3. 전기추진 인버터용 BMS
3.3 실험 및 고찰
3.3.2 인버터 출력전류 일정제어
하였으며, 3레벨 인버터에 사용되었던 배터리들의 내부저항 값은 0.1181Ω이 증가하였음을 확인 할 수 있다. 이를 비율로 나타내면 2레 벨 인버터의 경우 배터리의 내부저항이 33.8% 증가하였고, 3레벨은 25.0% 증가하였다. 이를 통해 입력 파형 특성상 고조파가 낮았던 3레 벨 인버터를 사용했을 때 배터리의 수명이 더 천천히 감소함을 알 수 있다.
이 실험 결과의 파형은 Fig. 25과 같이 나타난다. 인버터 일정출력 제 어 시스템의 적용 여부에 따른 출력 변화를 확인하는 실험 파형이다.
Fig. 25에서 위에 나타나는 파란색 파형이 배터리 전체 전압을 나타내 며, 아래의 빨간색 파형은 전류센서를 통해 측정한 인버터의 출력 전 류 파형이다. 이 때 사용한 전류 프로브의 배율은 10.0mV/A 이다. 배 터리 셀의 문제 발생으로 인한 전체 전압 급감은 스위칭 제어를 통해 구현하였으며, 급감하기 전 배터리의 전압은 20V이고 급감 후 배터리 의 전압은 16.5V이다. 여기서 (a)그림은 인버터 일정출력 제어 시스템 이 적용되지 않은 경우의 파형이다. 인버터에 인가되는 전압인 배터리 전체 전압이 감소하자 인버터 출력 전류 값 또한 감소됨을 확인 할 수 있다.
voltage 5.00V/div current 1.00A/div time 500ms/div
Fig. 25 Measured waveform without constant output control system 이 파형을 Time division을 낮추어 측정해 보면 Fig. 26에 나타나는 것 과 같은 파형을 얻을 수 있는데, 이를 통해 보면 전압이 2ms에 걸쳐
감소하는데 그에 맞춰서 인버터 출력 전류 파형 또한 감소하는 것을 확인할 수 있다. 배터리의 전압처럼 인버터의 출력도 급격히 감소하는 데, 만약 선박에서 장치를 구동하는 도중 이처럼 급격한 변화가 발생 한다면 장치에 손상이 올 가능성이 높다.
voltage 5.00V/div current 1.00A/div time 10.0ms/div
Fig. 26 Expanded waveform without constant output control system
반면, Fig. 27의 파형은 인버터 일정출력 제어 시스템을 적용하여 측 정한 파형이다. Fig. 25과 비교해보면 배터리 전압이 급감하는데도 인 버터 출력 전류 파형에 변화가 없음을 확인 할 수 있다.
voltage 5.00V/div current 1.00A/div time 500ms/div
Fig. 27 Measured waveform with constant output control system 확대한 파형인 Fig. 28은 10ms/div의 time division으로 측정한 사진으 로, 이를 보면 전압이 급감하는데 2ms의 시간이 걸리는 것을 확인할 수 있다. 이 제어 시스템은 배터리의 전압을 약 46us마다 측정하여 그 에 따른 Duty ratio 계산을 실시하는데, 스위치 제어를 통해 배터리의 전압이 2ms에 걸쳐 변화하는 동안 그 변화에 맞추어 Duty ratio를 제 어함으로써 매우 빠른 대응을 통해 인버터의 전류 출력을 일정하게 제 어하고 있음을 확인할 수 있다.
voltage 5.00V/div current 1.00A/div time 10.0ms/div
Fig. 28 Expanded waveform with constant output control system
제 4 장 결론
이 논문은 현재 전기추진 선박 시장에서 사용에 대한 기대가 증가하 고 있는 리튬이온 배터리를 전기추진 선박의 인버터용 BMS를 사용하 여 전압, 전류, SOH 등을 추정하고 이를 직렬통신을 통해 원격 감시가 가능하도록 구성하였으며, 측정된 값을 사용하여 일부 배터리의 고장 에도 인버터의 출력이 일정하도록 제어하는 시스템을 구현하였다. 그 리고 원격 모니터링 시스템에서는 인버터 시스템의 전압, 전류뿐만 아 니라 배터리 각 셀의 전압 및 수명 또한 측정, 표시하여 배터리 문제 로 발생할 수 있는 사고에 대해 미리 대처할 수 있게 하였다. 이러한 시스템을 설계하고, 실험한 결과 다음과 같은 결론을 확인 할 수 있었 다.
