2.1 리튬배터리의 작용 원리

그림 1은 리튬배터리의 구성 요소를 보여준다. 구조는 양극(+)과 음극(-)인 두 개의 전극과 전해질(Electrolyte), 분리막(Separator)으로 구성된다. 양극은 알루미늄(Al) 집전체와 양극 활물질로 이루어지고 음극은 구리(Cu) 집전체와 음극 활물질로 구성되어 있다⁽⁵⁾. 양극 활물질은 전자가 잘 전도될수록 배터리 성능을 높일 수 있으며, 음극 활물질은 그래핀 구조인 흑연으로 구성되어있다.

그림 2는 리튬배터리의 작용 원리를 보여준다. 전극 양단에 전압이 인가되면 양극(+)의 리튬이 전해질에 의해 이온화되어 전자를 음극(-)으로 이동시키며, 리튬이온은 탄소로 이동하여 충전된다. 음극 활물질은 양극에서 나온 리튬이온을 흡수, 방출하면서 회로를 통하여 전류를 흐르게 하는 역할을 한다. 즉, 배터리 충전시 리튬이온은 양극에서 음극으로 이동하며 양극에 전자가 축적되며, 방전 시 리튬이온은 음극에서 양극으로 이동하여 음극에 전자가 축적된다⁽⁶⁾.

2.2 배터리 잔존용량(SoC) 추정기법

배터리 SoC 측정기법은 크게 전류 적산법, OCV 측정법, 등가회로 모델 분석법 등이 있다. 전류 적산법은 배터리의 충, 방전 시 흐르는 전류의 양을 적산하여 잔존용량을 예측하는 방법이다. 이는 간단한 알고리즘을 통해 측정이 가능하지만 초기 잔존용량을 알고 있어야 하며, 측정 과정에서 발생하는 전류 센서의 오차 영향이 존재한다. OCV(Open Circuit Voltage) 측정법은 OCV와 잔존용량의 선형 비례성을 이용한 방법으로 정확도가 높은 편이다. 다만, OCV로 SoC를 추정하기 위해서는 배터리가 충전 및 방전이 끝난 후 배터리 내부 기생성분의 영향으로 인한 배터리 전압의 안정화를 위한 휴지시간이 필요하여 배터리를 사용하고 있는 중에는 적용하기 어렵다. 등가회로 모델 분석법은 파라미터 추출과 모델의 정확도가 매우 중요하며, 배터리 시스템이 동작 과정에도 SoC의 측정이 가능하므로, 모델의 정확도에 따른 오차는 SoC의 추정 오차로 이어지며, 오차의 최소화를 위한 모델과 필터 설계가 중요하다⁽⁷⁾.

3.1 도시철도차량용 배터리 부하용량

도시철도차량의 배터리는 주로 초기 기동용과 제어장치 전원용으로 직류 DC 75V∼DC 100V 부하에 사용된다. 대부분의 도시철도차량의 배터리 시스템은 철도차량 직류부하이며 병렬회로로 구성되어 보조전원장치의 배터리 충전장치와 연결되어 있다. 배터리의 충전은 상시 부동충전 방식으로, 도시철도차량 운행에서 충전기를 통한 전원이 직류부하의 전원으로 사용된다. 그리고 배터리 전원은 철도차량의 초기 기동 때와 절연구간을 통과할 때 직류부하의 전원으로 사용된다. 본 논문에서는 리튬배터리 잔존용량 추정을 위해 도시철도차량 전동차 10량 1편성 기준으로 정상 운행조건에서의 배터리 부하의 종류와 부하 용량을 고찰하였다. 도시철도차량 과천‧안산선 전동차의 직류부하에 대한 종류는 표 1과 같으며, 전기장치의 제어기, 무선 및 방송 표시기, 등구류 및 기타 직류부하가 약 67종이 존재한다.

차량의 정상운행 조건에서 부하율을 적용한 배터리 부하 전력은 표 1과 같이 13,413W이다. 부하는 3개의 배터리 팩에서 분담하여 공급하므로 1개의 배터리 팩은 4,471W의 부하 전력을 공급한다. 따라서 1개의 배터리 팩을 기준으로 배터리의 정격 전압 91.25V로 산출하면 배터리 팩 1개에서 부하로 출력되는 전류용량은 약 49A가 된다.

