3.1 전지의 구분

그림. 3. 전지의 분류

Fig. 3. Classification of batteries

전지는 그림 3과 같이 크게 화학전지와 물리전지로 분류할 수 있으며, 화학전지는 1차전지와 2차전지로 분류 할 수 있다. 1차 전지는 한번 사용 후 버리는 전지를 말하고, 2차전지는 충전을 통해 반영구적으로 사용하는 전지를 말한다. 최근의 전지기술은 고출력화, 고성능화, 경량화, 소형화, 신뢰성 향상 등의 기술적인 진보를 바탕으로 2차전지 시장이 급성장하고 있다.

2차전지는 종래의 니켈카드뮴전지에서 니켈수소전지와 리튬이온전지로 대체되기 시작하였으며, 최근에는 리튬이온전지에 전해질만 폴리머(고분자)로 바꾼 리튬폴리머 전지도 새로운 대체 에너지원으로 각광 받고 있다^(28)-(33).

리튬폴리머 배터리는 리튬이온 배터리와 달리 견고한 금속 외장을 사용할 필요가 없고, 용도에 따라 다양한 크기와 모양으로 제조할 수 있으며 3mm이하 두께로 제작이 가능하고, 무게도 30%이상 줄일 수 있다. 그리고 리튬폴리머 전지는 원통형, 각형 및 파우치형 3종류가 사용된다. 모양은 각기 다르지만 그 세부 구성은 동일하다. 차이점은 원통형 및 각형 셀은 별도의 가스배출을 위한 벤트 구조를 가지고 있으나 파우치는 봉투 형상에서 배가 불러지는 특성이 있으며 압력이 초과되면 터지는 특성이 있다^(34)-(38).

그림. 4. 2차 전지의 중량/체적 에너지 밀도 비교 ⁽³⁾

Fig. 4. Comparison of weight/volume energy density of secondary batteries

그림. 5. 2차전지의 단위 셀 전압 비교 ⁽³⁾

Fig. 5. Secondary battery unit cell voltage comparison

3.2 리튬 2차전지의 구조 및 원리

리튬이차 전지는 화학전지 중 2차전지에 속한다. 리튬 2차전지의 하나인 리튬폴리머전지는 액체 전해질을 사용 하는 리튬이온전지(LIB)의 안전성 문제를 해결하기 위해 만들어진 전지이다.

리튬폴리머 전지는 이온 전도도가 우수한 고체 전해질을 사용하며, 액체 전해질을 사용하던 전지의 단점인 누액 가능성과 폭발 위험성이 없다는 것이 가장 큰 장점이다. 그리고 동일 용량의 다른 배터리 보다 무게와 부피의 소형화가 가능하며 카드뮴, 납, 수은 등 환경 규제 물질을 포함하지 않는다. 타 2차전지와 에너지 밀도 비교 시 납축전지의 4배, 니켈금속합금전지의 2배 이상 높은 에너지 밀도를 가질 뿐 아니라 충전 가능 용량이 줄어드는 메모리 효과가 없다. 이러한 이점들 때문에 여러 악조건 및 환경에서 동작해야하는 어뢰의 에너지원으로 우수한 전지이다^(39)-(42).

그림. 6. 리튬이온전지의 구조 및 원리

Fig. 6. Structure and principle of lithium ion battery

그림 6은 리튬이온전지의 구조를 나타내고 있으며, 양극(Cathode), 음극(Anode), 전해질(Electrolyte), 분리막(Separator)으로 크게 4가지로 구성되었다. 리튬산화물로 양(+)극을 만들고 탄소화합물로 음(-)극을 만든다. 그리고 양극과 음극에서 리튬 이온이 이동할 수 있는 매개체 역할을 할 수 있도록 전해액을 놓고, 분리막은 양극과 음극이 직접적으로 접촉하는 것을 방지해주는 역할을 한다. 주요 구성품과 원재료는 그림 7에 나타나 있다.