1. 전기추진 인버터 구동용 배터리 전원을 대상으로 일정시간 동안 부 하를 구동하는 중에 SWS 및 SWP를 이용한 스위칭 제어를 통하여 OCV 값을 측정할 수 있었고, 이 값과 배터리의 전류()를 사용하여 내부저항()배터리 내부 저항을 계산해서 배터리의 수명(SOH)을 추정 할 수 있었다. 또한, 배터리 셀 중 일부가 고장 났을 때 SWS, SWP 스 위칭을 통해 고장난 셀을 제외하고 배터리를 연결하여 단락을 막을 수 있었다.
2. 배터리의 셀 중 일부에 문제가 생겨 배터리 전체의 전압이 급감할 때 인버터의 출력이 일정하게 유지되도록 제어하는 시스템을 구현하였 다. 그리고 이 시스템이 적용된 경우 배터리의 전압이 단기간(2ms)에 감소 할 때도 46us마다 측정된 전압에 맞게 인버터의 Duty ratio를 변 경하여 출력 전류가 일정하게 유지되는 것을 관찰하면서 시스템을 적 용시키지 않은 경우와 비교해 배터리 전압의 급감으로 인한 사고에 대 한 대책으로써 사용될 수 있음을 확인하였다.
3. 2레벨 인버터와 3레벨 인버터의 전류 특성 및 고조파를 확인하여 이러한 요소가 배터리를 전원으로 하여 장기간 사용했을 경우 배터리 에 어떤 영향을 미치는지를 실험한 결과, 고조파가 30.1%인 2레벨 인 버터 전원으로 사용한 경우 내부저항이 33.8% 증가하였고, 고조파가 18.5%인 3레벨 인버터 전원으로 사용한 경우 내부저항은 25.0% 증가하 였다. 이를 통해 고조파 수치가 낮은 3레벨 인버터를 사용할 때 배터 리를 더 오랫동안 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
4. BMS용 모니터링 화면을 구성하여 실시간 관찰이 용이하게 함으로 써 측정된 내부저항()의 확인을 통한 SOH의 추정으로 배터리 교체시 기를 사전에 알려주어 시스템의 안전사고에 대비가 가능하였다. 또한 배터리 셀에 문제가 발생했을 경우 경고등을 켜서 배터리에 대해 조치 를 취할 수 있도록 하였다.
이 논문을 제작하면서 장기간에 걸친 실험을 실시한 경우가 많았는 데, 여러 가지 환경적 요인에 의해 정확한 값을 얻는데 실패할 때도
많았다. 특히 스위칭 소자의 온도가 올라가게 되면 인버터의 입력 및 출력에 노이즈가 발생하게 되는데, 스위칭 소자의 온도는 환기 상태, 냉각판의 사용 여부 등 다양한 요소에 의해 영향을 받기 때문에 보다 정확한 값을 필요로 하는 실험을 할 때에는 스위칭 소자의 온도를 일 정하게 유지하는 방안에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
그리고 리튬이온 배터리의 경우 열화 되면 내부에 가스가 생겨 폭발 할 위험성이 있다. 실제로 충·방전 실험을 다수 반복한 경우 리튬이 온 배터리가 부풀어 오른 것을 확인 할 수 있었는데 이러한 가스가 폭 발하게 되면 큰 사고로 이어질 수 있다. 이를 막기 위해 리튬 폴리머 배터리 등 다양한 연구가 이루어지고 있으나 온도 변화에 대한 내구 성, 무게, 용이성 등을 고려할 때 전기추진 선박용 배터리로써 리튬이 온 배터리가 가지는 장점이 아직은 더 크다고 볼 수 있다. 앞으로 이 러한 장점을 가지면서도 폭발에 대한 안전성을 보유할 수 있는 배터리 에 대한 연구가 진행되어야 한다.
