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  1. (Department of Future Technology Convergence Engineering, Gwangju University, Korea)



Li-Ion Battery, Battery Management System, Cell Balancing, Testing Facility

1. 서 론

최근 몇 년간 휴대용 전자기기, 전기자동차, 에너지저장 장치 등 여러 분야에서 이차전지에 관한 관심이 높아지고 있다. 따라서 이러한 이차전지의 사용이 증가함에 따라 관련된 화재 사고도 증가하고 있다. 그림 1은 소방청에서 조사한 2014년도부터 2023년도까지 차량, 선박 부품에 사용되는 배터리 화재 사고를 보여주고 있다. 2014년도에 114건이었던 화재 사고는 매년 꾸준히 증가하는 추세를 보이고 있으며 차량, 선박 부품뿐만 아니라 휴대용 전자기기, 에너지저장 장치 등 배터리를 사용하는 많은 분야에서 화재 사고는 꾸준히 증가하고 있다[1].

배터리 화재 사고를 극복하기 위해 배터리를 관리하는 시스템(Battery Management System, BMS)이 중요한 역할을 하고 있다. BMS는 배터리의 온도, 전압, 전류 등을 모니터링하여 배터리의 현재 상태를 파악하고 과전류, 과전압 등 이상 신호로부터 반응하여 배터리를 보호해 주는 역할을 한다. 또한 BMS에서 배터리 셀(Cell) 간 전압 불평형으로 인한 과충전으로 인한 화재,파열사고를 예방하여 배터리 전체 수명과 안전성을 향상하기 위하여 셀 밸런싱(Cell Balancing) 기법을 사용한다. 이러한 셀 밸런싱 기법은 최근 배터리의 수요가 증가함에 따라 BMS에서 필수적인 요소로 떠오르고 있다[2].

그림 1. 연도별 차량, 선박부품 배터리 화재사고

Fig. 1. Vehicle and ship parts battery fire accidents by year

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셀 밸런싱 기법은 크게 능동형과 수동형의 방식으로 나누어진다. 이중 수동형 방식은 배터리 셀과 병렬로 연결된 저항을 통하여 에너지를 소모하는 방식이며 능동형 방식은 전력변환장치를 사용하여 에너지를 교환하는 방식이다. 이러한 두 종류의 방식 중 현재 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 열차, 지하철 등에서는 비용 절감과 회로 간소화 등의 이유로 수동형 방식이 주로 사용되고 있다[3].

따라서 본 논문에서는 리튬이온(Li-Ion) 배터리 셀의 전압 불평형 현상에 따른 충전 특성을 살펴보기 위해 수동형 방식의 셀 벨런싱 기법이 적용된 시험설비를 구성하였다. 이러한 시험설비를 이용하여 셀 간 전압 불평형 상태에 있는 16개의 리튬이온 배터리에 대해 BMS 동작 및 셀 밸런싱 특성에 대해 실험하였다. 그리고 셀 밸런싱을 통해 전압 평형 상태에 있는 배터리들을 일정 시간 동안 사용 후 셀 밸런싱을 통한 특성을 살펴보았다. 따라서 이러한 두 조건(전압 불평형 상태와 평형 상태)에 대한 충전량의 차이를 비교하여 배터리의 성능을 비교하였다.

이에 따라 배터리 셀 간 전압 불평형을 셀 밸런싱 기법을 활용하여 배터리의 수명 감소, 잦은 보호회로 동작을 최소화하여 기계 기구의 손상과 화재 및 인명피해를 줄이고 리튬이온 배터리의 성능을 향상하고자 한다.

2. BMS(Battery Management System)

휴대용 전자기기들의 효용성이 높아지면서 이들의 동력원으로 사용되는 이차전지의 크기는 점점 작아지며 효율성이 높게 제조되고 있다. 따라서 이러한 기술개발 속도에 맞춰 수명과 안전성에 관해 관심이 높아지고 있다. 현재 휴대용 전자기기, 전기자동차에 사용되고 있는 리튬이온 배터리는 전압과 전류를 맞추기 위하여 여러 배터리 셀을 직ㆍ병렬 연결한 배터리팩(Pack)을 주로 사용하고 있다. 따라서 배터리팩을 충ㆍ방전 시 각 셀의 수명과 안전성을 높이고 배터리를 자체적으로 보호하고 관리하는 BMS가 일반적으로 사용되고 있다[4].