그림. 7. 리튬이온 전지의 주요 구성품과 원재료

Fig. 7. Main components and raw materials of lithium ion batteries

기본 원리로는 전기 화학적 산화-환원 반응에 의해 발생하는 이온의 이동으로 전기를 발생시키고 그 반대 과정으로 충전되는 원리이다. 이온의 물질 상태가 양극과 음극에서 서로 달라 이때 발생되는 물질의 고유에너지 차이로 인한 전압차를 이용하는데 리튬이온전지의 경우 양극에 있던 리튬이온이 빠져 나와 전해질을 통해 음극의 가는 충전과 그 반대 현상으로 방전이 일어난다.

리튬 2차전지는 가역적으로 리튬이온의 삽입 및 탈거가 가능한 물질을 양극 및 음극으로 사용하고 상기 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 고분자 전해액을 넣어 리튬이온의 원활한 이동을 가능하게 한다^(43)-(45).

양극에는 리튬코발트산화물이 겹겹이 쌓인 구조를 이루고 있다. 여기서 나온 리튬이온이 전해질을 통해 음극 물질인 흑연에 쌓이면, 충전 상태가 된다. 이때 검은색의 음극 전극은 점차 금빛으로 변하고 반응성이 매우 높아진다. 반대로 방전 시에는 리튬이온이 흑연에서 리튬코발트산화물(양극)로 이동한다. 그리고 분리막은 양극과 음극의 접촉을 막아 내부 단락을 방지하고 충/방전 과정에서 리튬이온의 이동 통로를 제공하는 리튬 2차전지의 핵심 소재 중의 하나로 전지의 안전성에 큰 영향을 미친다. 폴리에틸렌과 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀계 분리막은 우수한 기계적 강도와 화학적 안정성 등의 장점으로 가장 많이 이용된다^(46)-(49).

그림. 8. 어뢰용 리튬폴리머 전지셀의 형상과 구성 ⁽³⁾

Fig. 8. Shape and configuration of lithium polymer battery cell for torpedo ⁽³⁾

3.3 리튬 2차전지의 충 방전 특성

2차전지는 충전과 방전을 반복해서 상당히 여러 번 쓸 수 있다는 장점이 있다. 그러나 충/방전 횟수에 따라 수명이 줄어들며 사용 가능한 용량이 줄어들게 된다. 2차전지의 종류에 따라 충전 및 방전의 특성 그래프라 다르며, 최고의 성능을 발휘하고 수명연장을 가능하게 하려면 리튬 2차전지의 각 유형별 특성 및 심지어 제조사별로 충/방전 방식을 최적화해야 한다^(50)-(52).

리튬 2차전지에 충전전류가 흐르면 양극의 복합 리튬 금속 산화물에서 리튬이온이 빠져나와 음극에 흡착됨으로서 전지의 전압이 상승하기 시작하고 충전이 어느 정도 진행되면 양극에서 빠져나오는 리튬이온의 양이 감소하면서 전지의 단자 전압이 고정되고 결과적으로 충전 전류가 자연적으로 감소하다. 이러한 2차전지의 특성에 따라 정전류 - 정전압 (CC - CV)방식으로 충전하며 그림 9와 같은 충전 특성 그래프를 볼 수 있다. 각각의 충전조건(0.5C, 1.0C, 2.0C)에서의 충전전류와 전압 곡선은 충전시간이 충전전류에 반비례함을 알 수 있다. 충전 특성은 정전류 충전을 시작하고 일정시간 후 4.2V에 달하게 되면, 전압이 유지된 가운데 0.1C의 충전전류에서 종료됨을 보이고 있다.

그림. 9. 리튬 2차 전지 충전특성 ⁽⁵³⁾

Fig. 9. Lithium secondary battery charging characteristics ⁽⁵³⁾

그림. 10. 리튬 2차 전지 방전특성 ⁽⁵³⁾

Fig. 10. Discharge characteristics of lithium secondary battery ⁽⁵³⁾

리튬 2차전지의 방전 특성은 방전 전류와 방전 종료 전압 그리고 방전 온도에 따라 결정된다. 그림 10은 방전전류의 크기(1C, 3C, 5C, 8C)에 따른 전지의 단자전압을 보여 주고 있다. 그래프에서 보듯이 방전 전류가 작을수록 전지의 단자 전압과 전지의 방전 용량은 증가하며, 방전 전류가 클수록 단자전압과 전지의 방전용량이 감소함을 알 수 있다. 그리고 방전 기간 중 대부분의 시간에서 방전 전압이 3.6V가 되기 때문에 리튬 2차전지의 공칭전압은 3.6V가 된다^(54)-(58).

