2.1 CC-CV 기법

ESS 배터리 충·방전기법의 보편적 방법으로는 정전류-정전압 충전 기법인 CC-CV(Constant current-constant voltage)을 들 수 있다. 이는 배터리 충전 초기에 설정한 전류로 전류 제어 충전을 실시하며 일정한 전압에 도달하였을 때 설정한 전압으로 전압 제어를 실시하여 배터리를 충전하는 기법이다.

그림 1은 CC-CV기법을 사용하였을 때 배터리의 전압과 전류를 도시화한 그림이다. 충전되지 않은 초기 배터리는 충전 상태 SOC(state of charge)가 0[%]이며 이 때 전압은 배터리별 권장 방전 최소 전압인 방전 종지 전압 (Cut-off voltage)에 머물러 있다. 이 때 전압은 낮은 상태에서 유지되어 있음에 따라 1C(C-rate : 충․방전률)보다 현저히 낮은 정전류(precharge)로 배터리를 충전하게 된다.

이후에 설정된 전압 이후로 전압이 상승할 경우 설정한 전류의 레퍼런스 값을 높여 전류 제어를 실시하여 배터리를 충전하게 된다. 이후에 전압이 설정된 전압에 도달하게 되면 전압 제어로 제어 방식을 변환하게 되며 정전압으로 제어하여 배터리를 충전하게 된다.

이의 정전압 제어시, SOC는 100[%]에 가까워짐에 따라 전류는 지속적으로 낮아지며 이 때 전류가 설정한 전류 값에 도달하게 되면 만충이 되었다고 판단하여 충전을 멈추게 된다.

이러한 CC-CV 충전 기법은 배터리의 노화로 인해 배터리 수명 상태 SOH(state of health)가 변화할 경우 CC-CV의 기준으로 설정한 전압 및 전류 값이 주기적으로 변화되어야 한다. SOH를 고려하지 않고 CC-CV를 사용할 경우 SOH의 감소로 발생하는 배터리 내부 저항의 증가를 반영하지 못하여 에너지 손실이 증가하게 되며 이는 다시 배터리의 노화를 가속화 시킬 수 있음을 알 수 있다.

2.2 MCC-CV 기법

다단계 정전류-정전압 충전 기법 MCC-CV(multistage constant current–constant voltage)은 배터리를 충전할 때 설정한 정 전류값을 여러 단계로 나누어 배터리를 충전하는 기법이다.

그림 2는 MCC-CV 사용 시의 배터리의 전압과 전류를 보여준다. 배터리 충전 초기에 높은 전류 값으로 제어를 실시하여 충전을 실시하게 된다. 이후에 설정된 전압 값에 전압이 도달하였을 경우 한 단계 낮은 전류 값으로 다시 충전을 실시하게 된다. 이 때 배터리의 전압은 전류의 감소로 인하여 순간적으로 감소하게 되는데 이러한 현상을 이용해 다시 한번 설정한 전압 값까지 전류 제어를 실시하게 된다. 이러한 방법을 여러 번 시도하면 배터리의 완충 전압을 넘어서지 않는 상태에서 높은 전류로 배터리를 충전할 수 있게 된다. 설정된 단계의 전류 제어 충전이 끝나게 되면 CV를 사용해 배터리 충전을 하여 배터리의 내상 없이도 안전하게 SOC가 100[%] 도달할 수 있도록 하게 한다.

2.3 BC 기법

부스트 충전(boost charging) 기법은 배터리 충전 초기에 높은 전류로 배터리를 충전하며 충전 후기에는 CV로 전환하여 배터리를 충전하는 기법이다.

그림 3은 BC 사용시의 배터리의 전압과 전류의 모습을 보여준다. 그림 3을 살펴보면 배터리 충전 초기에 높은 전류를 흘려 충전하는 모습을 볼 수 있다. 이후에 설정된 전압 값에 도달하면 전류를 낮추어 충전하며 다음 설정된 전압 값에 도달하면 CV로 전환하여 배터리를 충전한다. 이는 초기에 높은 전류를 사용하기 때문에 배터리 충전 시간을 단축할 수 있다.

2.4 PC 기법

펄스 충전(pulse charging) 기법은 배터리에 연속적인 전류를 흐르게 하여 충전하는 기법이 아닌 펄스 형태의 전류를 흐르게 하여 배터리를 충전하는 기법이다.

그림 4는 PC 기법 사용시의 배터리의 전압과 전류를 보여준다. PC 기법은 배터리 초기 때부터 전류를 펄스 형태로 배터리를 충전하는 방식으로써 설정된 전압 값까지 전압이 도달할 때까지 PC를 지속적으로 수행한다. 일부의 연구에 따르면 사이클 수명 개선 및 리튬 이온 배터리의 충전 시간을 단축할 수 있다는 장점이 있다.

3.1 배터리 충전 알고리즘의 모의실험을 위한 조건

본 논문에서는 현재까지 주로 제시되었던 다양한 배터리 충전 알고리즘을 기반으로 모의실험을 수행하고 이에 대한 결과 특성을 비교·분석한다. 모의실험을 위하여 PSIM을 사용하였으며 여기에 사용된 배터리의 모델은 PSIM버전에서 제시된 AL34570을 사용하였다.

배터리 모델 AL34570에 사용될 파라미터는 다음과 같이 설정하여 모의실험을 진행하였다.

