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Cell Balancing to Improve Safety and Performance against Unbalanced Voltage between Secondary Battery Cells

2차전지 셀(Cell) 간의 불균형 전압 발생에 대한 안전성 및 성능향상을 위한 셀 밸런싱(Cell Balancing)

  • Yongho Yoon (Department of Electrical Engineering, Gwangju University)
  • 윤용호 (광주대학교 전기공학과)
  • Received : 2024.06.16
  • Accepted : 2024.08.09
  • Published : 2024.08.31
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Abstract

Energy Storage System(ESS) have been developed to store and efficiently utilize energy, transitioning from the traditional method of producing and consuming energy immediately via fossil fuels and generators. With the advancement of this technology, Battery Management System(BMS) that manage Li-ion batteries at the cell level play a crucial role in enhancing battery performance, lifespan, and safety. Among the BMS functions, cell balancing, which aligns the imbalanced voltages of cells, is essential for optimizing capacity in devices like ESS. It ensures all cells maintain the same voltage and capacity, improving performance and output stability. Therefore, this paper examines the operational characteristics of the cell balancing method within BMS when charging an imbalanced Li-ion battery.

기존의 화석연료와 발전기를 통하여 에너지를 생산하고 즉시 소모하던 방식에서 에너지를 저장하고 효율적으로 생산하고 이용하기 위한 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)가 개발되었다[1]. 이러한 에너지저장장치에 현재까지 2차전지 리튬이온(Li-ion) 배터리를 가장 많이 사용하고 있다. 따라서 리튬이온 배터리의 성능, 수명, 안전성을 향상시키기 위하여 셀(Cell) 단위로 관리하는 BMS(Battery Management System)의 역할이 매우 중요하다[2]. 특히 BMS의 기능 중 셀 간의 불균형 전압을 균형적으로 맞추는 셀 밸런싱(Cell Balancing) 기법은 에너지저장장치에서 배터리의 최적화를 도모할 수 있다. 이러한 최적화를 통해 모든 셀이 동일한 전압과 용량을 유지하여 성능향상, 출력 안정성을 유지할 수 있다[3]. 따라서 본 논문에서는 셀 간의 불균형이 발생한 리튬이온 배터리를 충전할 때 BMS의 기능 중 하나인 셀 밸런싱 기법의 동작 특성에 대하여 살펴보고자 한다.

Keywords

Ⅰ. 서론

기존의 화석연료와 발전기를 통하여 에너지를 생산하고 즉시 소모하던 방식에서 에너지를 저장하고 효율적으로 생산하고 이용하기 위한 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)가 개발되었다[1]. 이러한 에너지저장장치에 현재까지 2차전지 리튬이온(Li-ion) 배터리를 가장 많이 사용하고 있다. 따라서 리튬이온 배터리의 성능, 수명, 안전성을 향상시키기 위하여 셀(Cell) 단위로 관리하는 BMS(Battery Management System)의 역할이 매우 중요하다[2].

특히 BMS의 기능 중 셀 간의 불균형 전압을 균형적으로 맞추는 셀 밸런싱(Cell Balancing) 기법은 에너지저장장치에서 배터리의 최적화를 도모할 수 있다. 이러한 최적화를 통해 모든 셀이 동일한 전압과 용량을 유지하여 성능향상, 출력 안정성을 유지할 수 있다[3]. 따라서 본 논문에서는 셀 간의 불균형이 발생한 리튬이온 배터리를 충전할 때 BMS의 기능 중 하나인 셀 밸런싱 기법의 동작 특성에 대하여 살펴보고자 한다.

II. 리튬이온(Li-ion) 배터리

1. 리튬이온(Li-ion) 배터리 사양[4]

시나리오(scenario)별 셀 밸런싱에 따른 리튬이온 배터리의 특성을 살펴보기 위하여 삼성 SDI의 INR 18650-29E 모델을 사용하였다. 표 1과 같이 각 셀당 3.0~4.2V의 전압범위와 2,850mAh의 용량을 가지고 있는 리튬이온 배터리 셀 16개를 직렬 연결하여 구성되었다. 표준 충ㆍ방전 시 1.375A의 전류를 정전류(CC, Constant Current)로 사용하며 최대 충ㆍ방전 시는 2.75A를 사용한다. 또한 충전 시 정전압(CV, Constant Voltage)에서는 최대 전압 범위인 67.2V를 유지하며 충전되고 방전 시 48V를 종지전압으로 가지는 특성이 있다.