3.2 철도차량용 배터리 부하특성

도시철도차량은 철도차량을 구동시키는 동력을 담당하는 주전력 전원장치와 나머지 동력(냉난방, 출입문 개폐 동력 등)을 담당하는 보조전원장치가 있다. 보조전원장치는 3상 동력 전원과 단상 직류 전원으로 구분되며 단상 직류는 100V의 전원으로 배터리 충전장치와 직류부하의 전력으로 사용된다. 도시철도차량은 팬터그래프를 통한 전원 수전이 없는 상황에서 초기 기동 시에 철도차량 내부의 모든 직류부하를 배터리 전원으로 사용하는 시간은 주간제어기 “ON”에서부터 직류부하가 활성화되고 보조공기압축기가 가동되어 보조공기관로를 통해 팬터그래프 공기통 및 보조공기통에 압력이 생성되는데 소요된다. 또한, 도시철도차량 운행 중 전차선 전원을 공급받지 못하는 계통상 절연구간 통과 시에 직류부하의 전원을 배터리를 통해서만 공급받는다.

도시철도차량 초기 기동은 철도차량을 기동하기 위해 보조공기통의 공기압력으로 집전장치인 팬터그래프를 상승시켜 전차선에 접촉하여 수전할 수 있도록 한다.

보조공기계통은 보조공기압축기와, 팬터그래프 공기통(Pantograph Reservoir), 보조공기통(Auxiliary Reservoir), 팬터그래프 압력조정밸브, 압력스위치, 보조공기관로 등으로 구성되어있다. 보조공기계통의 공기통과 관로에 공기압을 충기(Pneumatic filling)하여 팬터그래프 상승을 위한 공기압력에 도달할 때까지 보조공기압축기 구동모터는 직류 100V 전원을 사용한다. 배터리 전원으로 구동되어 보조공기계통의 공기압력이 7.5kg/㎠에 도달하면 보조공기압축기 조압기(Auxiliary Compressor Motor Governor)에 의하여 정지한다. 보조공기 압축기 충기를 위한 배터리 전원 사용 시간이 약 8분이 소요되며, 1일 동안 평균 1회에 해당된다⁽⁸⁾.

본 논문에서 연구한 도시철도차량은 교류구간과 직류구간이 혼재된 전력계통에서 운행되고 있는 리튬배터리 적용 차량이며, 안산․과천선 선로 구간은 단상 교류 25kV 60Hz, 서울 4호선 선로 구간의 전원은 직류 1,500V가 공급된다. 따라서 선로 연결 구간인 과천선 선바위역과 서울 4호선 남태령역 사이에 교직 절연구간이 존재한다. 그림 3는 안산․과천선 절연구간의 운전선도이며, 표 2는 과천선 절연구간에 대한 1개 편성 전동차의 1일 운행사항을 나타낸다⁽⁸⁾.

따라서 철도차량의 운영환경을 고려한 리튬배터리 충, 방전 실험에 적용할 방전 시간은 1일 배터리 사용 시간 11분에 여유율 10%를 적용하여 12분을 선정하였다.

4.1 실험대상 배티리 시스템

본 연구에 적용된 배터리는 안산‧과천선 철도차량에 적용되는 배터리 팩과 배터리관리시스템(BMS)으로 구성하였으며 사양은 표 3와 같다.

BMS는 Master BMS와 3개의 배터리 모듈에 각각 1개의 Slave BMS가 장착되어 있다. Master BMS와 Slave BMS는 Slave BMS 동작을 위한 +12V 전원과 CAN 통신이 연결되어 있다. CAN 통신을 통해 Slave BMS는 Master BMS로 배터리 각 셀의 전압과 모듈 온도를 전송한다. Master BMS는 배터리의 전압, 전류, 온도 정보를 취득하고 과충전, 과방전 및 고온의 상태에서 접촉기를 차단하여 배터리를 보호한다. 또한, BMS는 MVB 통신을 통해 TCMS로 배터리 상태(온도, 전압, 전류등)를 전송한다. 그림 4는 Master BMS & Slave BMS의 블록다이어그램 및 내부 시스템 구조이다. 배터리 모듈은 3개로 구성되었으며, 각 모듈은 Slave BMS를 통해 셀(Cell) 전압이 취득된다.

