[미래자동차응용] 전기자동차 배터리 및 배터리관리시스템

 

전기자동차의 핵심은 단연 배터리이며, 그 중심에는 리튬이온 배터리와 이를 관리하는 배터리관리시스템(BMS)이 있다. 전기자동차가 내연기관 차량과 달리 동력을 저장하고 사용하는 방식은 배터리의 구조와 특성에 크게 의존하며, 이로 인해 배터리 기술은 전기차 성능과 안전성을 결정짓는 가장 중요한 요소로 자리 잡았다.🚗

 

이 글에서는 먼저 리튬이온 배터리가 어떤 구조로 이루어져 있고, 리튬이온의 이동을 통해 어떻게 충전과 방전이 이루어지는지를 정리한다. 또한 배터리 셀의 형태와 데이터시트에 포함된 주요 성능 지표를 통해 배터리를 평가할 때 어떤 요소들을 살펴봐야 하는지도 함께 다룬다.🛠️

 

이어서 전기자동차에서 배터리가 셀, 모듈, 팩 단위로 구성되는 방식과, 다수의 배터리를 안전하고 효율적으로 사용하기 위해 반드시 필요한 배터리관리시스템(BMS)의 구조와 역할을 살펴본다. 마지막으로 BMS의 핵심 기능인 전압·전류·온도 모니터링, 셀 밸런싱, SOC와 SOH 추정 개념을 통해 전기자동차 배터리가 어떻게 관리되고 보호되는지 전체 흐름을 정리하고자 한다.

 

1. 리튬이온 배터리 구조와 동작원리

2. 배터리관리시스템의 구조와 주요기능

 

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① 리튬이온 배터리 구조와 동작원리

리튬이온 배터리 구조와 동작원리

• 이차전지:
  • 외부의 전기에너지를 화학에너지의 형태로 바꾸어 저장하고 필요할 때 전기를 만들어내는 장치
  • 일차전지와 달리 충전과 방전을 반복해서 사용할 수 있음
    • 리튬이온 배터리, 니켈-카드뮴 배터리, …
• 리튬이온 배터리:
  • 리튬이온이 양극과 음극을 이동하며 화학적 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 이차전지
  • 높은 에너지 밀도와 동작 전압이 장점
• 리튬이온 배터리의 4가지 구성요소
  • 양극: 리튬 산화물을 활물질로 사용하며 배터리의 용량과 평균 전압을 결정
  • 음극: 음극 활물질은 양극에서 나온 리튬이온을 흡수/방출하면서 외부회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 수행
  • 전해질:
    • 리튬이온 원자의 이동통로
    • 리튬이온을 잘 이동시킬 수 있도록 이온 전도도가 높은 물질로 구성
  • 분리막:
    • 양극과 음극의 분리역할
    • 단락방지로 화재 폭발 위험 차단
• 충전&방전 → 리튬이온 및 전자가 양극과 음극 사이를 이동하는 화학적 반응 → 전기 생성
  • 충전: 외부의 힘(전압)을 통해 리튬이온과 전자가 음극으로 이동
  • 방전: 리튬이온은 전해질을 통해 양극으로 이동, 전자는 외부 도선을 통해 이동
  • ①

    

    https://inside.lgensol.com/2021/11/%EB%A6%AC%ED%8A%AC%EC%9D%B4%EC%98%A8%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%EC%9D%98-%EA%B5%AC%EC%A1%B0%EC%99%80-%EC%9E%91%EB%8F%99-%EC%9B%90%EB%A6%AC/

• 리튬이온 배터리의 형태
  • 원통형 (테슬라)
    • 장점: 저렴한 비용, 높은 안정성
    • 단점: 낮은 에너지 밀도, 짧은 수명
  • 각형 (폭스바겐, BMW)
    • 장점: 외부 충격에 강함, 대량 생산 용이, 높은 안정성
    • 단점: 낮은 에너지 밀도, 열관리 어려움, 무거운 무게
  • 파우치형 (현대, 기아자동차, 아우디)
    • 장점: 높은 에너지 밀고, 형태 변경 용이, 출력 성능 우수
    • 단점: 높은 생산 원가, 약한 내구성, 높은 개발 난이도

 

리튬이온 배터리의 데이터시트

• 데이터시트
  • 부품, 장치 등의 성능, 특성 등을 기재한 문서
  • 일반적으로 제조사에서 제공
• 중요한 성능
  • 정격용량(Nominal Capacity)
    • 방전 종지전압까지 방전한 전류를 적분한 값
  • 공칭전압(Nominal Voltage)
    • 전체 방전과정에서 작동 전압의 평균값
    • 일반적으로 배터리 SOC 50% 구간에서의 전압
  • 내부 임피던스(Internal Impedance)
    • 등가회로 상 내부저항 Ri값을 나타냄
  • 표준 방전 전류(Standard discharge current)
    • 데이터시트의 정격용량을 계산할 때 사용하는 전류로 일반적으로 많이 사용하는 전류 값
  • 급속 방전 전류(Rapid discharge current)
    • 배터리의 최대 방전 전류
  • 최대 펄스 방전 전류(Max pulse discharge current)
    • 지속적인 전류가 아닌 펄스형태로 방전시킬 수 있는 최대 전류

 