2.1 배터리 보호 기능

표 1은 본 논문에서 사용한 리튬이온 배터리팩의 셀당 과충전, 과방전, 과전류에 해당하는 BMS 사양을 각각 보여주고 있다. 따라서 표 1을 기준으로 리튬이온 배터리의 사용 범위가 벗어나는 경우 차단 및 복귀 기능을 통해 과충전, 과방전, 과전류 상태로부터 배터리를 안전하게 보호해 준다.

표 1 BMS 사양

Table 1 BMS specifications

Parameter

Value

Overcharge protection

4.30~4.35V±25mV per cell

Overcharge return

4.00~4.20V±25mV per cell

Overdischarge protection

2.50~2.90V±80mV per cell

Overdischarge return

2.70~3.30V±100mV per cell

Overcurrent blocking

100~125A±25% per module

2.2 배터리 성능향상

BMS에서는 배터리의 충전상태(SOC, State of Charge)와 수명 상태(SOH, State of Health)를 추정 및 모니터링을 통해 배터리의 현재 상태를 파악하고 관리할 수 있다. 특히 다수의 리튬이온 배터리 셀을 직ㆍ병렬 연결하여 제작된 배터리팩은 충·방전에 따른 보호 기능 차단 범위에 도달 시 BMS에 의해 동작이 중지되는 현상이 일어난다.

이러한 현상은 배터리팩을 제작한 초기에는 셀 간의 전압이 일정하게 유지되어 문제가 발생하지 않는다. 그러나 사용 빈도에 의해 그림 2와 같이 셀 간 전압 불평형이 발생하여 충전이 완료되기 전에 차단전압에 도달하게 된다. 그리고 BMS에 의해 충전이 중지되며 이는 배터리의 성능 및 수명을 감소하는 문제점으로 발생한다. 따라서 이러한 현상을 방지하기 위하여 BMS에서 충전 상태를 토대로 셀 밸런싱을 통한 배터리 셀 간 전압의 균형을 유지해 주는 것이 필요하다.

그림 2. 셀 간 전압 불평형 현상

Fig. 2. Voltage imbalance between cells

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2.3 셀 밸런싱

셀 밸런싱은 셀 적층을 통한 리튬이온 배터리의 대용량화 시 전기적 특성 차이에 의한 셀 간의 전압 불평형 현상을 해소하여 배터리의 폭발 위험성을 제거하기 위하여 만들어진 기술이다. 따라서 충전 시 가장 높은 전압을 가진 셀이 BMS에서 설정한 셀 밸런싱 시작전압에 도달하게 되면 셀 간의 전압 균형을 위한 셀 밸런싱이 시작된다. 이후 가장 낮은 전압을 가진 셀을 기준으로 BMS에서 설정한 셀 간의 동일(균형) 전압으로 충전이 진행된다. 이때 셀 밸런싱의 회로 특성에 따라 수동형(Passive)과 능동형(Active)으로 나누어진다[5].

2.3.1 수동형 셀 밸런싱

수동형 셀 밸런싱 방식은 과충전된 셀이 정격전압 또는 가장 낮은 셀 전압과의 불평형 현상을 해소하기 위해 그림 3과 같이 각의 배터리 셀에 스위치와 저항을 연결한 회로로 구성된다. 그림 3의 회로에서 과충전된 셀의 경우 BMS에 의해 해당 회로의 스위치가 온(On)이 되어 셀 밸런싱 회로가 동작한다. 이때 저항 소자와 배터리 셀이 연결된 회로를 통하여 충전된 에너지는 열로 소비된다[6].