Master BMS는 배터리 모듈 온도 및 입력부 전압, 압출력 전류를 측정하여, Slave BMS에서 취득된 데이터를 통해 배터리 팩의 전압을 계산한다. 또한, BMS에 설정된 조건에 따라 배터리 보호동작을 수행한다.

그림 5는 배터리 충, 방전 실험을 위한 실험장치로 양방향 전원공급 장치, 실험제어 및 배터리 각 셀의 Data를 수집하는 컴퓨터로 구성되어있다. 배터리 충, 방전은 리튬배터리 팩과 양방향 전원공급 장치를 연결하고 컴퓨터를 통해 공급장치 제어와

배터리 팩의 BMS를 통신인터페이스를 통하여 배터리 각 셀의 전압, 전류, 온도 Data를 1sec 주기로 수집하였다. 표 4는 배터리 충, 방전을 위한 양방향 전원공급 장치(Power Supply) 제원을 나타낸다.

4.2 배터리 초기용량 및 OCV 측정

배터리의 정확한 용량 측정을 위하여 설계 공칭용량을 초기용량으로 선정하지 않고, 완충, 완방 실험을 통한 대상 배터리의 초기용량을 확인하였다. 초기용량 추정 방법은 전류 적산법을 적용하였으며, 식 (2)와 같다.

여기서, $C$ : 용량, $I_{bat}$ : 충전 및 방전전류

표 5은 배터리의 초기용량 추정 실험 절차로 완전 충전 및 완전 방전을 7회 반복 수행하였다. 또한, 철도차량 배러피 1팩을 기준으로 계산한 부하 전류는 49A로, CC-DC 50A로 진행하였다. 충방전이 완료된 배터리 팩은 충분한 휴지시간을 두어 안정화하였다. 배터리 팩의 SoC 100% 기준은 철도차량 BMS 배터리 보호 조건인 각 셀의 최고전압 DC 4.25V를 기준으로 설정하였다.

배터리 팩의 SoC 0% 기준은 보호 조건인 각 셀의 최저전압 DC 2.9V를 기준으로 설정하였으며, 그림 6은 배터리 초기용량 추정 실험 파형으로 완충, 완방 그래프이다.⁽⁹⁾

(a) 완전 충전 그래프를 살펴보면 충전 시간에 따라 배터리 팩 전압이 급격히 높아지다가 전압 상승이 완만하게 된다. 각 셀 전압은 충전 초기 셀의 전압이 약간 상이하지만 이후 각 셀의 전압 차가 거의 나지 않는다. 이는 BMS에 적용된 셀 밸런싱에 의한 것으로 각 셀의 전압차를 측정하여 높은 전압의 셀에서 션트저항을 통해 전류 100mA∼150mA를 흘려 전압 밸런싱을 맞춘다. 배터리 전류는 시간에 따라 CC-DC 50A로 충전되다가 하나 셀의 전압이 4.25V 이상이 되는 시점에서 5초 후 공급이 차단되어 전류가 흐르지 않게 된다.

(b) 완전 방전 그래프에서는 방전 시간에 따라 배터리 팩 전압이 완만하게 낮아지다가 SoC가 0%에 가까워질수록 급격히 낮아진다. 또한, 각 셀 전압은 같은 형태를 보이다가 SoC가 0%에 가까워질수록 각 셀의 전압이 상이하게 나타난다. 이것은 철도차량 BMS에 적용된 셀 밸런싱은 수동형으로 셀 밸런싱 속도에 비해 전압 불균형이 급격히 커지기 때문이다. 배터리 전류는 CC-DC 50A로 방전되다가 하나의 셀 전압이 DC 2.9V이하가 되는 순간 5초 뒤 부하가 차단되어 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서 방전용량은 BMS 배터리 전류 데이터를 이용하여 방전된 전류 적산량으로 측정이 가능하다. 표 6은 완전 방전을 7회 실시하여 얻어진 실험대상 배터리 초기용량 실험 결과로 실험의 평균 SoC는 110.59Ah로 측정되었다.