리튬이온 배터리의 형태와 구성

• 배터리의 구성
  • Cell
  • Module
  • Pack
• 전기자동차는 리튬이온 배터리팩 사용
• 다수의 배터리 셀, 모듈, 팩을 안전하고 효율적으로 사용하기 위하여 배터리 관리시스템 사용
• 전기자동차 구동을 위해 엄청난 양의 전력과 에너지 필요하여 배터리 셀이 수십 개에서 많게는 수천 개 필요
• 전기자동차에는 최종적으로 배터리가 하나의 팩 형태로 사용

 

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② 배터리관리시스템의 구조와 주요기능

배터리관리시스템의 구조

• 배터리관리시스템(BMS, Battery Management System): 배터리를 안전하게 효율적으로 사용할 수 있도록 관리하는 시스템
  • 배터리 모니터링
  • 충/방전 제어
  • 배터리 보호
  • SOC / SOH 추정
  • 셀 밸런싱
• 일반적으로 Slave-Master의 구조를 가지고 있음
  • Slave BMS
    • 각 배터리 모듈마다 장착
    • 배터리 셀의 전압, 온도, 팩의 전류 등을 센싱, 셀 밸런싱 수행
  • Master BMS
    • Slave BMS의 상태를 관리
    • SOC / SOH 추정
    • 셀 밸런싱 정보를 Slave BMS에 제공

 

배터리관리시스템의 주요 기능

• 배터리 전압 모니터링
  • 개별 배터리 셀의 전압 측정: 배터리 셀의 전압은 Slave-BMS의 AFE(Analog Front End)를 통하여 센싱
  • 개별 셀의 전압은 셀에 병렬로 연결된 RC 필터를 통하여 노이즈가 제거된 후 AFE에 입력됨
  • AFE의 ADC(Analog-to-Digital Converter)는 배터리의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 통신모듈을 통해서 Master-BMS에 전달됨
• 배터리 전류 모니터링
  • 배터리 전류는 각 셀이 아닌 모듈 또는 팩에서 추정
    • Shunt Resistor: 저항을 이용하여 측정
    • CT(Current Transformer): 변압기의 성질을 이용하여 측정
    • Hall Sensor: Hall Effect를 이용하여 전류측정
  • 배터리 충/방전 전류의 센싱된 아날로그 신호는 AFE에 의해서 디지털 신호로 변환됨
• 배터리 온도 모니터링
  • 배터리 온도는 모듈 또는 팩의 일부 지점에서 측정
    • 일반적으로 온도에 따라서 저항 값이 변하는 Thermistor(Thermally Sensitive Resistor)을 이용하여 측정
    • 주로 온도가 올라가면 저항 값이 작아지는 NTC(Negative Temperature Coefficient)를 이용
    • 배터리 온도를 나타내는 아날로그 신호는 AFE에 의해서 디지털 신호로 변환됨
  • 온도 증가 → 저항 값 감소 → TS핀 전압 감소 → 배터리 동작 온도 유추
• 배터리 보호회로
  • 고 전압, 저 전압, 과 전류, 고온 등의 동작으로 부터 배터리를 보호하기 위한 동작
  • 배터리 모듈(또는 팩)의 배터리 충/방전 전류경로에 위치한 스위치(Q1, Q2)의 ON, OFF 동작을 제어
  • 배터리 이상 시 스위치를 OFF하여 배터리를 보호함
• 배터리 셀 밸런싱
  • 직렬 연결된 배터리 셀 간 SOC(또는 전압)의 편차 존재
  • 배터리의 효율적인 사용과 안전을 보장하기 위하여 셀 밸런싱 필요
  • 문제 해결하기 위해서는:
    • 수동 셀 밸런싱: 저항을 에너지 소비하는 방식. 회로구성이 단순하고 저가격으로 대부분 응용분야에서 채택하는 방식
    • 능동 셀 밸런싱: 에너지를 컨버터 등을 이용하여 전달하는 방식. 회로의 구성이 복잡하고 가격이 높아지는 단점
• SOC(State Of Charge)
  • 현재 사용할 수 있는 배터리 용량을 전체 용량으로 나누어 %로 나타낸 값

  • 

  • OCV-SOC 관계: 배터리의 개방전압(OCV)와 SOC의 1:1 매칭 관계 이용
  • 전류 적산: 배터리의 충/방전 전류를 적산하여 계산
  • 확장칼만필터: 배터리의 등가모델과 단일 확장칼만필터 이용
  • 인공지능 알고리즘: 인공지능 신경망을 활용한 데이터 기반 기법. SOC와 연관된 배터리 전압, 전류 등 데이터 사용

• SOH(State Of Health)
  • 배터리의 이상적인 상태와 대비하여 현재 건강상태를 수치로 나타낸 값
  • 배터리의 전체 용량, 잔존 수명을 의미
  • 배터리의 초기용량 기준으로 80%가 되면 수명이 다 되었다고 판단
  • 전류 적산: 배터리의 완충/방전 전류를 적산하여 계산
  • 배터리 임피던스: 배터리의 열화에 따른 배터리 임피던스 변화 이용
  • 확장칼만필터: 배터리의 등가모델과 단일 확장칼만필터 이용
  • 인공지능 알고리즘: 인공지능 신경망을 활용한 데이터 기반 기법. 배터리 사이클에 따른 열화 데이터 사용