1.1 연구의 배경

최근 기후 환경 변화에 따른 전력 생태계 변화와 함께 스마트그리드 도래로 인한 신재생에너지(태양광, 풍력 등)의 전력계통 연계가 급격하게 증가하고 있다. 이에 따른 전력품질 및 안정성 문제 등에 대한 해결 수단으로 전기에너지저장장치(Electrical Energy Storage System, ESS)가 전력계통에 연계되고 전력계통의 수요반응, 예비력, 주파수 조정, 비상 발전기 대체 등과 같이 응용 분야별 용도에 맞도록 이와 관련한 연구가 활발하게 이루어지고 있을 뿐만 아니라 상용화를 통한 시장의 급성장이 이루어지고 있다^(1-2). 이러한 ESS는 전력변환장치(Power Conversion System, PCS)와 배터리에너지저장장치(Battery Energy Storage System, BESS)로 구분된다.

최근 국내에서는 리튬배터리를 사용한 ESS 관련 화재사고가 발생하고 있으며, 배터리 트레이 또는 모듈이 적재된 랙으로 구성된 BESS의 안전성이 집중적으로 부각되고 있다. 이러한 ESS 사고 원인 및 사고 유형에 대한 조사가 진행중에 있으며, 국내외적으로 ESS 화재에 대한 안전 지침이 마련될 것으로 예상되며, BESS의 열폭주 현상에 대한 화재 전파 유형과 관련한 특성시험 등 보다 강화된 시험방법 등이 마련되고 있다^(3-5).

BESS는 구조에 따라 수백Wh 및 수kWh급의 배터리에너지저장모듈(Battery Energy Storage Module, BESM)이 직렬 또는 병렬 조합으로 구성된다. 이러한 BESM에는 배터리관리시스템(Battery Management System, BMS) 또는 보호회로모듈(Protection Circuit Module, PCM)과 같은 배터리보호장치(Battery Protection Unit, BPU)를 사용하여 배터리 사고 예방 및 관리 기능을 수행하게 된다. 최근 리튬배터리는 휴대용 IT 장비(스마트폰, 노트북, 퍼스널 모빌리티, 전기저장용 배터리 모듈 등) 및 전기자동차에 이르기까지 모바일 기기의 전력 구동 전원부로 그 활용 범위가 넓게 사용되고 있다. 전기를 저장할 목적으로 제작되는 배터리 팩 또는 모듈에는 사용이 용이한 PCM을 이용하여 보호회로를 구성한다. 그러나 PCM은 과도한 방전심도(Discharge of Depth, DOD) 및 배터리 온도 모니터링 기능의 한계 등에 의한 위험요인으로 인해 화재 발생에 대한 취약성을 지니고 있다.

1.2 연구의 목적 및 방법

배터리보호장치는 배터리의 상태를 파악하여 과충전, 과방전, 과전류 및 과온도 등에 의한 배터리 손상을 방지하는 보호기능을 수행하는 장치를 의미한다. 기존 BESS의 배터리보호는 설비용량 및 보호하는 방식에 따라 PCM 및 BMS 등으로 보호할 수 있다. 이러한 보호기능을 갖는 장치들은 개별 배터리에 대한 충전 시 과전압과 방전 시 저전압으로 인한 배터리 보호를 위한 기능을 구현하도록 설계된다. 또한 보호소자의 과열과 BESM 내부의 온도 상승에 대해 감지 및 보호하는 기능을 일부 가지고 있다. 그러나 이러한 PCM, BMS에는 모듈 내부의 온도를 감시하는 온도 센서가 장착되고 있으나, 배터리 온도 감지 기능은 부분적으로만 가능한 구조이다^(6-7). 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 배터리 각각의 Cell 전압 보호범위의 임계치 한계를 극복하기 위해 PCM과 함께 임베디드 모듈을 구성하여 배터리모듈 전압 및 전류 관리 및 배터리 개별 온도 감지를 통해 BESM을 안정적으로 운용하는 방식을 설명하고, 이를 위해 1kW급 BESM 및 배터리보호장치를 제작하여 실험 및 검증하였다. 시료용 배터리는 리튬인산철(LiFePO4) 60Ah Cell을 사용하여 배터리에 대한 C-rate별 온도 특성을 분석하고, BMS 역할을 수행하는 임베디드 모듈을 개발하여 개별 배터리에 대한 온도 모니터링 센서를 적용하였다. 또한 시스템 전압 및 전류, 입출력 전력에 대한 데이터를 수집 및 관리하도록 설계하였다.