또한, 철도환경에 따른 배터리 충, 방전 SoC 범위를 특정하고자 OCV를 측정하였다. OCV로 SoC를 추정하기 위해서는 배터리가 충전 및 방전이 끝난 후 배터리의 내부에 전류의 흐름이 없이 안정된 상태에서 측정해야 한다. 따라서, 정밀한 분해능의 센서와 전압 안정화를 위한 충분한 휴지시간이 필요하다. OCV 측정을 통한 SoC 추정은 간단하지만 배터리가 사용 중인 경우 실시간 추정이 어려운 단점이 있다. SoC-OCV 관계 도출을 위한 전류 프로파일을 만들어야 하며, SoC 기준에 따른 개방 회로 전압을 측정하여야 한다. 그림 7은 SoC-OCV 관계 도출을 위한 프로파일 실험 결과이다. 배터리 초기 SoC는 약 110.59Ah로 CC 50A로 SoC가 100%에서 0%까지 방전하기 위해 7,962s의 시간이 필요하다. 따라서 SoC가 10%의 변화가 필요한 시간은 796.2s가 된다. 이를 통해 SoC 상태에 대응하는 OCV 값을 구할 수 있으며 센서를 통해 안정화된 배터리 전압으로 SoC를 추정할 수 있다. 단계별 OCV 실험을 3차례 수행하여 평균 SoC-OCV 특성 곡선을 그림 8에 나타내었다.⁽¹⁰⁾

4.3 운영환경을 적용한 배터리 충, 방전 실험

철도차량 10량 1편성을 기준으로 부하량, 1일 평균 배터리 사용시간, 보조전원장치를 통한 충전 조건을 적용하여 실험을 진행하였다. 철도차량의 배터리에 작용하는 직류부하는 약 50A이며, 배터리 전원으로 기동하는 시간은 1일 평균 약 12min이다. 따라서 식 (3)과 같이 계산하면 배터리 초기용량 110.59Ah의 약 9.04%에 해당한다.

도시철도차량에서 배터리 팩은 보조전원장치를 통해 100V의 전압이 충전되며, 실제 배터리에 인가되어 충전되는 전압은 배터리의 내부 충전 저항 및 내부저항에 따른 감압으로 약간 낮은 전압이 충전된다. 그림 10은 철도차량 배터리 SoC-OCV 충, 방전 범위를 나타낸다. 도시철도차량 배터리 충전전압 100[V]서 SoC는 84.8%이고, 실제 배터리의 내부저항에 따른 감압된 충전전압 DC 98V이며, 이때 SoC는 76.9%임을 알 수 있다. 따라서 전기철도차량 배터리 기동 특성은 배터리 SoC가 76.9%에서 67.84%까지 부분 충, 방전이 이루어진다.

표 7은 철도차량의 운행특성과 실제 충, 방전 조건을 적용하고 배터리 초기 SoC를 76.9%로 설정하여 실험을 진행하였다. 방전은 CC-DC 50A, 12min 진행된 후 곧바로 충전이 진행된다. 보조전원장치의 충전방식이 CV 모드이며, 배터리에 전압강하가 발생하는 경우 충전장치로부터 DC 100V가 인가되기 때문이다. 또한, 차량이 운행 종료를 고려하려 휴지 시간으로 적용하였다. 1 사이클은 철도차량의 1일 운행으로 적용하였다. 그림 9는 철도차량 운영환경을 적용한 배터리 1 사이클 충, 방전 그래프이다. 방전, 충전, 휴지의 총 3구간으로 나눌 수 있다. 방전 구간의 특징을 살펴보면 방전 초기 전압이 급격히 낮아지는 것은 배터리 내부저항에 의한 것으로 방전 개시와 동시에 전압강하가 발생하고 이후 부하사용에 따라 방전이 진행된다.