1. 서 론

탄소중립(Net-zero greenhouse gas), 재생에너지3020, RE100 (Renewable Electricity 100%)과 같은 정책들로 재생에너지 발전 비중이 증가하면서^[1], 재생에너지 발전의 문제점인 간헐성을 보완해주는 ESS(Energy Storage System)의 중요성이 커지고 있다^[2-3]. ESS는 여러 셀을 하나로 묶은 모듈, 여러 모듈을 조합한 Rack으로 구성되며, 주로 컨테이너에 보관한다. 개별 셀들은 충·방전이 반복되면서 SOC(State Of Charge)의 오차가 커져 셀 간 불균형이 발생할 수 있다. 불균형은 셀의 수명 및 총 용량을 감소시켜 효율이 저하되므로^[4-5], ESS에서 배터리 간 용량을 일정하게 유지해주는 셀 밸런싱 기술이 중요하다.

재생에너지 발전 비중 증가와 같은 이유로 전기자동차 비중 또한 증가하고 있다. 세계적으로 규제를 통해 신규 내연기관차 판매금지를 준비하는 추세로, 전기자동차 비중은 더욱 증가할 전망이다. 이에 따라 전기자동차 폐배터리 재활용의 중요성이 커지고 있으며, 재활용을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다^[6]. 그중 폐배터리를 활용해 ESS를 만드는 기술이 주요 방법으로, 전기자동차는 배터리 총 용량이 80% ~ 70%로 감소하면 폐배터리로 폐기되지만, ESS에서는 사용할 수 있어 폐배터리 재활용이 가능하다^[7-8]. 폐배터리 재활용 ESS의 경우 다양한 환경에서 사용되던 셀들을 조합하기 때문에 일반적인 ESS보다 셀 간 SOC 오차가 클 것이다. 따라서 셀 밸런싱 기술이 더욱 중요해질 것이다.

재생에너지 발전 비중 증가와 전기자동차 비중 증가로 인한 폐배터리 재활용 문제로 점차 고효율, 고속의 셀 밸런싱이 요구되겠지만, 기존 셀 밸런싱들은 고유의 문제점이 있어 적합하지 않다. 그림 1과 같이 기존 셀 밸런싱은 크게 Passive 방식과 Active 방식으로 나뉜다. Passive 방식은 상대적으로 전압이 높은 셀에 저항을 연결해 에너지를 소모하는 방식으로, 저렴한 가격, 간단한 회로 구성의 장점이 있어 주로 사용되고 있지만, 에너지를 버리기 때문에 효율이 낮고, 열이 발생해 화재에 취약하다. Active 방식은 상대적으로 전압이 높은 셀에서 인덕터나 커패시터를 통해 인접 셀로 에너지를 전달하는 방식으로, Passive 방식보다 효율이 높지만, 제어가 복잡하여 인접 셀끼리 만 밸런싱이 가능해 밸런싱 속도가 느린 단점이 있다^[4]. 따라서 기존 셀 밸런싱들의 문제점을 보완한 고효율, 고속의 새로운 셀 밸런싱이 필요하다.

본 논문에서 제안하는 새로운 셀 밸런싱은 그림 2와 같은 Near-Field Coupling을 접목한 방식이다. 하나의 송신기(Hub)에서 다수의 수신기로 에너지를 전달하는 구조로, 자기 공진 방식의 공진주파수를 사용해 구현한다. 수신기들은 송신기와의 거리 및 위치가 전부 달라 상호 인덕턴스 또한 다르게 되므로, 고유의 임피던스를 가진다. 송신기에서 커패시터를 가변해 임피던스를 변경하고 같은 임피던스로 설계된 수신기와 임피던스 매칭을 통해 에너지 전송이 가능해진다. 제안하는 방식은 Passive 방식보다 효율이 높고, Active 방식보다 속도가 빠르다. Passive 방식은 가장 낮은 용량의 셀을 기준으로 다른 셀들의 에너지를 소모해 하향 평준화가 되지만, 제안하는 방식은 가장 높은 용량의 셀을 기준으로 다른 셀들에 에너지를 전송해 상향 평준화가 되므로, Passive 방식보다 효율이 높다. Active 방식은 제어해야 할 스위치가 많고, 인접 셀끼리 만 에너지 전달이 가능해 밸런싱 속도가 느리지만, 제안하는 방식은 송신기(Hub)의 커패시터만 가변해 밸런싱을 진행하므로 Active 방식보다 속도가 빠르다.

