 걸쳐서 밸런싱 사이클을 실시했는데도 이 팩이 여전히 잠재적인 총 가용 에너지를 사용하지 못했다. 가장 큰 문제는 밸런싱 알고리즘이 배터리의 내부 저항을 고려하지 않은 것이다. 셀 1이 내부 저항이 높아서 계속해서 셀 5보다 훨씬 앞서서 충전을 완료함으로써 셀 5가 최대로 충전되는 것을 방해하였다. 50 사이클 후에 밸런싱 알고리즘을 수정하고 팩 용량이 향상되는지 보았다. 어떤 셀의 전압이 Clow보다 크면 차저가 연결되어 있는 동안 셀들로 방전 저항이 연결되어 있도록 밸런싱 알고리즘을 수정하였다. 이렇게 하면 약한 셀들이 차저가 차단되기 전에 더 많은 전하를 얻을 수 있다. 이와 같이 밸런싱 전략을 수정함으로써 가용 용량이 2.051AHrs로 늘어났으며 밸런싱 시간이 향상되었다. 이 배터리 팩을 추가적으로 50 사이클 방전하고 충전함으로써 총 100 사이클 후의 용량은 2.054AHrs로 측정되었다. 배터리 팩 2의 용량은 테스트 내내 일정하게 유지되다가 밸런싱 전략을 향상시키자 높아졌다. 처음에는 한 셀이 다른 셀들과 크게 불일치했음에도 불구하고 이와 같은 향상을 달성할 수 있었다.




요약



배터리 팩이 셀 수가 적고 물리적으로 크기가 작으면 초기 컨디셔닝 단계만으로 배터리가 배터리 수명이 다할 때까지 평형을 잘 유지할 수 있다. 소형 배터리 팩에서는 배터리 부하와 온도 조건을 통상적으로 잘 매칭할 수 있기 때문이다. 테스트를 통해서 여러 회의 충전/방전 사이클에 걸쳐서 적은 불일치가 발생하는 것으로 나타났다. 배터리 팩 1이 1.4%의 용량을 소실하는 것으로 나타났다. 두 번째 배터리 팩은 처음부터 밸런싱 하드웨어가 필요한 것으로 나타났다. 밸런싱 하드웨어를 이용하지 않는다면 배터리 팩의 효과는 전적으로 배터리 제조업체에 달려있게 되며 배터리 팩의 어떠한 오차를 교정하지 못한다. 밸런싱 시스템을 이용함으로써 배터리 팩 2는 테스트 내내 용량을 유지할 수 있었으나 팩 1은 용량이 점점 감소하였다. 전반적으로 밸런싱 시스템은 작동 수명이 다하는 동안까지 배터리 팩 용량을 향상시킬 수 있도록 한다. 밸런싱 알고리즘을 향상시키기 위해서 배터리 특성분석 데이터나 특수한 셀 모델링을 이용할 수 있다. 그러면 컨트롤러가 개별 셀의 에너지 레벨을 좀더 정확하게 계산할 수 있으므로 셀을 더욱 더 정밀하게 밸런싱할 수 있으며 동일한 밸런스 전류로 밸런싱 시간을 줄일 수 있다.