3.4 어뢰용 리튬폴리머 2차전지

그림. 11. 전지셀 모듈과 어뢰용 추진 전지 ⁽³⁾

Fig. 11. Battery cell module and propulsion battery for torpedo ⁽³⁾

어뢰의 전지부는 크게 어뢰의 동력전원으로 사용되는 추진전지, 각 구성부의 전원으로 사용되는 제어전지, 그리고각 구성부와 추진전지, 제어전지를 연동시켜 전원분배를 담당하는 전원제어장치로 구성 된다.

그림 11은 어뢰용 전지의 형상과 구조를 보여주고 있다. 추진전지는 14개의 전지셀로 이루어진 모듈팩과 각각의 모듈팩으로 이루어진 서브팩으로 구성된다. 공급전압을 만들기 위해 서브팩을 직렬 연결하여 전지를 구성한다. 그림 11의 왼쪽은 추진전지와 제어전지에 적용되는 전지모듈이다. 전지모듈들의 양극탭과 음극탭을 지그재그 교차하여 회로를 형성하고 메인 버스바를 통하여 최종 출력단자에 전압을 형성시켜준다.

추진전지의 각각의 셀들은 배터리 관리 시스템(BMS : Battery Management System)을 통해 배터리의 실측값 정보를 수집하는 기능과 수집된 정보를 이용, 과 충전 및 과 방전 등과 같은 배터리에 손상을 줄 수 있는 상황을 미연에 방지하는 보호기능, 그리고 축전지 각 Cell 전압을 균등하게 유지시켜 배터리 수명을 연장시키는 기능을 수행하며 수진된 정보를 이용 배터리의 에너지 잔존용량을 사용자에게 제공하는 장치이다^{(59)- (65)}.

그림. 12. BMS의 기능 ⁽⁶⁶⁾

Fig. 12. BMS features ⁽⁶⁶⁾

4.1 중어뢰용 전동기

직류 전동기는 속도 및 위치 제어가 쉽고 기동 토크가 매우 크기 때문에 산업용 및 군사용 무기체계 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 과거 중어뢰의 전동기는 전기-기계적 에너지변환을 하는데 효과적 구동시스템인 직류전동기를 채택했다. 그 당시 직류전동기는 에너지 변환율이 우수하므로 고밀도 에너지 변환이 가능했었다. 더욱이 단시간 정격의 정 동력 기구에서 기구내의 전자적인 특성을 극대화하기가 용이 했다. 고 에너지 밀도화에 대한 설계로서 Ampere- Conductor의 극대화가 되도록 하며, 더불어 전기자권선, 계자권선, 브러시, 정류자등의 허용전류밀도를 순시개념으로 높게 설계하며, 온도상승에 대비하여 권선 등의 절연지등을 내열성을 갖춘 F종 이상의 절연지를 채택하며, 국부적인 온도 상승을 방지하도록 설계했다. 또한 자속 밀도를 최대한 높게 설계하기 위해 전기자, 전기자 계철, 주자극 계철, 주자극, 공극 등의 자속밀도를 가능한 높게 설계했다.

하지만 브러시와 정류자를 통해 기계적 정류 작용을 하는 직류전동기의 특성상 브러시의 마모가 발생하여 정기적으로 브러시교체가 필요하며, 정류 과정에서 브러시 아크현상이 있으며, 소음이 심하다는 단점이 있다^(72)-(75).

전기 추진방식의 구동원인 전동기는 단일 방향 및 반전 방향 전동기로 크게 두 가지로 나뉘어져 있다. 중어뢰용은 반전 전동기 형태로 경어뢰용은 고속 단일 전동기 형태로 주로 사용되고 있다.