수동형 셀 밸런싱 방식은 회로 구성이 간단하고 대기전력이 없으며 신뢰성과 경제적인 측면에서 유리한 장점을 가지고 있다. 하지만 배터리가 대용량화됨에 따라 에너지 밀도가 높아지면 저항에 의한 발열이 증가하며 이를 냉각시키는 냉각시스템을 설계하여야 한다. 또한 충전된 에너지를 열에너지로 소모해 에너지 효율이 저하되며 방전 시 사용할 수 없는 단점을 지니고 있다.

그림 3. 수동형 셀 밸런싱 회로

Fig. 3. Passive cell balancing circuit

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2.3.2 능동형 셀 밸런싱

능동형 셀 밸런싱 방식은 배터리 셀 간 전하 전달 방식을 사용하여 높은 충전량을 가진 셀에서 낮은 충전량을 가진 셀로 에너지를 이동시키는 방식이다. 능동형 셀 밸런싱 회로로 사용되는 소자와 결선 방식에 따라 셔틀링 커패시터(Shuttling Capacitor), 셔틀링 인덕터(Shuttling Inductor), 멀티플 컨버터(Multiple Converter), 다권선 변압기(Multi-winding Transformer) 방식으로 분류된다[7].

3. 셀 밸런싱을 위한 실험구성

본 논문에서는 셀 밸런싱 시험의 객관성을 높이기 위하여 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치로 Elektro-Automatik 사의 EA- PSB 9360-40 3U를 충방전 전원공급장치를 사용하고 Samsung SDI의 INR18650-29E 리튬이온(Li-Ion) 배터리와 ANT의 BMS를 결선하여 배터리 모듈을 구성하였다. ANT의 BMS는 Android 운영체제에서 모니터링, 차단, 복귀를 통한 과 충·방전 제어가 가능한 수동형 셀 밸런싱 회로로 구성되어 있다.

3.1 리튬이온 배터리팩 하드웨어 구성

그림 4. 수동형 셀 밸런싱 하드웨어 구성

Fig. 4. Passive cell balancing hardware circuit

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그림 4는 리튬이온 배터리와 BMS를 결선한 배터리 모듈의 회로 구성도를 보여주고 있다. 총 16개의 INR18650-29E 리튬이온 배터리는 직렬구조에 그림 3과 같이 각 배터리는 ANT의 BMS 제어를 통해 셀 밸런싱이 동작할 수 있도록 각각의 스위치가 구성되어 있다. 또한 사용한 BMS는 전압과 온도 측정, 총전압 및 전류 감지, 충전상태 계산, 셀 벨런싱 및 블루투스 기능을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 그림 4와 같이 셀 밸런싱 하드웨어를 구성하여 리튬이온 배터리 충·방전에 따른 셀 밸런싱 상태에 대해 실험하였다. 따라서 셀 간의 전압 불평형 상태 시 셀 밸런싱을 통해 셀 전압상태를 동일하게 유지하여 배터리의 안전성과 성능 보호를 유지할 수 있다.

3.2 BMS 소프트웨어 구성

그림 5와 같이 BMS의 소프트웨어를 이용하여 허용전압 범위, 복귀, 셀 밸런스 범위 등을 설정할 수 있다. 따라서 설정한 범위 값에 의해 BMS가 동작하여 각 셀과 연결된 회로를 제어하여 셀 밸런싱, 차단, 복귀 등 기능을 수행한다.

그림 5. BMS 소프트웨어

Fig. 5. BMS software

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그림 6. BMS 모니터링 시스템

Fig. 6. BMS monitoring system

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그림 6은 Android에서 BMS를 통하여 수신받은 현재 리튬이온 배터리 총 16개에 대해 모니터링을 통해 각 배터리의 전압상태 결과를 보여주고 있다. 그림 4에서 보여준 하드웨어를 통해 사용한 리튬이온 배터리를 연결하여 전압상태를 그림 6(a)와 같이 확인 할 수 있다. 또한 16개의 배터리 중 최대전압과 최소전압을 가지고 있는 배터리를 색깔로 식별하여 셀 간의 전압편차를 확인할 수 있다.