제안하는 방식의 Near-Field Coupling을 구현하기 위해서는 송·수신기 코일 모델링이 필요하다. 코일 패턴은 사각형, 원형, 육각형 등 여러 패턴이 가능하고, 그림 3과 같은 패턴의 내부 지름, 외부 지름, Port 거리, 패턴 간격, 코일 두께 같은 변수를 셀 환경에 적합하게 설계해야 한다.

그림 1. 기존 셀 밸런싱 방식

Fig. 1. Conventional cell balancing method

그림 2. 제안하는 near-field 셀 밸런싱

Fig. 2. Proposed near-field cell balancing method

그림 3. 코일 모델링에 필요한 변수

Fig. 3. Variable required for coil modeling

2. 송·수신기 코일 모델링

코일은 패턴이나 내부 지름, 외부 지름, Port 거리, 패턴 간격, 코일 두께 같은 모델링 변수 중 하나의 조건만 달라져도 인덕턴스가 변한다^[9-11]. 수신기 코일은 ESS 각 셀에 연결되어야 하므로, 외부 지름이 제한돼 인덕턴스도 제한되고, 송신기 코일은 가변 가능한 커패시터 범위에서 인덕턴스가 제한된 수신기 코일과 공진주파수 및 임피던스 매칭을 고려해 설계해야 한다. LC 회로 구성은 SS(Series-Series), SP(Series-Parallel), PS(Parallel- Series), PP(Parallel-Parallel) 네 가지 회로가 가능하며, 직·병렬에 따라 인덕턴스가 달라지므로, 송·수신기 코일들을 직렬회로 코일과 병렬회로 코일로 나눠 설계해야 한다.

2.1 코일 패턴

코일 패턴은 사각형, 원형, 육각형을 비교하였으며, Db(5mm, 10mm, 15mm) 결과도 비교하였다. 그림 4와 같이 코일들을 PCB로 제작해 Network Analyzer를 사용해 측정하였고, 그림 5와 같은 결과가 나왔다. 사용하는 주파수 13.56MHz에서 패턴 모양에 따른 차이와 패턴과 측정 Port 간 거리에 따른 차이가 근소하다. 따라서 코일 패턴은 디자인이 간편한 사각형으로 연구를 진행하였다.

그림 4. 코일 패턴 및 Port 거리별 PCB 제작

Fig. 4. PCB manufacturing according to coil pattern and port distance change

그림 5. 코일 패턴 및 Port 거리별 측정결과

Fig. 5. Measurement result according to coil pattern and port distance change

2.2 De-embedding

Network Analyzer는 정확한 측정을 위해 Calibration으로 에러 성분을 제거한다. PCB 측정 전 상용 Cal-Kit을 사용해 SOLT(Short, Open, Load, Through) Calibration을 진행했지만, 커넥터의 Phase delay는 추가적인 교정이 필요하다. De-embedding을 통해 Phase delay와 같이 Calibration에서 제거하지 못한 성분을 교정할 수 있다. Calibration은 SOLT, TRL(Through, Reflect, Line) 등 정형화된 방식들이 있지만, De-embedding은 정형화된 방식이 없어 연구 환경에 맞게 진행해야 한다. 본 연구에서는 그림 6과 같이 Port에서 임의로 회로를 끊어 Open 상태를 만든 후 그림 7(a), (b)와 같이 T-Line 사용 전·후를 비교하였다. (c) 스미스 차트에서 Open 상태는 오른쪽 중앙에 점이 찍히기 때문에 T-Line의 Electrical Length를 조절해 측정결과가 Open 상태가 되는 –19.4°를 찾았다.

그림 6. 코일 Open 상태

Fig. 6. Coil open state

그림 7. 코일 모델링에 필요한 변수

Fig. 7. De-embedding using T-Line

2.3 Schematic & 3D EM 시뮬레이션

송·수신기 코일들을 모델링 하기 위해서는 모델링한 코일과 실제 제작한 코일의 인덕턴스가 유사해야 한다. 그림 3의 조건들로 인덕턴스를 계산하는 다양한 공식들이 있지만^[13-14], 본 논문에서는 제작한 코일 측정결과와 3D EM 시뮬레이션을 비교해 모델링의 타당성을 확인하고, Schematic과 비교해 인덕턴스를 유추한다. 그림 8은 사각형 코일 측정결과와 Schematic 600nH, 사각형 코일을 똑같이 모델링한 3D EM 시뮬레이션 비교 결과로 사용하는 주파수 13.56MHz에서 조금의 오차가 있지만, 무시해도 될 정도의 오차라고 판단된다. 따라서 3D EM 시뮬레이션으로 코일 모델링이 가능하고, Schematic을 통해 모델링한 코일의 인덕턴스를 유추할 수 있다.