2.1 배터리보호장치 및 관리시스템

배터리보호장치 및 관리시스템은 BESM의 용량 및 구성 방식에 따라 용도별로 제작 방식이 구분되고, 보호하는 방식에 따라 PCM 및 BMS를 연계하여 보호회로를 구성할 수 있다. PCM은 일반적으로 수백 Wh급 미만의 BESM과 같이 휴대용 IT장비(스마트폰, 노트북, 스마트 모빌리티 등)과 같은 모바일 기기의 배터리 전원장치 및 파워팩 등에 적용된다.

2.1.1 PCM의 주요 기능

그림 1은 PCM 구성을 통해 배터리 보호를 위한 1-Cell에 적용한 보호회로의 예시를 도시하였으며, PCM의 주요 기능은 아래와 같다⁽⁸⁾.

$\quad$◦ 과전압 방지(Over Voltage Protection, OVP) 기능

$\quad$$\quad$ - 배터리 과충전에 의한 발열 및 폭발 등을 예방하기 위해, 과충전 시 전압 이상 상태를 검출하여 충전을 중지하는 기능

$\quad$◦ 저전압 방지(Under Voltage Protection, UVP) 기능

$\quad$$\quad$ - 배터리 과방전에 의한 발열 및 열화 등을 예방하기 위해, 과방전 시 전압 이상 상태를 검출하여 방전을 중지하는 기능

$\quad$◦ 과전류 보호 기능

$\quad$$\quad$- BESM과 PCM에 연계된 운용 기기의 고장 및 BESM 내부의 이상으로 과전류가 회로로 흐를 때 충전 및 방전을 중지하는 기능

$\quad$◦ 단락 보호 기능

$\quad$$\quad$ - BESM의 내부 단락 또는 운용 기기 고장에 따른 외부 단락 등으로 대전류가 흐를 때, 화재 및 폭발을 방지하기 위해 DC 전로를 차단하는 기능

BMS는 PCM이 가지고 있는 과전압, 저전압, 과전류, 단락 보호 기능 이외에 배터리 관리에 필요한 모니터링, 통신, 각종 계산 및 제어기능을 포함하며, BESM에 내장되는 Module-BMS 또는 Tray-BMS에 대한 회로 구성의 예시를 그림 2에 나타내었으며, 주요 기능은 아래와 같다⁽⁷⁾.

$\quad$◦ PCM의 기본 기능

$\quad$$\quad$ - 과전압, 저전압, 과전류, 단락 보호 기능

$\quad$◦ 모니터링 기능

$\quad$$\quad$ - 배터리의 정보(충전 및 방전 상태, Cell 전압, 전류, 모듈 내부온도, 이벤트 기록 등) 모니터링

$\quad$◦ 통신 기능

$\quad$$\quad$ - BMS 내부의 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신 및 CAN(Controller Area Network) 통신, 외부 장치와의 ModBUS TCP/IP 등 배터리 정보를 전송하거나 제어하기 위한 기능