그림 6(b)는 그림 5에서 설정한 셀 밸런싱 동작전압(Unit Diff On V)에 해당하는 만큼 최소전압과 최대전압의 차이가 발생하였을 경우 그림 4에 해당하는 수동형 셀 밸런싱 회로가 동작하고 있는 상태를 보여주고 있다.

3.3 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치[8,9]

본 논문에서 실험하는 셀 간의 전압 불평형 상태의 리튬이온배터리팩의 충방전 시 BMS 동작과 셀 밸런싱 동작의 특성을 분석하기 위해서는 추가로 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치가 필요하다. 따라서 그림 4에서 보여준 충방전기로 Elektro- Automatik에서 제작한 배터리 전용 전원공급장치(EA-PSB 9360-40)를 사용하였다.

4. 셀 밸런싱 실험결과

3절에서 구성한 수동형 셀 밸런싱 하드웨어 시험설비를 이용하여 셀 간 전압 불평형 상태에 있는 16개의 리튬이온 배터리에 대해 BMS 동작 및 셀 밸런싱 특성에 대해 실험하였다. 그리고 셀 밸런싱을 통해 전압 평형 상태에 있는 배터리들을 일정 시간동안 사용 후 셀 밸런싱을 통한 특성을 살펴보았다. 따라서 이러한 두 조건(전압 불평형 상태와 평형 상태)에 대한 충전량의 차이를 비교하여 배터리의 성능을 비교하였다.

표 2는 본 논문에서 사용한 리튬이온 배터리의 세부 사양을 보여주고 있다. 그림 4와 같이 총 16개의 직렬연결 된 리튬이온배터리는 각 셀당 3.0~4.2V의 범위로 총 48V~67.2의 전압범위를 가지며 공칭전압은 58.4V의 값을 보여주고 있다. 따라서 충전전압 67.2V, 충전전류 1.36A, 정전류(CC, Constant Current) 및 정전압(CV, Constant Voltage)의 충전방식과 충전종지전류 0.2A의 조건으로 실험하였다.

표 2 리튬이온 배터리(INR18650-29E) 사양

Table 2 Lithium-ion battery(INR18650-29E) specifications

Parameter

Value

Battery Type

16S(Serial), Li-ion

Nominal Voltage

3.65V (58.4V)

Voltage Range

3.0V~4.2V (48V~67.2V)

Nominal Capacity

2,850mAh (45,600mAh)

Charging Method

CC/CV

Standard Charging Condition(0.5C)

4.2V±0.05V, 1.375A,

End current : 0.2A

Max Charging Condition

4.2V±0.05V, 2.750A,

End current : 0.2A

4.1 전압 불평형 상태의 리튬이온 배터리

표 2의 특성이 있는 리튬이온 배터리와 3절에서 구성한 실험설비를 이용하여 그림 7과 같이 충전실험을 통해 BMS 동작 및 시작 전압 3.8V, 종료전압 4.2V의 셀 밸런싱 시험조건을 적용하였다.

그림 7(a)는 전압 불평형 상태의 리튬이온 배터리팩의 충전 과정 시 Android를 통해 실시간으로 셀 밸런싱이 진행되고 있는 단계별 모니터링된 실험결과를 보여주고 있으며 단계별 세부 동작은 다음과 같다.

① 충전 시작 전 리튬이온 배터리 셀은 최저 3.294V~최대 3.548V의 전압편차를 보인다.

② 이후 최대전압 3.8V를 가지고 있는 셀 전압을 기준으로 1차 셀 밸런싱이 진행된다.

③ 최저전압을 가지고 있는 1번 셀의 4.109V를 기준으로 1차 셀 밸런싱을 통해 각 셀 전압이 충전된 결과를 보여주고 있다. 이때 최저전압(4.109V)과 0.1V 이상 차이가 나는 15, 16번 셀의 회로가 초록색으로 활성화된 것을 확인 할 수 있다. 이후 15번 셀이 BMS 차단전압인 4.3V의 범위에 해당하여 BMS에 의해 충전이 종료되었다.

④ 2차 셀 밸런싱이 시작되어 셀 간 전압이 0.005V 이내로 충전이 진행되고 있다.