표 1. 리튬이온(Li-ion) 배터리 사양

Table 1. Lithium-ion battery specifications

III. BMS 및 셀 밸런싱

1. 리튬이온(Li-ion) 배터리에 사용된 BMS 사양

2장에서 16개의 리튬이온 배터리 셀을 직렬 연결하여 시험용 배터리 팩을 구성하였다. 하지만 리튬이온 배터리는 과도한 충전, 방전, 온도 등의 상태에 의해 화재나 폭발의 위험이 있다. 따라서 배터리를 관리하는 BMS는 배터리의 안전성과 수명 및 성능향상을 높이는 데 필수적인 요소로 적용되고 있다.

그림 1은 시험용 리튬이온 배터리와 BMS, 충ㆍ방전기를 결선한 BMS 하드웨어 구성을 보여주고 있다. 충ㆍ방전기에서 나오는 (+)극은 시험품 리튬이온 배터리의 (+)극과 BMS에 결선되며 (-)극은 BMS만 결선되는 구조이다. 이러한 결선방식에 의해서 BMS 사양에서 차단에 해당되는 범위에 도달하면 충전과 방전을 중지시키고 이후 복귀시키는 역할을 한다. 또한 각각의 리튬이온 배터리 셀과 병렬회로로 연결된 BMS는 각 셀의 전압을 측정하고 이를 모니터링하여 셀 밸런싱 조건에 따라 스위치와 저항을 사용하여 각 셀의 전압값을 조절한다[5].

그림 1. BMS 하드웨어 구성

Fig. 1. BMS hardware circuit

2. BMS 소프트웨어

본 논문에서는 ANT BMS를 소프트웨어를 이용하여 시험품 리튬이온 배터리를 제어할 수 있도록 적용하였다. 적용한 소프트웨어는 그림 2(a)와 같이 현재 배터리의 전체 전압, 전류, 용량 등 기본적인 배터리의 현재 상태를 확인할 수 있다. 또한 BMS에서 설정한 경고에 해당하는 전압, 전류, 온도 시 Protect Info, Warning Info를 통하여 사전에 경고, 보호 이후 차단 및 복귀를 하게 된다.

그림 2. BMS 모니터링

Fig. 2. BMS monitoring

본 논문에서 사용된 시험용 리튬이온 배터리는 16개의 직렬 연결된 구조로 그림 2(b)와 같이 각 셀의 전압을 실시간 모니터링을 통하여 확인할 수 있다. 또한 소프트웨어에서는 BMS에서 경고 알람, 차단, 복귀 등을 설정할 수 있으며 해당하는 내용을 그림 3에서 보여주고 있다. 그림 3(a)는 전압, 전류, 온도, 밸런싱 등 설정 가능한 목록들을 보여주고 있다. 그림 3(b)는 셀 밸런싱과 관련된 설정 부분으로 전체 밸런싱 범위를 정하는 시작전압과 종료 전압을 설정할 수 있으며 또한 범위 안에 회로가 동작하고 중지하는 전압 차이를 설정할 수 있다.

그림 3. BMS 소프트웨어

Fig. 3. BMS Software

그림 3(c), 3(d)는 충ㆍ방전 시 전압, 전류에 따른 차단 및 복귀 범위를 설정할 수 있는데 본 논문에서는 표 2의 시험용 리튬이온 배터리에 사용된 BMS 사양과 동일하게 충전 시 4.2~4.25V의 범위에 속하게 되면 차단하고 4.1~ 4.2V의 범위를 거쳐 복귀하도록 하였다. 또한 방전 시 2.5~2.9V의 범위에 속하게 되면 차단하고 2.7~3.3V의 범위를 거쳐 복귀하도록 설정하였다.

표 2. 리튬이온(Li-ion) 배터리에 사용된 BMS 사양

Table 2. BMS specifications used in lithium-ion battery

IV. 리튬이온(Li-ion) 배터리의 샐 밸런싱 실험결과

셀 간의 전압 불평형에 따른 과방전, 과충전으로 화재, 폭발, 열폭주 등의 안전성 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 배터리 셀 단위의 전압을 유사한 범위로 맞추는 셀 밸런싱은 BMS의 필수적인 요소로 요구 되고 있다. 그림 4는 수동형(Passive) 셀 밸런싱 기법으로 주로 선박, 지하철, 전기자동차(EV) 등에서 회로가 단순하여 설계가 간편함, 낮은 비용, 적용 용이성 등의 이유로 사용된다[6].