$\quad$◦ 계산 기능

$\quad$$\quad$ - 배터리의 잔량, 사용 가능 시간, 에너지량 등 축적된 각종 데이터를 계산 및 누적하는 기능

$\quad$◦ Cell Balancing 기능

$\quad$$\quad$ - BESM 내부의 직렬로 구성된 배터리 Cell간의 잔량에 대한 편차를 평준화시키는 기능

2.2 배터리에너지저장장치의 열 안전성

리튬배터리는 기존 납축전지와 비교하여 에너지 밀도가 높아 고용량의 BESM, 전기자동차 및 전력저장용으로 사용되고 있다. 고용량의 BESM은 높은 충전 및 방전량으로 인해 배터리 온도가 높아져, 이로인해 성능 변화가 발생하고, 배터리 발열로 인해 최근 이슈가 되고 있는 발화 및 폭발로 이어질 수 있어 이에 대한 관리가 필요하다^(4,9-10). 이러한 배터리 발열 문제를 해결하기 위해서는 BMS 및 배터리 열 관리 시스템(Battery Thermal Management Systme, BTMS)이 필요하게 된다. BTMS는 최근 전기자동차(Electric Vehicle, EV)의 급격한 확산 보급에 따라 열 관리의 중요성이 이슈화 되고 있으며, 전력저장용 BESS는 그림 2에서 도시한 바와 같이 온도 센서를 적용하여 배터리의 온도를 감시하여 BESS를 구성하는 보조설비 중 공조장치 및 냉각장치를 이용하여 주변 온도를 관리하도록 구성한다. 일반적인 PCM의 경우에는 별도의 온도 센서가 존재하지 않고, DC 전로를 차단하는 소자인 FET 과열을 감지하는 방식으로 충전 및 방전 시 DC 전로에 흐르는 전류에 의해 FET를 통한 발열 온도를 감지하여 배터리를 보호하는 방식을 채택하고 있다. 따라서 일반적인 PCM과 BMS는 배터리 셀별 온도를 관리하지 않아 배터리 모듈 내부의 온도를 감시하는 기능적 한계가 있어 BMS 및 PCM과 연동한 배터리 셀별 온도 감지를 위한 전용의 배터리 온도 감지 장치가 요구된다.

3.1 배터리에너지저장모듈 및 배터리보호 장치 설계

그림 3부터 그림 5는 본 연구를 위해 설계한 임베디드 프로세서와 PCM을 활용한 BESM의 블록 다이어그램을 나타내었다. BESM은 ESS 내부의 전기에너지를 저장하는 모듈로 BESS를 구성하기 위해 사용 가능하며, 해당 BESM은 실험을 위해 24Vdc급으로 설계하고 목표 출력량을 1kWh급으로 설정하였다. 배터리보호장치는 BESM을 안정적으로 운전하기 위한 것으로 배터리 보호를 위해 사용하는 일반적인 PCM과 연동 가능한 임베디드 기반으로 설계하여 구성하였다. 임베디드 프로세서는 그림 3의 (a)와 같이 Comfile Technology사의 CB405RT core를 사용하였으며, 해당 core의 사양을 표 1에 나타내었다. 제어 및 감지용 I/O 포트는 Relay 제어용 1CH, 냉각팬 제어용 2CH, ADC로 활성화한 cell 개별 온도 측정을 위한 8bit-8CH, 전압과 전류 및 모듈 내부 온습도 측정을 위한 16bit-3CH, Reset 스위치용 1CH 등 15CH을 사용하였으며, 각 채널별 외부 감지 회로를 그림 3 (b), (c)에 나타내었다. 또한 관리 정보를 확인하기 위한 HMI 및 외부 PC와 통신을 위해 RS232와 관련하여 2CH을 사용하여 배터리보호장치에 대한 임베디드 프로세서를 구성하였다.

BESM에는 최근 전력저장용 ESS의 화재사고와 같이 리튬배터리의 열폭주에 대한 예방을 위해 개별 단전지에 온도 센서를 적용하고, DC 전로에 차단기능을 추가하였으며, 사양은 표 2와 같다. 온도 감지를 위한 센서로는 온도 대비 전기저항값이 지수적으로 감소하는 NTC(Negative Temperature Coefficient) Thermistor를 이용하여 배터리 단전지의 전극간 접속 도체를 폴리올레핀 튜브로 절연 후 해당 온도 센서를 삽입하고 동일한 튜브로 한번더 절연 후 온도를 감지하도록 구성하였다.

그림 4는 Comfile Technology 사의 CB405 Proto Board를 이용하여 임베디드 보드를 제작한 사진을 나타내고, 그림 5는 BESM에 대한 전체적인 회로의 다이어그램을 나타내었다.

3.2 배터리보호장치 운영 알고리즘

임베디드 보드에 대한 운전 알고리즘을 그림 6과 그림 7에 나타내었다.