⑤ 최종적으로 셀 밸런싱이 종료되면서 1~16번 셀 전압은 3.970V ~ 3.976V값을 보여주고 있다.

그림 7(b)는 1~16번 셀들에 대한 1차 셀 밸런싱이 진행 시 충전 전원으로 사용한 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치에서 확인할 수 있는 전압, 전류, 전력에 해당하는 파형을 보여주고 있다. 1차 셀 밸런싱에 따른 정전류 충전으로 1.36A의 전류를 흐르면서 전압 및 전력이 상승하다 BMS에 의해 충전이 종료되는 결과를 확인할 수 있다. 그림 7(c)에서는 1~16번 셀들에 대해 1, 2차 셀 밸런싱을 통한 배터리의 전압, 전류, 전력에 대한 변화를 살펴볼 수 있다. 특히 1차 셀 밸런싱 이후 2차 셀 밸런싱 시 전체 배터리 전압이 감소하다 셀 밸런싱을 통해 63.5V로 안정화되고 있다.

4.2 셀 밸런싱을 통한 전압 평형 상태의 리튬이온 배터리

4.1절에서 셀 밸런싱을 통해 전압 평형 상태에 있는 배터리들을 일정 시간 동안 사용 후 셀 밸런싱을 통한 실험결과를 그림 8에서 보여주고 있다. “4.1 전압 불평형 상태의 리튬이온 배터리”에서 서술한 실험내용과 동일하게 셀 밸런싱이 진행되고 있는 실험결과를 그림 8(a)에서 보여주고 있으며 단계별 세부 동작은 다음과 같다.

① 충전 시작 전 리튬이온 배터리 셀은 최저 3.333V~최대 3.359V의 전압편차를 보인다.

② 배터리 전용 양방향 DC 전원공급장치를 통하여 정전류/정전압 충전으로 1차 셀 밸런싱이 동작한다.

표 2에서 보인 충전종지전류 0.2A에 도달 후 충전이 종료되며 이때 1~16번 셀들의 전압은 4.186V~4.199V의 전압 범위를 보인다.

④ 2차 셀 밸런싱을 통하여 시작되어 셀 간 전압이 0.005V 이내로 충전이 진행되고 있다.

⑤ 최종적으로 셀 밸런싱이 종료되면서 1~16번 셀 전압은 4.140V ~4.145V값을 보여주고 있다.

그림 7. 전압 불평형 상태의 리튬이온 배터리의 셀 밸런싱

Fig. 7. Cell balancing of lithium-ion battery in voltage unbalanced state

../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.8.1449/fig7.png

그림 8. 전압 평형 상태의 리튬이온 배터리의 셀 밸런싱

Fig. 8. Cell balancing of lithium-ion battery packs in voltage balanced state

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그림 8(b)는 그림 7(b)에서 설명한 1~16번 셀들에 대한 1차 셀밸런싱이 진행 시 충전 전원으로 사용한 배터리 전용 양방향DC 전원공급장치에서 확인할 수 있는 전압, 전류, 전력에 해당하는 파형을 보여주고 있다. 전압 평형 상태에서 1차 셀 밸런싱을 통해 충전 조건인 전전압 67.2V, 충전전류 1.36A로 충전된 것을 확인할 수 있다. 그림 8(c)는 1, 2차 셀 밸런싱을 통해 셀 전압이평형 상태를 유지하면서 전압변화에 대한 기울기, 즉 전압손실이 그림 7(c)와 비교 시 적게 발생하고 있다는 것을 확인할 수 있다.

그림 9는 전압 불평형 상태와 평형상태 시 리튬이온 배터리의 셀 밸런싱에 대한 비교 실험결과로 그림 9(a)에서는 그림 7(a)에서 1~16번 셀들의 데이터를 그래프로 나타내었다. 이때 15, 16번 셀은 1차 셀 밸런싱 종료 후 1~14번 셀들과의 전압편차 크게 발생하고 있음을 알 수 있다 (빨간색 원). 이후 셀 밸런싱 종료 후 셀 전압은 3.970V~3.976V값으로 4.2V(표준충전조건)에 미달하는 충전값을 보여주고 있다. 반면에 그림 9(b)는 그림 8(a)에서 1~16번 셀들의 데이터를 그래프로 보여준 결과로 셀 밸런싱 종료 후 셀 전압은 4.140V~4.145V값으로 4.2V(표준충전조건)에 근접하는 결과를 보여주고 있다.

