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Cell 노후화에 대비해 자동차 배터리 스택에서 지속 시간을 최대로 늘리는 방법


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글/토니 암스트롱(Tony Armstrong), 사무엘 노크(Samuel Nork)


에너지 밀도가 높은 고첨두전력(high peak power) 리튬 폴리머 또는 리튬철인산염(LiFePO4) 셀을 직렬로 연결한 대용량 배터리 스택은 전기자동차(EV나 BEV), 하이브리드 천연가스/전기자동차(HEV나 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)에서 에너지 저장 시스템(ESS) 등 다양한 어플리케이션에서 흔히 사용된다. 전기자동차는 특히 배터리 셀을 직렬이나 병렬로 연결시킨 대용량 스택에 대한 엄청난 수요를 창출해 낼 것으로 예상되는 시장이다. 2016년 세계에서 판매된 PHEV는 775,000대이며, 2017년에는 1,130,000대가 판매된 것으로 추산되고 있다. 대용량 셀에 대한 수요가 늘어나고 있음에도 불구하고 수백 킬로미터의 거리를 주행할 수 있는 배터리는 보통 10,000달러(약 1,000만 원)에 이를 정도로 EV나 PHEV의 부품 중에서 가장 높은 수준이다. 이처럼 높은 비용은 저가나 재공급품 셀(refurbished cells) 을 사용해 낮출 수는 있지만, 그런 셀은 표시된 용량과 실제 용량 사이의 차이가 크기 때문에 1회 충전 시 지속 시간이나 주행 가능한 거리는 줄어들게 된다. 비용을 높여 조금 더 뛰어난 품질의 셀을 사용한다 하더라도 반복 사용하게 되면 결국 노후화로 인한 용량의 차이(미스매치)가 발생한다. 용량 차가 있는 셀을 사용할 때 스택의 용량을 늘리는 방법 중 하나는 더 큰 용량의 배터리를 사용하는 것이지만 비용 대비 효율은 그다지 좋지 않다. 또 다른 방법은 능동 밸런싱(active balancing)이라는 새로운 기술로 스택 배터리의 용량을 빠르게 회복시켜 주는 것이다.

직렬로 연결된 셀의 밸런싱 필요성

배터리 스택에서 각 셀의 충전량(state of charge, SoC)이 동일한 경우를 밸런싱이 이뤄졌다고 말한다. SoC는 셀이 충전되고 방전되는 동안 최대 용량에 대해 개별 셀에 현재 남아있는 전하량을 비로 나타낸 값이다. 예를 들어 10A/hr 셀에서 남아있는 전하량이 5A/hr라면 SoC는 50%가 된다. 모든 배터리 셀은 SoC 범위 내에서 동작해야 하며, 그렇지 않은 경우 손상이 발생하거나 수명이 줄 수 있다. 참고로 사용 가능한 최소 SoC와 최대 SoC 수준은 어플리케이션에 따라 다르다. 배터리 지속 시간이 가장 중요한 어플리케이션이라면 모든 셀이 최소 20%, 최대 100%(완전 충전 상태)의 SoC 범위 내에서 동작해야 한다. 혹은 최장 배터리 수명이 요구되는 어플리케이션이라면 SoC 범위가 최소 30%, 최대 70%로 제한될 수도 있다. 이들 범위는 대용량의 값비싼 배터리를 사용하며 교체 비용도 아주 높은 전기 자동차와 그리드 저장 시스템에서 일반적으로 사용되는 SoC 범위로 볼 수 있다. 배터리 매니지먼트 시스템(battery management system, BMS)의 주된 역할은 스택의 모든 셀을 주의 깊게 모니터링하고 각각의 셀이 어플리케이션의 최대 및 최소 SoC 한도를 넘어서 충전되거나 방전되지 않도록 하는 것이다.
셀을 직렬 또는 병렬로 연결할 때 병렬로 연결된 셀은 보통 서로에 대해 자동으로 밸런싱이 이루어진다고 생각할 수 있다. 다시 말해, 병렬로 연결된 셀의 단자 간에 전기가 흐르는 경로가 존재하는 한, 각 셀의 SoC는 자동으로 같아진다. 또한, 직렬로 연결된 셀의 경우 여러 가지 요인에 의해 시간의 변화에 따른 SoC 변화가 일어날 수 있다. 점진적인 SoC 변화의 경우 배터리 팩 전반의 온도 차이나 임피던스 차이, 자체 방전율, 셀 간 로딩으로 인해 발생할 수 있다. 배터리 팩의 충전 및 방전 전류로 인해 이러한 셀 간 변화는 간혹 사소해 보일 수 있으나, 셀 간의 SoC를 주기적으로 맞추어 주지 않으면 미스매치의 누적이 계속된다. 셀 간 SoC의 점진적 변화를 보정하는 가장 기본적인 목적은 직렬로 연결된 배터리 셀 간에 SoC의 균형을 맞추는 것이다. 보통 수동 또는 소멸식 밸런싱 방식은 용량을 거의 비슷하게 맞춘 스택의 셀에서 SoC를 다시 밸런싱 하는 데 적합하다.
그림 1A에서처럼 수동 밸런싱은 단순하고 비용이 저렴하다. 하지만 느린 속도와 배터리 팩 내부에 원치 않는 열을 발생, 밸런싱 과정에서 SoC가 가장 낮은 셀에 맞춤으로써 스택 내 모든 셀의 잔여 용량을 낮추기도 한다. 또, 흔히 발생하는 용량 미스매치로 인한 SoC 오류를 효과적으로 처리하는 기능도 부족하다. 셀은 노후화되는 과정에서 용량이 줄기 때문에, 시간의 흐름에 따라 직렬로 연결된 셀간 SoC가 달라지는 것과 마찬가지 이유로 셀 용량의 감소율도 달라진다. 스택의 전류는 모든 셀로 동일하게 들어갔다가 나오기 때문에 스택의 사용 가능 용량은 스택의 셀 용량 중 가장 낮은 값에 맞춰 결정된다. 그림 1B와 그림 1C에서 보는 것과 같은 능동 밸런싱 방식만이 스택 전체에 전하를 재분배, 셀 간 미스매치로 인한 용량 손실을 보정할 수 있다...(중략)

leekh@semiconnet.co.kr
(끝)
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