참고문헌
[1] 노길태, 2015, 선박용 연료전지 기술개발 현황, 충남미래연구포럼(6 차)
[2] 중소기업 기술로드맵 2015-2017, 2014, 중소기업청, 627
[3] 김종수, 김성환, 2011.3, 전기추진선박의 토크 및 속도변화에 따른 전력변환장치의 고조파 분석, 海洋環境安全學會誌 第17卷 第1號, 83-88 [4] 심상보, 이춘하, 김시국, 2016.4, 고온 및 단락전류에 따른 리튬배터 리의 폭발 및 화재 위험성에 관한 연구, 한국화재소방학회 논문지, 114-122
[5] 서철식, 문종현, 박재욱, 김금수, 김동희, 2008.5, 배터리관리시스템 (BMS)을 이용한 배터리 잔존수명(SOH) 추정 알고리즘에 관한 연구, 한 국조명·전기설비학회 2008 춘계학술대회 논문집, 317-320
[6] Jatinkumar Rana, Marian Stan, Richard Kloepsch, Jie Li, Gerhard Schumacher, Edmund Welter, Ivo Zizak, John Banhart, Martin winter, 2013, Structural Changes in Li2MnO3 Cathode Material for Li-Ion Batteries, Advanced Energy Materials
[7] 조우람, 나병기, 2014.12, Ru를 첨가한 음극활물질 Li₄Ti5O12의 전 기화학적 특성, 청정기술 제20권 제4호, 433-438
[8] Randles, J. E. B. (1947). "Kinetics of rapid electrode reactions".
Discussions of the Faraday Society. 1: 11. doi:10.1039/df9470100011.
ISSN 0366-9033
[9] 송정용, 서유진, 권오상, 정관철, 허창수, 2004.6, Battery SOC(State of Charge)측정을 통한 태양광발전 시스템 운영 방안 연구, 한국태양 에너지학회 논문집 제24권 제2호, 1-7
[10] 최정렬, 이성근, 2016, 하이브리드 선박 직류전원용 고 안전 BMS, 한국마린엔지니어링학회지, 40(7), 635-641
[11] 박정호, 차왕철, 조욱래, 김재철, 2014.11, 전류적산법과 OCV 방법 을 결합한 Li-Ion 배터리의 충전상태 추정, 조명·전기설비학회논문지 제28권 제11호, 77-83
[12] 황락훈, 나승권, 최성식, 2012, 유도전동기의 전압·전류 모델 합 성 자속 추정기에 의한 속도제어에 관한 연구, 한국산학기술학회논문 지 제13권 제11호, 5416-5426
[13] D. Casadei , 2002 , FOC and DTC: Tox viable schemes for induction motors torque control , IEEE Trans. Power Electronics. On PE 17 (5) : 35 ~ 42
[14] 경제문, 김훈모, 2000.10, 퍼지 알고리즘을 이용한 유도전동기 간 접벡터제어기의 설계와 엘리베이터 속도제어 시스템의 응용, 韓國精密 工學會 2000年度 秋季學術大會 論文集, 110-113
[15] 권민호, 김주하, 최세완, 2014, 양방향 3레벨 인버터를 위한 반송 파 기반 PWM 방식의 중성점 제어 기법, 전력전자학회 2014년도 하계 학술대회 논문집, 211-212
감사의 글
석사 학위과정을 마무리하기 까지 많은 도움을 주신 분들께 진심으로 감사의 마음을 전하고자 합니다.
2009년 전기전자공학부에 입학하고, 학사 졸업 후 대학원생활을 거치 면서 현재에 이르기까지, 지금에 와서 돌이켜보면 정말 많은 분들이 저에게 도움을 주셨고 모든 일들이 저를 성장시키는 경험이 되었습니 다. 처음에는 전공에 대한 관심으로 실험실에 들어와 기본적인 지식들 을 익히면서 교수님과 선배들의 도움으로 실력을 쌓기 시작했습니다.
그리고 제가 하고 싶은 연구와 공부를 진행하면서 제가 방향을 잘못 잡고 있거나 실수를 할 때면 언제나 도움을 받아 왔습니다. 그렇게 하 면서 무언가를 하나하나 완성해 나가고, 또 프로젝트를 성공시켜 가면 서 뿌듯함을 느끼고, 동시에 제가 성장해 나가고 있다는 것을 느꼈습 니다. 그렇게 대학원을 진학해야겠다는 결심을 하게 되었습니다.
대학원에 들어와서 저는 또 선배가 되어 저와 같이 기본적인 것을 배 우고 하고 싶은 연구와 공부를 하는 후배들을 가르쳐주면서 후배를 인 도하고 양성하는 것이 어떤 의미인지 조금이나마 느끼게 되었습니다.
그렇게 교수님과 선배들, 그리고 후배들 사이에서 저의 역할을 충실히 해내면서 얻은 것은 비단 지식과 기술만이 아니었습니다. 제가 석사