폐배터리의 셀 적층 구조에 무관한 BMS 개발에 관한 연구

Abstract

탄소중립사회 전환에 세계적인 관심 증가에 따라, 친환경 이동수단과 동력원에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있으며, 특히 전기차 산업의 핵심 분야인 리튬이온 배터리 시장이 급성장하고 있다. 2021년 상반기 플러그인 하이브리드(PEV)와 하이브리드차(HEV)까지 포함한 전기차 리튬이온 배터리의 사용량은 총 65.9GWh로 2020년 동기간 사용량인 24.8GWh보다 45.9% 의 사용량이 증가하였으며, 국내의 경우 21.1GWh이다[1]. 전기차의 리튬 이온 배터리는 일반적으로 10년 정도 충전하면 성능이 급격히 저하된다. 1회 충전 시 주행가능 거리가 300∼400km를 기준으로, 15만∼20만km의 주행거리를 운행을 하였을 때, 배터리의 잔량이 70∼80%가 남게 되어 주행거리의 감소 및 충·방전 속도 저하 등으로 인해 전기자동차 용도로의 사용은 어렵게 되어 폐배터리가 된다[1]. 폐배터리는 재사용(Reuse) 및 재활용(Recycling)의 구분을 목적으로 배터리 시험기관에서 시행하는 성능검사 및 등급분류(A,B,C,D) 통해 재활용과 재사용 분야로 분류될 수 있다[2]. D등급 및 외부 손상 및 크랙 등으로 인한 리튬 이온의 화학적 특성 변화의 우려가 있을 경우 재활용으로 분류되며 배터리를 분해하여 코발트, 니켈, 망간 등의 유가금속을 추출하여 재활용된다[1]. 재사용은 A, B, C 등급에 따라 신재생에너지용 소규모 ESS, 전기 선박, 양식장 UPS, 가정용 ESS, 서버용 UPS 뿐만 아니라 캠핑용 배터리 뱅크, 전기자전거, 전동스쿠터, 농업용 분야의 트랙터, 리프트카, 지게차, 전동리어카 등 다양한 산업에 걸쳐 활용이 가능하다[2]. 폐배터리는 리튬 이온 배터리로써, 양극과 음극 소재의 산화·환원 반응으로 인해 화학 에너지를 전기에너지로 변환 시 높은 에너지원을 만들어 내며, 낮은 자기방전율, 긴 충·방전수명, 높은 충·방전 전류량 등의 강점이 있으나, 과충전, 과방전 및 온도 변화에 의한 용량 급격한 수명저하, 폭파 및 화재로의 안전성 문제가 대두되고 있다. 이러한 이슈를 극복하기 위해서는 안정적인 운영의 BMS(Battery Management System)가 반드시 필요하며, 전기차 배터리를 재사용 및 재제조를 할 경우 상대적으로 강인한 제어 알고리즘이 반영되어야 한다[3]. BMS는 리튬 이온 배터리가 충전과 방전의 동작 동안 과충전 및 과방전, 셀 간의 불균형 문제를 방지하기 위한 전압측정, 모듈을 구성하는 셀 간 전압의 평형화, 배터리 제어기로의 상태 데이터 전송 등의 기능이 가능해야하며, 이를 바탕으로 배터리의 온도, 전압, 전류 측정, 충·방전 제어, 충전상태(State Of Charge, 이하 SOC), 건강상태(State Of Health, 이하 SOH), 출력전력 예측, 적용 대상과의 인터페이스 및 통신 등을 관리할 수 있어야 한다[3]. 전기차의 배터리는 가속과 감속, 오르막, 내리막 운전거리 등의 운전자의 성향과 온도, 습도, 먼지 등에 환경적인 요인으로 인한 배터리의 출력 특성이나 용량에 변화가 생길 수 있다. 따라서 전기차에 사용이 종료 된 배터리를 다른 어플리케이션에 적용하여 재활용하기 위해서는 기존 배터리의 셀 전압 및 SOC 관리에 각별한 노력이 필요하다. 따라서 BMS의 동작 성능 개선이 필요하며, 또한 좁아진 동작영역을 일부 보상하기 위한 BMS 구성 소자들의 소비전력 저감 방안도 추가적으로 고려해야할 필요가 있다. 그리고 다른 한편으로는 폐배터리간의 다른 셀 적층 구조 결합에 대한 문제도 존재한다. 국외의 경우 생산자책임제도에 따른 자동차 제조사의 산업장악으로 동일 배터리 셀 구성의 조합의 이점을 가지고 폐배터리 시장이 형성되고 있다. 하지만 국내의 경우 공공 기반 시설 및 중·소기업 중심의 어플리케이션 활용 시장이 형성되었기 때문에 폐배터리의 수급불균형이 발생하고 있으며, 이로 인해 셀 적층 구조가 상이한 배터리 조합의 구성이 불가피하다. 따라서 차종별, 연식별, 제조사별 배터리의 구성과 출력특성이 상이하기 때문에, 안정적인 운영을 위한 통합 관리시스템이 마련되어야 한다[4]. 본 논문에서는 폐배터리의 BMS 원활한 활용을 위해서 셀 밸런싱과 계측의 구조적인 개선을 통하여 절연 보강과 스위칭 노이즈에 인한 오류 발생 저감 방안을 제안하고, 폐배터리의 셀 적층 구조에 영향을 받지 않는 제어 알고리즘과 필터의 이중화를 통한 계측의 정확도와 안전성을 높이는 방안을 제안한다. 제안된 BMS의 검증은 셀 적층 구조 확인, 전압, 전류, 온도의 계측과 고장 상황에 따른 동작상태 확인과 수동형 셀 밸런싱 의 성능시험을 통하여 정확성을 하며, 충·방전 시뮬레이션 장비를 활용하여 실제 2P4S, 2P6S, 2P10S에 제안된 BMS를 연계하여 충전과 방전 및 셀 밸런싱 시험을 통하여 안전성을 확인하고자 한다. 마지막으로 본 시험을 통하여 얻어진 결과를 제주테크노파크에서 진행한 동일 폐배터리 규격의 충·방전 시험의 결과의 비교를 통하여 제안된 BMS의 연계 시험 결과에 대한 타당성을 확인한다.

