18650 크기의 리튬 이온 배터리를 사용한 전기 자동차 (EV: Electric Vehicle) 용 배터리 팩 시스템이 개발되었다.
1. 배경
환경 에너지 분야에서 전력 시스템은 EV 등의 동력용에서 가정용 축전 등으로 대표되는 용도까지 폭넓게 존재하고 그 결과 필요한 전압과 전기 용량도 다양하게 요구되고 있다. 이 시장은 향후 급성장할 것으로 예상되고 있어 고객의 요구에 부응하기 위해서는 성능 향상, 개발 속도는 물론 보급 확대를 위한 비용 절감이 매우 중요하다.
이러한 다양한 환경 에너지 분야에서 시장 요구에 대응하기 위해서는 다양한 사용 방법을 상정한 전원 시스템의 개발이 필요하다. 특히 EV 용에서는 전력 시스템 고장이 차량의 주행 성능에 직접 영향을 미칠 수 있기 때문에 차량 수명 (10 년 이상)과 동등한 내구성, -30 ℃ ~ 60 ℃의 가혹한 환경에서 전기적 특성 확보, 높은 전압 (300 V 이상) 시스템에 대한 안전성 및 배터리 이상 시 차량 주행성이 필요한 개발 검증 항목이 된다.
2. 전지 모듈의 특징
2.1 전지 모듈의 개요 환경 에너지 분야의 다양한 전원 시스템에 대응하기 위해 다음과 같은 특징을 가진 전지 모듈이 개발되어 왔다. ① 노트북 전용 등의 민생 기기 분야에서 축적된 양산 실적, 고품질, 저가인 18650 크기 (직경 : 18 mm, 높이 : 65 mm)의 리튬 이온 배터리의 채용 ② 장기 내구성과 높은 에너지 밀도르 가진 니켈계 양극 재료를 사용하고, EV 용도로 약 20 % 출력 특성의 향상과 저온 성능을 개선한 셀 ③ 장수명화에 기여하는 열 관리 설계 ④ EV에서 축전 시스템 백업 등에 이르기까지 다양한 전압과 전기 용량에 대응할 수 있는 기본 단위가 되는 모듈 개발
용량 / 전압의 최소 단위를 50 Ah / 25 V로 설정하고, 전지 모듈의 구성은 2.9 Ah의 18650 사이즈의 리튬 이온 배터리를 20 셀 병렬 구성 (이하 전지 블록 ), 7 개의 건전지 블록을 직렬로 연결하고 있다. 또한 전지 모듈에는 배터리 전압 및 배터리 온도를 측정하는 ECU가 내장되어있어 모든 배터리 차단 전압과 온도를 측정하는 것이 가능하다. 또한 EV 용도에서는 항속 거리에 따라 본 전지 모듈은 직렬 및 병렬로 연결된 배터리 팩 시스템이 구성된다.
2.2 전지 모듈의 신뢰성 설계 상용에 비해 EV에서는 전력 시스템 고장 차량 주행성에 직접 영향을 미칠 수 있기 때문에 개발한 전지 모듈 및 배터리 팩 시스템은 다음과 같은 설계가 필요하다.
-수명 향상에 기여하는 균열화 구조와 냉각 등의 열 관리 기능 -ECU 차량 노이즈 내성 향상 -고전압 (300 V 이상)에 대한 절연 성능 확보 -배터리 문제 발생시 차량 비상 정지 방지
특히 EV는 배터리에 이상이 발생하여 전력 공급이 중단되면 즉시 차량이 중지되어 추돌의 위험이 있다. 개발된 배터리 팩 시스템은 결함 발생 시에도 전력 공급이 지속 가능하고 안전 지역으로 대피 등을 할 수 있다. 특히, 위 에서 언급한 바와 같이이 전지 모듈은 리튬 이온 배터리를 20 셀을 병렬 구성함으로써, 차량의 전력 공급을 분산시키고 있어 셀 고장 시에 그 결함 셀만 전력 공급 경로에서 분리되는 기능을 가지고 있다. 따라서 만일 셀 고장 발생 시에도 배터리 용량이 19 / 20 (95 %)로 감소하는 것만으로 전원 공급이 지속 가능하고, 차량 주행 시 비상 정지되는 것을 방지할 수 있다.
3. EV 용 배터리 팩 시스템
3.1 배터리 팩 시스템에 필요한 기능
EV 용 배터리 팩 시스템은 전지 모듈을 다 직렬로 연결하고, 배터리 상태를 확인하고 차량 ECU와 통신하기 위한 ECU가 필요하다. 이 ECU에 필요한 기능은 다음과 같다.
-전지 모듈의 온도, 배터리 차단 전압 측정 -배터리 용량 SOC (State Of Charge)의 산출 -배터리 열화 상태 SOH (State Of Health)의 산출 -배터리의 허용 출력 전력 계산 -배터리 이상, ECU 이상 탐지
특히 EV는 PC 등의 가전과 비교하여 방전 시 소비 전력의 변동이 매우 크고, 또한 차량 주행에서 감속 시 모터에서 전지에 회생 충전이 가능하다. 따라서 이 같은 극단적인 방전에 의한 전지 열화 방지를 위해 배터리 상태에 따라 허용 입출력 전력 전지 모듈을 충방전 제어하는 것이 필요하며, ECU에서 허용 입출력 전력 치를 배터리 용량 SOC 및 배터리 온도에서 산출하여 차량 측면 ECU에 전달하고 있다.
3.2 EV 용 배터리 팩 시스템의 구성 EV 용 배터리 팩 시스템은 일반적으로 총 전압이 350 V 정도로 구성되기 때문에 전지 모듈은 14 개 정도를 직렬로 연결한다. 전지 모듈은 2.1 절에서 언급했듯이 각 전지 블록 배터리 전압 및 배터리 온도를 계측하는 모듈 ECU가 내장되어 있으며, 각 모듈 ECU는 측정 데이터를 통합하기 위해 전지 팩 ECU에 연결된다. 배터리 팩 ECU는 차량 ECU와 연결된 각 모듈 ECU에서 측정한 데이터를 바탕으로 산출한 SOC, SOH 배터리 허용 입출력 전력을 차량 ECU에 전달하고 그 정보를 사용하여 차량 ECU는 전지 모듈 인버터 에 전원 공급 및 충전 제어를 한다. 이 모듈 ECU와 배터리 팩 ECU 간 및 차량 ECU와 배터리 팩 ECU 간의 통신은 자동차 탑재 기기에 요구되는 노이즈 저감이 뛰어난 CAN (Controller Area Network) 통신이 사용된다.
4. 향후의 동향과 전망 지구 환경과 에너지 자원 문제로 재충전 가능한 리튬 이온 배터리는 지속 가능한 에너지로 주목 받고 있으며 특히 EV 용도에의 전개는 에너지 자원의 다양 화로 환경 ? 에너지 문제에 크게 기여할 수 있다. 향후 EV 보급의 과제는 특히 항속 거리의 연장이며, 한정된 탑재 공간에서 에너지의 양을 확보하기 위해 전지 모듈의 고에너지 밀도 화나 차량에 탑재 향상에 의한 공간 절약이 요구된다. 앞으로는 배터리 팩 시스템 전체의 새로운 에너지 밀도의 향상과 전지 모듈의 수명을 위한 배터리 제어 기술의 도입으로 최적의 전력 시스템 개발이 필요하다.