그림 4. 수동형 셀 밸런싱 회로

Fig. 4. Passive cell balancing circuit

1. 셀 밸런싱 실험

본 논문에서 셀 밸런싱 실험을 하기 위하여 표 2에서 나타낸 BMS 사양과 그림 3(b)의 설정에서 시작전압을 3.8V, 종료전압을 4.25V로 설정하였다. 또한 3.8~4.25V의 전압 범위에서 셀 밸런싱 회로 동작, 셀 밸런싱 시작 전압 차이 0.01V 종료, 전압 차이 0.005V로 설정하였다.

그림 5는 배터리 충전을 위하여 사용된 배터리 전용 DC 전원공급장치인 EA-PSB 9360-40 3U의 소프트웨어 제어 프로그램을 보여주고 있다. 소프트웨어에서 제공하는 Simulator와 Logging data를 통하여 실험 결과를 확인할 수 있으며 표 1에 표기된 시험용 리튬이온 배터리의 표준, 충전 조건인 67.5V 1.375A의 조건으로 실험하였다[7,8].

그림 5. 배터리 전용 DC 전원공급장치 소프트웨어

Fig. 5. Battery-only DC power supply software

그림 6은 배터리 전용 DC 전원공급장치의 소프트웨어에서 제공하는 Simulator를 통한 실험결과를 보여주고 있다.

그림 6. 충전 진행에 따른 셀 밸런싱 실험결과

Fig. 6. Cell balancing test results according to charging progress

그림 6(a)는 시험품 리튬이온 배터리의 충전실험 결과로 표준 충전방식인 정전류(CC), 정전압(CV) 방식으로 진행하였다[9]. 초기 리튬이온 배터리 충전은 1.375A의 일정한 전류가 유지되면 배터리에 걸리는 전압이 자연스럽게 상승하는 방식으로 정전류 충전이 진행된다. 정전류 충전은 일정한 전류로 충전하므로 배터리 셀의 균형을 맞추기 쉽고 충전 초기에 전하를 빠르게 축적할 수 있는 장점이 있다.

이러한 정전류 충전으로 리튬이온 배터리의 전압이 상승 후 충전 전압에 도달하게 되면 정전압 충전으로 변환되게 된다. 정전압 충전의 충전 전압은 일반적으로 셀당 4.2V의 전압값으로 측정되며 본 논문에서도 67.2V(4.2V×16)의 조건으로 실험을 진행하였다. 67.2V의 전압을 일정하게 유지하면서 충전전류를 점진적으로 감소하여 과충전을 방지하며 안전한 전압 범위에서 리튬이온 배터리를 완전히 충전되도록 하는 단계로 배터리의 수명과 안전성을 향상하는 과정이다.

충ㆍ방전기에서 정전류(CC)/정전압(CV) 방식으로 충전을 진행 후 충전 종지전류인 0.2A에 도달 시 충전이 종료되었다. 그림 6(b)는 리튬이온 배터리가 충전이 종료된 후 셀 밸런싱이 되는 과정을 보여주는 그림이다. 충전 중에 55.7~67.2V 범위로 전압이 상승하였고 이후 충전이 종료된 후 셀 밸런싱에 의해 전압강하가 일어나 65.9V까지 감소한 결과를 보여주고 있다.

그림 7은 셀 밸런싱 실험 시 소프트웨어를 통하여 보여주는 리튬이온 배터리 충전 시 셀 단위로 측정되는 전압에 대해 모니터링된 결과를 보여주고 있다 그림 7(a)는 충전 시작 전 셀 간의 불평형이 될 수 있도록 전위차를 주어 실험을 하였다. 셀 밸런싱이 시작하는 전압인 3.8V 이하로 전압을 기준으로 하여 1~14번 셀의 전압은 3.5V 이하, 15~16번 셀의 전압은 3.6V 이상의 전압으로 충전하였다. 따라서 충전 중 셀 밸런싱 최대전압이 3.8V를 초과한 3.801V부터 시작된 것을 그림 7(b)에서 보여주고 있다. 이때 셀 밸런싱 회로가 동작한 셀은 초록색으로 표기가 되며 밸런싱 시작 전압 차이인 0.01V 이상인 경우엔 셀 밸런싱이 시작되고 있음을 보여주고 있다.