In this thesis, I would like to describe an integrated BMS (Battery Management System) that is not affected by the cell structure of the battery. Waste batteries that have been used for electric vehicles have 70-80% of their capacity compared to general new batteries, and because they are 1/10 of the price, they have a competitive edge in being able to be reused in other areas. BMS is the most basic technology because it is used to monitor the cell voltage, internal temperature and current status in real time in conjunction with the battery. Of course, there is a BMS used for electric vehicles, but it is difficult to access other than the manufacturer and needs to be reconfigured so that it can be used in the application field to be applied. Most of the batteries for electric vehicles used in Korea have three cell structures: 2P4S, 2P6S, and 2P10S, and the BMS applied accordingly is different. If the same cell structure cannot be secured when applying the battery after use to various applications such as ESS, UPS, and agricultural machinery, it must be composed of a combination of different cell structures, but there are many restrictions because different BMSs must be used for each. As the demand for waste batteries increases and expectations for their use increase, we would like to propose an easy-to-access BMS for use in other fields by combining batteries without being constrained by the cell structure. The proposed BMS is divided into power, communication, balancing and measurement, and micro-controller parts in hardware, and was designed using OrCAD. The power is used by converting the power of the associated battery to the required power level of the BMS board. For external communication, RS232 method was used and Renesas' RL78/G13 micro-controller was applied. The balancing of the connected battery was applied passively. The conventional method used a FET-type PWM switching device, but the proposed BMS minimized switching noise and power loss by using a high-insulation photocoupler device. In addition, cell voltage measurement is monitored by the INA149 insulating element connected in parallel with the cell. If the cell voltage differs by more than 0.2V, the remaining cells lower the voltage through passive balancing based on the low cell voltage. At this time, since the magnitude of the discharge current is as small as 125mA, the discharge time is long. During discharge, the connected LED turns on to indicate that it is a balancing section. In addition, temperature management is very important because the performance of the battery varies greatly depending on the temperature. The thermistor sensor that exists inside the battery is used. The temperature calculation uses the Steinhart-Hart formula, which is calculated by reading the resistance value. And the current of the battery is managed in real time by connecting a current sensing device (ACS721) to the BMS power supply. The SOC (State of Charge) measurement of the battery in the proposed BMS was estimated by applying the current integration method, which is calculated by integrating the current during the charge/discharge cycle of the battery to the initial SOC value of the battery as a method of counting the amount of charge. To increase the accuracy of external input signals such as cell voltage, temperature, and current, a first-order low-pass filter and moving average function were additionally applied to these signals. The verification of the proposed BMS confirmed its accuracy, safety, and reliability through three tests. Before linking the proposed BMS to the battery, the DC Power Supply was used to verify the accuracy of the input value measurement of the monitoring voltage to verify the performance of the developed product. In the failure (overvoltage, undervoltage, overcurrent, temperature abnormality) test and battery status (temperature, current cell voltage, operation status) measurement, the fault level signal was arbitrarily set in the program and the value displayed on the HMI was compared with the input value. The following is a BMS test in connection with charging/discharging equipment. In all cell structures (2P4S, 2P6S, 2P10S), the cell voltage is in the range of 4.0V≤Cell Voltage≥3.6V. The corresponding SOC was carried out while applying a charge/discharge current of ±5A in the 95-85% section. The cell balancing test was confirmed by arbitrarily applying a balancing operation signal. The proposed BMS stability was confirmed through this test. Finally, the reliability of the proposed BMS system was verified through comparison with the charge/discharge data of waste batteries.