그림. 15. 중어뢰 백상어 추진부 ⁽⁶⁾

Fig. 15. Heavy torpedo white shark propulsion section ⁽⁶⁾

그림. 16. 중어뢰 백상어 직류직권 전동기 ⁽⁵⁾

Fig. 16. Heavy torpedo white shark DC series motor ⁽⁵⁾

중어뢰용은 반전 전동기 형태로 내 외부 전기자 및 계자세트가 서로 반전하는 직류직권 전동기로서 어뢰의 프로펠러를 양방향으로 회전시켜 Rolling moment를 없애 명중률을 높이는 특징이 있다. 어뢰 후미부에는 추진기(프로펠러) 두 개가 붙어 있지만 서로 반대 방향으로 회전하도록 되어있다. 추진기 한 개만 회전하면 어뢰가 롤 방향으로 돌며 앞으로 나가기 때문에 이를 방지하기 위해 서로 반대 방향으로 회전하는 두 개의, 즉 이중 추진기를 필요로 하는 것이다. 이에 따라 추진기를 돌리는 전동기도 한 방향 또는 서로 반대 방향으로 회전해야 한다는 조건이 따라 붙는다.

반전 추진기는 전동기와 추진기 축 사이에 기어 박스를 설치하고 1개의 바깥 축과, 같은 축 중심을 갖고 내부에서 반대방향으로 회전하는 안축 등 2개의 축을 통해 추진기와 연결시킨다. 이 경우 두 추진기의 회전수는 일정하므로 추진기 날개 중 하나라도 손상을 받으면 어뢰 몸체가 경사 또는 회전을 하여 기능을 상실하게 된다. 최근의 중어뢰 에는 구동원으로 로터(Rotor)와 스테이터(Stator)가 서로 반대방향으로 회전하는 반전 전동기가 사용되어, 기어박스가 필요 없게 됨으로써 소음이 감소하게 되었다. 또한 추진기 날개가 부분적으로 손상을 받더라도 손상된 추진기의 회전수가 자동적으로 증가하여 어뢰의 추진 기능이 큰 무리 없이 유지되도록 되어있다^(76)-(79).

중 어뢰의 반전직류전동기(CRM: counter rotating dc motor)는 그림 17과 그림 18과 같이 Radial gap 방식과 Axial gap 방식이 있다. Radial gap 모터는 원통형이며 Axial gap 모터는 팬케이크 모양이다. 중어뢰인 백상어의 경우는 Radial gap 방식을 적용하여 운용 중에 있다.

일반적인 직류전동기의 경우에는 회전하는 전기자세트와 고정된 계자세트가 존재하여 전기-기계에너지 변환과정에서 서로반대 방향으로 움직이려는 힘이 작용하게 되어 회전을 하게 된다. 하지만 반전직류전동기는 프레임부분인 계자세트를 고정시키지 않기 때문에 내부회전자와 외부회전자가 같은 크기의 토크로 서로 반전하여 회전을 하게 된다. 내부회전자인 전기자세트에는 정류자가, 외부회전자인 계자세트에는 정류장치인 브러쉬홀더, 브러쉬와 브러쉬압을 조정해 주는 스프링역으로 브러쉬 원심력 보상기가 있다^(80)-(81).