그림 6은 BESM을 제어하는 배터리보호장치에 동작 전원이 투입되는 초기에 모듈의 전압, 개별 셀에 대한 온도, 셀 전압을 체크하여 이상 발생 시 상태에 따라 보호소자(Module relay, PCM FET)를 동작시키도록 구성하였다. 만약 각 상태에 대한 상태값 검출 시 이상이 없다면, 정상상태로 판단하여 BESM이 동작 대기 상태가 되도록 설계하였다.

그림 7은 BESM이 충전 및 방전 모드 동작을 수행할 때, HMI의 기본 표시창에는 배터리 모듈의 전력값, 잔존용량(State of charge, SOC), 전압 및 전류, 셀의 온도를 표기하도록 구성하였으며, 보호 동작과 관련한 항목으로는 모듈 전압, 전류 및 전력과 셀 각각에 대한 온도, 전압 상태에 따라 해당 보호소자(Module relay, PCM FET)의 동작과 관련한 운전 알고리즘을 나타내었다.

4.1 배터리 온도특성 실험

BESM을 구성하는 60Ah 용량의 리튬인산철(LiFePO4) 단전지의 충전 및 방전 시 온도 특성을 파악하기 위해 주위온도 25℃에서 0.2, 0.5, 1.0 C-rate 비율로 각각에 대한 충전 및 방전 1-사이클 실험을 통해 그림 8과 같은 용량 및 온도 특성을 파악하였다. 단전지에 대한 C-rate별 온도 상승특성을 확인하기 위한 보호전압 범위 설정은 과전압에 대해 3.60V로 과방전에 대해 2.80V로 설정하여 실험하였다. 표 3은 C-rate별 단전지의 음극 및 양극의 최대 온도 상승값을 나타내었다. 본 실험을 통해 충전 및 방전 시 음극이 양극에 비해 높은 온도 상승값이 나타나는 것을 확인하였다.

4.2 BESM 충전 및 방전 특성 실험

목표 출력량 1kWh급 BESM에 대한 실험계의 구성 및 측정점 위치는 그림 9 (a)에 도시하였다. BESM의 입출력 단자측에 전력분석기를 이용하여 전력, 전압, 전류에 대해 측정하고, 데이터로거를 이용하여 단전지 각각에 전압 및 온도를 측정하여 BESM의 보호장치와 비교 및 분석하였다. 전체적인 실험계의 구성을 그림 9 (b)에 나타내었다.

1kWh급 BESM은 리튬인산철(LiFePO4), 60Ah급 단전지 8개를 직렬로 구성하였다. 그림 8과 같이 시험을 통해 얻은 방전 특성 곡선을 보면 대략 3.0V를 기준으로 단전지의 비선형 특성이 급격하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 임베디드를 통한 모듈의 하한 전압 검출 및 보호 동작에 대한 안정성을 기하기 위해 급격한 비선형 특성 구간을 사용하지 않는 것이 바람직하다. 따라서 배터리 보호를 위한 기준값 설정을 위해 단전지 평균 하한 전압을 3.0V로 설정하여 실험하였다. 이는 임베디드를 통한 모듈 하한 전압이 24.0Vdc로 설계하였음을 의미한다. 기준 전압에서 충전을 통해 모듈 전압 27.32Vdc, 단전지 평균 상한 전압 3.415Vdc에서 목표값 1kWh 이상의 출력량이 되는 것을 확인하였으며, 해당값을 평균 상한 전압으로 설정하였다. 1kWh급 BESM에 대한 단전지의 보호전압 범위에 대한 하한전압과 상한전압 및 모듈의 보호전압 범위에 대한 조건을 표 4에 나타내었다. 또한 입출력 전력 500W급으로 충전 및 방전을 통한 사이클 실험을 3회 실시하여 1kWh 목표값에 대해 지속적으로 유지되는 것을 확인하였으며, 실험 결과값을 표 5에 나타내었다.

그림 10은 동일 조건에서 BESM의 모듈 전압 특성을 나타낸 것으로 목표 출력량 1kWh급에 대한 모듈의 평균 하한 전압 24.0Vdc와 평균 상한 전압 27.32Vdc에서 보호동작이 정상적으로 이루어지는 것을 확인하였다. 그림 11은 그림 9와 같은 실험계 구성에서 전력분석기를 통해 목표 출력량 1kWh을 만족하는 출력량이 출력되었음을 확인하였다.