그림 9. 전압 불평형 상태와 평형상태 시 리튬이온 배터리의 셀 밸런싱 비교

Fig. 9. Comparison of cell balancing of lithium-ion batteries in voltage unbalanced and balanced states

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그림 10. 전압 불평형 상태와 평형상태 시 리튬이온 배터리의 셀 밸런싱을 통한 전압 및 충전량 비교

Fig. 10. Comparison of charge amount and voltage through cell balancing of lithium-ion battery during voltage unbalanced and balanced states

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그림 9에서 비교한 실험결과에 대해 충전 시작 전압과 셀 밸런싱 종료 전압을 셀별로 비교한 그래프를 그림 10(a)에서 보여주고 있다. 그리고 각 셀에 대한 충전 전압차(셀 밸런싱 종료전압 – 충전 시작전압)와 본 실험에서 적용한 충전전류 1.35의 값을 통해 그림 10(b)와 같이 두 상태에서의 충전량을 비교하였다.

4.1절에서 실험한 전압 불평형 상태의 리튬이온 배터리의 경우 셀 밸런싱을 통해 약 10W 정도 충전할 수 있는 반면에 4.2절 셀 밸런싱을 통한 전압 평형 상태의 리튬이온 배터리의 경우 약 14W의 충전량을 보여주고 있다. 따라서 셀 밸런싱을 적용하여 리튬이온 배터리의 전압손실 저감에 따른 성능향상과 수명 감소를 기대할 수 있다.

5. 결 론

에너지를 저장하는 장치인 배터리에 대한 수요가 증가함에 따라 배터리로 인한 안전사고들이 증가하고 있다. 이러한 안전사고들을 예방하기 위해 배터리의 신뢰성, 안전성 및 효율성을 증대시키려는 방법들이 요구되고 있다. 이러한 요구사항에 맞춰 본 논문에서는 시험품 리튬이온 배터리의 충전실험을 통하여 BMS 차단회로 동작 및 셀 밸런싱 특성을 살펴보기 위하여 시험장비를 설계 및 제작하였다.

리튬이온 배터리의 정상상태, 셀 간의 전압 불평형 상태의 충전실험을 통하여 BMS 차단회로 동작 및 수동형 셀 밸런싱 특성을 얻을 수 있었다. 따라서 본 논문에서 설계 제작한 시험장비를 이용하여 BMS를 통한 배터리의 보호, 성능향상의 정보를 파악할 수 있다. 또한 셀 간 전압 불평형으로 인한 배터리의 수명감소, 잦은 보호회로 동작으로 인한 회로 고장을 최소화함으로써 기계 기구의 손상과 화재 및 파열로 인한 피해를 줄이며 리튬이온 배터리의 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 본다.

Acknowledgements

이 연구는 2024년도 광주대학교 대학 연구비의 지원을 받아 수행되었음. 본 과제(결과물)는 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다.(2021RIS-002)

References

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9 
Elektro-Automatik Ltd,, EA-PSB 9000 3U Datasheet.URL

저자소개

방수철(Su-Chul Bang)
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graduated from the Department of Electrical and Electronic Engineering, Gwangju University in 2023. Currently, Department of Future Technology Convergence Engineering Graduation School of Gwangju Univ Master Course.

윤용호(Yong-Ho Yoon)
../../Resources/kiee/KIEE.2024.73.8.1449/au2.png

received the Ph.D. degree in Mechatronics Engineering from Sungkyunkwan University, Korea, in 2007. From 2007 to 2011, he was with Technical Research Institute of Samsung Thales Company, Korea, as a senior researcher. Currently, he has been with Gwangju University, where he is a professor in the Department of Electrical Engineering. His research interests are in the areas of analysis and control of SRM, BLDC motors and safety of renewable energy and smart grid systems.