그림. 17. 방사형 갭 CRM ⁽⁸⁰⁾

Fig. 17. Radial gap CRM ⁽⁸⁰⁾

그림. 18. 축 갭 CRM ⁽⁸⁰⁾

Fig. 18. Axial gap CRM ⁽⁸⁰⁾

4.2 경어뢰용 전동기

군사용 전동기는 고속, 고출력, 고신뢰성, 저소음의 특징을 가져야 한다. 특히, 어뢰 추진용 전동기의 경우 기본적으로 직경, 부피, 무게, 출력, 속도 변화, 효율 소음 특성에 대한 제약 조건이 많다. 따라서 중어뢰에 적용된 기존의 기계적인 접촉 구조를 가진 직류직권전동기로는 이러한 많은 제약조건을 이행하기 어렵다. 기술이 발전함에 따라 이러한 문제점을 해결한 영구자석 브러시리스 직류전동기인 BLDC모터가 현재 모든 어뢰에 적용되어 운용 중에 있다. BLDC 모터는 DC 모터와 전기적인 특성은 유사하지만 기계적인 접촉을 가지는 정류장치인 브러쉬를 제거하고 외부에서 전기적인 정류장치인 인버터를 이용하는 모터이다. 고효율, 비 관성에 의한 큰 토크, 제어의 단순성, 가벼운 중량, 소형 디자인, 유지보수가 쉬운 점 등 여러 이유로 산업용 및 군사와 같은 응용 분야에 널리 사용된다. 구동 원리는 원하는 방향으로 회전자가 회전하도록 자속을 발생시키는 것으로, 센서로 검출된 회전자의 위치에 따라 각각 다른 전류를 권선에 흘려 연속적으로 회전이 가능하도록 하는 것이다. 국내의 경우 경어뢰 청상어에 7상 6극의 다상 BLDC모터가 적용되어 있고, 현재 개발 중인 차기 중어뢰인 범상어도 7상 6극의 BLDC모터가 적용되었다. 7상 6극의 전동기의 경우 3상 전동기보다 토크 리플을 줄이고, 효율을 증가 시키며, 상당 전압 증가 없이 철손을 줄일 수 있다. 그리고 상전류에 대해 3상 전동기 보다 높은 출력을 얻을 수 있어 동일 출력의 3상 제어반에 비해 적은 용량의 전력소자를 분산 시킬 수 있으므로 조립이 용이하다^(82)-(91).

그림. 19. 경어뢰 청상어 추진부 ⁽⁷⁾

Fig. 19. Light torpedo blue shark propulsion section ⁽⁷⁾

그림. 20. 경어뢰 청상어 BLDC 전동기 ⁽⁵⁾

Fig. 20. Light torpedo blue shark BLDC mortor ⁽⁵⁾

경어뢰 청상어용 전동기는 그림 21에서 보이는 것처럼 인버터(전력전자부), 전동기부, 감속기로 구성 되어 있다. 전력전자부는 스위칭 소자와 제어용 드라이브로 구성된다. 전동기부의 고정자는 7상으로 구성되고, 회전자는 6극의 영구자석으로 구성된다. 전동기의 동작 방식은 유도제어부로부터 속도 신호를 받아 제어전자부에서 전력전자부로 스위칭 신호를 전달하여 전지로부터 공급된 전원을 사용하여 전동기에 에너지를 전달한다. 이후 전동기는 전기적 에너지를 사용하여 회전자를 회전시킴으로써 기계적 운동으로 변환시킨다. 이때 고속으로 회전하는 회전자를 감속기를 사용하여 로터에 적절한 속도로 감속 시킨다. ^(92)-(94)

그림. 21. 추진 시스템 구성 ⁽⁹⁴⁾

Fig. 21. Construction of propulsion system ⁽⁹⁴⁾

그림 22는 제어전자부의 전체 구성도로 DC-DC 컨버터, 제어기, 파워부, 전류센서 및 엔코더로 구분할 수 있다. 전지로부터 320V를 입력받아 DC-DC컨버터를 통해 제어 전원 5V와 ±15V 및 GDU(gate drive unit)의 전원 +15V를 만들게 된다. 제어기는 지시부로부터 속도 명력을 받아 파워부에 펄스를 인가하게 된다. GDU와 IGBT는 입력된 펄스 신호에 의해 320V를 스위칭하여 전동기에 전원을 공급하게 된다^(95)-(104).

그림. 22. 제어전자부 구성도 ⁽⁹⁶⁾

Fig. 22. Control electronics configuration ⁽⁹⁶⁾

그림. 23. 경어뢰용 BLDC전동기 전력전자부의 구성 ⁽¹⁰⁵⁾

Fig. 23. Composition of BLDC motor power electronics for light torpedoes ⁽¹⁰⁵⁾

전동기의 전력전자부는 그림 23과 같이 구성 되어 있다. 7상 6극의 전동기이기 때문에 스위치가 상당 2개씩, 총 14개로 되어 있으며 200A 급이다^(105)-(106). 전동기의 용량이 크기 때문에 고전류를 스위칭 할 수 있는 IGBT를 사용한다.