그림 7. 충전 진행에 따른 셀 밸런싱 모니터링

Fig. 7. Cell balancing monitoring according to charging progress

셀 밸런싱 회로가 동작하면서 충전이 진행되다 그림 7(c)와 같이 최대전압이 4.2V에 도달하는 시점인 그림 6(a)의 충전전류가 0.2A가 되는 시점에 도달하여 충전이 종료되었음을 확인할 수 있다. 충전이 종료되었으나 배터리의 전압 범위는 셀 밸런싱 동작 범위인 3.8~4.25V에 속하고 있어 그림 7(d)와 같이 1, 15, 16번 셀이 초록색으로 표기됨을 확인할 수 있다. 이후 셀 밸런싱이 계속 진행되다 그림 7(e)와 같이 최대값인 셀과 최소값인 셀간 전압차이가 0.005V가 된 시점에서 셀 밸런싱이 종료되고 셀 불균형화가 해소되는 결과를 확인할 수 있다.

V. 결론

본 논문에서는 셀 간 전압 불평형 시 이루어진 리튬이온 배터리를 충전할 때 BMS의 기능 중 셀 밸런싱 기법의 동작 특성에 대하여 살펴보았다. 초기 충전 시 셀 간 전압 차이가 크게 나타났으나 셀 밸런싱 과정이 진행됨에 따라 점진적으로 전압이 균일하게 맞춰졌다. 이러한 과정으로 인하여 지속적인 셀 간의 전압 불평형에 따른 과충전, 과방전으로 인한 손상 위험을 감소할 수 있으며 배터리 팩의 전체 성능과 안정성을 향상시킬 수 있다. 따라서 리튬이온 배터리에서 사용되는 셀 밸런싱 기법은 배터리의 전압 불평형 해소와 더불어 에너지저장장치의 안전성과 시스템의 성능향상을 위해 필수적인 요소로 볼 수 있다.

References

  1. X. Wu, J. Liu, Y. Men, B. Chen and X. Lu, "Optimal Energy Storage System and Smart Switch Placement in Dynamic Microgrids With Applications to Marine Energy Integration," IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol. 14, no. 2, pp. 1205~1216, 2023. DOI: http://10.1109/TSTE.2022.3226116 
  2. Min-Chul Jung, Ji-Myung Kim, Dong-Hyun Tae, and Dae-Seok Rho, "Operation Algorithm of Battery Management System for Li-ion Battery Considering Self-energy Balancing Phenomenon," The transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 70, no. 10, pp. 1443~ 1451, 2021. DOI: http://10.5370/KIEE.2021.70.10.1443 
  3. Uzair M, Abbas G, Hosain S. "Characteristics of Battery Management Systems of Electric Vehicles with Consideration of the Active and Passive Cell Balancing Process" World Electric Vehicle Journal, vol. 12, no. 3, pp. 120~158, 2021. DOI:　https://doi.org/10.3390/wevj12030120 
  4. Samsung SDI Co., Ltd, INR18650-29E Datasheet. 
  5. Ahn, Jung-Hoon, "The Present and Future of BMS Research for Safe Energy Society," The Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 72, no. 2, pp. 21~27,
  6. Z. B. Omariba, L. Zhang, D. Sun, "Review of Battery Cell Balancing Methodologies for Optimizing Battery Pack Performance in Electric Vehicles," IEEE Access, vol.7, pp.129335~129352, Sep. 2019. DOI:http://10.1109/ACCESS.2019.2940090 
  7. Elektro-Automatik Ltd, Application Note, Using Bidirectional Programmable DC Power Supplies for Battery Testing. 
  8. Elektro-Automatik Ltd,, EA-PSB 9000 3U Datasheet. 
  9. Su-Chul Bang and Yong-Ho Yoon, "Performance and Reliability Analysis using Test Facilities for Secondary Lithium-ion Batteries," The transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 72, no. 12, pp. 1789-1794, 2023. DOI: http://10.5370/KIEE.2023.72.12.1789