그림 8. 코일 측정결과, Schematic, 3D EM 시뮬레이션 비교 결과

Fig. 8. Coil measurement result, schematic and 3D EM simulation comparison

2.4 수신기 코일 모델링

수신기 코일은 각 셀에 연결되어야 하므로 외부 지름을 약 20mm로 제한하고 설계하였다. 그림 9는 3D EM 시뮬레이션으로 설계한 직·병렬 수신기 코일과 Schematic을 비교한 결과로 직렬 수신기 코일은 220nH, 병렬 수신기 코일은 130nH로 유추된다.

그림 9. 3D EM 시뮬레이션 및 schematic을 사용한 수신기 코일 모델링(mm)

Fig. 9. Receiver modeling using 3D EM simulation and schematic(mm)

2.5 송신기 코일 모델링

송신기 코일은 수신기 코일 크기에 비례하며, 이후 실험에서 수신기 3개에 대한 셀 밸런싱을 진행하기 위해 설계하였다. 그림 10은 3D EM 시뮬레이션으로 설계한 직·병렬 송신기 코일과 Schematic을 비교한 결과로 직렬 송신기 코일은 2600nH, 병렬 송신기 코일은 1100nH로 유추된다.

그림 10. 3D EM 시뮬레이션 및 schematic을 사용한 송신기 코일 모델링(mm)

Fig. 10. Transmitter modeling using 3D EM simulation and schematic(mm)

3. Near-Field Coupling 셀 밸런싱

모델링한 송수신기 코일을 사용해 그림 11(a)와 같이 Near-Field Coupling 셀 밸런싱을 구현했다. Near-Field는 Function Generator를 사용해 13.56MHz 20Vpp 전력을 공급하고, 전원은 Arduino 5V를 사용했다. 그림 11(b)는 실험 결과로 검은색 그래프는 1V, 파란색과 빨간색 그래프는 0.5V 배터리를 사용했다. 검은색 그래프와 빨간색 그래프는 Near-Field를 사용하지 않고 전원을 사용해 충전한 결과이고, 파란색 그래프는 Near-Field를 사용해 추가로 충전할 결과이다. 두 배터리 전압의 차이가 1% 이하일 때 밸런싱 됐다고 정의하면, 검은색과 빨간색은 밸런싱 되는데 약 248분이 소요되고, 검은색과 파란색은 약 121분이 소요됐다. 따라서 제안하는 밸런싱 방식은 일반적인 충전보다 약 2배 빠른 충전이 가능하다.

그림 11. Near-field coupling 셀 밸런싱 실험 과정 및 측정결과

Fig. 11. Near-field coupling cell balancing experiment setup and measurement result

5. Conclusion

본 논문에서는 재생에너지와 전기자동차 비중 증가로 인한 셀 밸런싱의 중요성 증가에 따라 Near-Field Coupling을 접목한 새로운 셀 밸런싱 방식을 제안했다. 제안하는 방식의 Near-Field Coupling을 구현하기 위해서는 송·수신기 코일 모델링이 필요하다. 모델링을 위해 코일 패턴별 측정결과와 측정과 Schematic, 3D EM 시뮬레이션 비교 결과를 분석하였다. 코일 패턴은 사각형, 원형, 육각형을 비교해 조금의 오차가 있고, 제작한 코일 측정결과와 Schematic, 3D EM 시뮬레이션 비교 결과도 조금의 오차가 있지만, 무시해도 될 정도의 오차라고 판단했다. Schematic은 하나의 인덕터를 사용하였고, 3D EM 시뮬레이션은 제작한 코일과 똑같이 설계해 비교하였다. 따라서 송·수신기 코일 모델링을 진행할 때 직접 제작하지 않아도 3D EM 시뮬레이션을 사용해 코일을 모델링하고, Schematic을 통해 모델링한 코일의 인덕턴스 유추가 가능하다. 모델링한 송·수신기 코일로 Near-Field Coupling 셀 밸런싱을 구현해 일반적인 충전보다 약 2배 빠른 충전이 가능한 것을 확인했다.