표 1은 모의실험을 위해 설정한 배터리 모델 AL34570의 파라미터를 나열한 모습이다. 여기서 $V_{N}$은 공칭전압으로써 방전 곡선에서 보이는 그래프를 통하거나 배터리의 데이터시트를 이용하여 설정될 수 있다. $C_{T}$는 정격용량으로써 배터리가 완충을 한 후에 방전 종지 전압($V_{Co}$)에 도달할 때까지 방전할 때의 용량을 나타내며 AL34570의 경우 5.4[Ah]의 용량을 갖는다. 이는 최대 충전 전압으로써 배터리가 완충되었을 때 나타나는 전압으로써 4.2[V]를 갖는다. $V_{MC}$는 충․방전 률을 의미하는데 다음과 같은 수식에 의하여 C에 대한 값을 식(1)과 같이 결정할 수 있다.

식(1)에 따라 1C에 해당하는 충전 전류($I_{C}$)는 5.4[Ah]로써 5.4[A]라고 계산할 수 있다. 즉 AL34570 배터리모델의 경우에 해당한다. 이에 따라 최대 충전 전류($I_{M}$)은 1C로써 5.4[A]로 해석될 수 있다. 또한 비교·분석을 보다 정확하고 수월하게 진행하기 위하여 다음과 같은 동일한 조건을 통해 모의실험을 진행하였다.

표 2는 모의실험을 위한 동일 설정표를 보여준다. 측정 시간을 7[h]이며 배터리의 특성상 완충시점을 SOC가 96.89[%]에 도달하는 시점으로 설정하였다. 데이터시트에 의해 C-rate의 최대값이 1C이며 권장 C-rate가 0.2임에 따라 기본 C-rate를 0.2로 설정하여 약 1.1[A]가 충전 전류가 되도록 실험을 진행하였다.

그림 5는 CC-CV 사용 시 배터리의 충전 전압과 전류에 대한 모의실험 결과를 보여준다. 배터리 충전 초기부터 0.2C로 충전함에 따라 약 1.1[A]의 전류로 충전되고 있음을 볼 수 있다. 지속적인 정전류로 진행한 후 전압이 4.2[V]에 도달하여 CV로 변경되는 시점은 4.728[h]로 나타났다. 이후에 4.2[V]의 정전압으로 배터리를 충전하였으며 SOC가 96.89[%]에 도달하는 시간은 6.024[h]로 나타났다.

그림 6은 MCC-CV 사용시 배터리의 충전 전압과 전류의 모의실험 결과를 보여준다. 배터리 충전 초기부터 0.2C로 충전함에 따라 약 1.1[A]의 전류로 충전되고 있음을 볼 수 있다. 지속적인 정전류로 진행한 후 전압이 4.2[V]에 도달하여 CC2로 변경되는 시점은 CC-CV와 동일하게 4.728[h]로 나타났으며 이후에 CC3로 넘어가는 시점은 4.751[h]으로 측정되었다. CV로 변경되는 시점은 4.79[h]로 측정되었으며 이후에 4.2[V]의 정전압으로 배터리를 정상적으로 충전하였으며 SOC가 96.89[%]에 도달하는 시간은 6.04[h]로 나타났다.

그림 7은 BC 사용 시 배터리의 충전 전압과 전류의 모의실험 결과를 보여준다. 배터리 충전 초기에 최대 C-rate인 1C로 충전함에 따라 5.4[A]가 배터리에 흐르게 된다. 이후에 4.2[V]에 도달한 시점은 0.457[h]로 나타났으며 0.2C인 1.1[A]로 변경되어 배터리를 정상적으로 충전되고 있는 모습을 볼 수 있다. 다음으로 CV로 변경되는 시점은 2.95[h]로 나타났으며 SOC가 96.89[%]에 도달하는 시간은 4.234[h]로 나타났다.

그림 8은 PC 사용시 배터리의 충전 전압 및 전류의 모의실험 결과를 보여준다. 여기서 펄스의 비율은 0.5:0.5로써 스위칭이 On되는 시간과 Off 되는 시간을 동일하게 설정하였다. 이렇게 설정할 경우 배터리에 흐르는 평균 C-rate가 0.2C로 설정하기 위하여 스위치가 On일시의 C-rate를 0.4C로 설정하여 모의실험을 진행하였다.

배터리 충전 초기에 평균 C-rate인 0.2C로 충전함에 따라 평균 전류가 1.1[A]로 배터리에 흐르게 된다. 여기서 스위치가 off일 때 전압이 4.2[V]에 도달한 시점은 4.928[h]로 나타났으며 CV로 변경되어 나머지 용량을 충전하는 모습을 볼 수 있다. 여기서 SOC가 96.89[%]에 도달하는 시간은 5.481[h]로 나타났다.

표 3은 위와 같은 다양한 충전기법의 모의실험 결과를 비교한 표를 보여준다. 최대 C-rate를 살펴보았을 때 CC-CV는 0.2C, MCC-CV는 0.2C, BC는 1C, PC는 0.4C로써 BC 기법을 사용하였을 때의 C-rate가 높게 사용되었음을 할 수 있다.

또한 CV모드에 도달하는 시간을 각각 살펴보면 CC-CV는 4.728[h], MCC-CV는 4.79[h], BC는 2.95[h], PC는 4.928[h]로써 BC 기법을 사용하였을 때 가장 빠르게 CV모드에 도달하는 모습을 볼 수 있다. 가장 느리게 CV모드에 도달하는 기법은 MCC-CV 기법으로 측정되었다.

그리고 완충시간을 다시 살펴보면 CC-CV는 6.024[h], MCC-CV는 6.04[h], BC는 4.234[h], PC는 5.481[h]로써 BC 기법을 사용하였을 때 가장 빠르게 배터리를 충전하는 모습을 볼 수 있다. 가장 느리게 배터리를 충전하는 기법은 MCC-CV 기법으로 나타났다.

이러한 결과는 C-rate를 높게 설정하여 진행한 알고리즘들이 대부분 배터리를 빠르게 충전한다는 결과를 알 수 있다.