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본 실험에서 사용한 동력계는 AVL사의 48inch single roll ZÖLLNER 차대동력계이며 이는 장비 System에 차량의 공차중량, 공기저항, 구름저항 등을 입력하여 공도주행을 모사할 수 있는 장비이다. 최대 4500 kg의 전륜 또는 후륜 구동 방식의 차량 실험을 위해 설계되었다.

전류측정은 HIOKI적산전류계로 측정한 값과 OBD에서 측정한 전류 데이터를 비교한 결과 0.98 % 차이로 무시할 만큼 작았다 따라서 본 실험에서는 OBD데이터를 사용하여 데이터 분석을 실시하였다. 98개 셀에 대한 전압, 전류, SOC등의 데이터 측정은 차량의 OBD(On-Board Diagnostics)를 통해 측정하였으며 OBD 데이터를 10 ms 주기로 취득하였다. LabVIEW 프로그램을 이용하여 GUI(Graphic User Interface)기반으로 측정시스템 설계를 구성하였다. Fig. 1은 해당 실험의 구성을 나타내는 그림이다.

Fig. 1 
Equipments setting and data acquisition

서로 다른 특징의 주행모드를 차대동력계에서 실차주행하며 배터리 셀 간의 전압편차를 분석하였다. 연구에 선정된 주행모드는 주행특징이 다른 3가지 모드이며 정속주행이 특징인 ASM2525모드와 가감속구간이 잦은 UDDS모드 그리고 급가속 및 고속주행이 특징인 US06모드로 주행모드를 선정하였다. 각각 주행모드의 최고속도는 40 km/h, 91 km/h, 130 km/h 수준이며 가장 큰 가속도를 가지는 주행모드는 US06모드 이다. 이외 실험실 온도환경 조건을 공조장치를 통해 20 ~ 25 °C를 유지하며 차대동력계를 이용한 실차 실험을 진행하였다. 데이터 측정은 OBD단자를 통해 측정하였으며 실시간으로 98개 셀에 대한 전압, 전류, SOC등의 데이터를 취득하였다. 셀 간 전압편차 분석은 주행모드 3종(ASM2525, UDDS, US06)에 경사구배 조건을 추가하여 주행특성에 따른 전비를 계산하고 전압편차를 분석하였다. 그리고 충전상태에 따른 전압편차를 분석하기 위해 SOC 80 ~ 70 %, SOC 60 ~ 50 %, SOC 20 ~ 10 %구간에서 셀 간 전압편차를 분석하였다.

경사구배에 따른 셀 간 전압편차 분석은 ASM2525모드에서는 경사구배 0 %, 5 %, 10 %조건에서 진행하였으며 UDDS와 US06모드에서는 경사구배 0 %, 5 %조건에서 진행하였다. 해당 주행모드는 가감속이 많이 포함된 주행모드이므로 경사구배 10 %에 대하여 실험차량의 주행 성능이 부족하였다. 따라서 UDDS모드와 US06모드는 주행이 가능한 경사구배 0 %, 5 %에 대하여 주행하였다. 주행모드별 낮은 전비가 기록된 순서는 Table 2와 같이 동일한 경사구배에서 US06, UDDS, ASM2525 순이었으며 모든 주행조건에서는 ASM2525모드에서 경사구배 10 %가 가장 낮은 전비를 보였다.

주행모드에서 경사구배에 따른 98개 리튬이온 셀에 대한 전압편차를 Figs. 2 ~ 4에 나타냈었다. 전압편차는 주행시간에 따른 최대 셀 전압에서 최소 셀 전압의 차이로 구하였으며 OBD를 통해 측정된 전압은 0.02 V 단위씩 측정되었으며 데이터 샘플링 주기는 10 ms으로 데이터를 취득하였다. 해당 그래프를 살펴보면 동일한 경사구배에서는 US06모드를 주행 시 전압편차가 발생한 횟수가 두드러지게 증가하였고 최대 전압편차 또한 0.06 V로 가장 높게 나타났다.

Fig. 2 
Voltage deviation in ASM2525 mode

Fig. 3 
Voltage deviation in UDDS mode

Fig. 4 
Voltage deviation in US06 mode

Tables 3 ~ 5는 각 주행모드에서 전압편차가 발생한 횟수를 Count 하여 빈도율로 변환한 표이다. 경사구배를 증가시켜 방전하는 전류의 크기를 키울수록 전압편차의 빈도는 미약한 수준이지만 증가하는 경향을 보였다. 또한 정속주행이 특징인 ASM2525모드에서는 모든 경사구배 조건에서 타 주행모드에 비해 상대적으로 적은 전압차이가 나타났으며 최대 전압차이는 0.02 V 수준이었다.

이러한 결과로 US06모드처럼 고속으로 주행하며 짧은 시간 안에 큰 전력을 소모하여 방전하는 전류의 크기가 커질수록 셀 밸런싱의 어려움이 발생한다는 것을 확인하였다. 하지만 전비가 가장 낮게 기록된 ASM2525모드 경사구배 10 %조건에서 전압편차가 보다 적게 나타났다.

경사구배 및 주행모드에 따른 셀 간 전압편차는 셀 온도 변화와 이에 따른 셀 내부저항 감소가 주된 원인이다. 즉, 주행 시 경사구배가 증가하거나 주행모드의 특성이 가감속이 많고 주행속도가 높은 경우 차량에서 요구되는 충/방전 전류량이 상대적으로 증가하는데, 이는 배터리 셀 온도를 상대적으로 증가시킨다. 배터리팩 설계 구조적으로 셀 위치에 따른 온도 편차가 발생하고, 셀 온도의 증가는 셀 내부저항을 낮춘다. 이렇게 낮아진 셀 내부저항 편차는 셀 간 전압편차로 측정되므로, 상대적으로 높아진 셀 온도 및 셀 들 간의 온도편차, 이로 인한 셀 내부저항 감소의 편차가 셀 간 전압편차를 크게 한다.

경사구배에 따른 전압편차를 분석한 이후 SOC구간에 따른 셀 간 전압편차를 분석하였다. 배터리 셀 간의 전압편차는 배터리의 특성이 불안정해지는 저온의 환경이나 방전하는 전류의 크기가 클수록 전압편차가 커지고 특히나 낮은 SOC의 영역에서 전압편차가 발생된다고 알려져 있다. 따라서 SOC구간에 따른 셀 전압편차분석은 배터리팩의 SOC 80 ~ 70 %, SOC 60 ~ 50 % 그리고 SOC 20 ~ 10 %의 총 3구간으로 나누어서 주행모드별 셀 전압편차를 분석하였고 해당 결과는 Figs. 5 ~ 7을 통해 나타내었다.

Fig. 5 
Voltage deviation with respect to SOC in ASM2525 mode

Fig. 6 
Voltage deviation with respect to SOC in UDDS mode

Fig. 7 
Voltage deviation with respect to SOC in US06 mode

SOC구간별 전압차이는 SOC 80 %구간 대비 모든 SOC구간에서 전압편차의 정도와 빈도가 증가하는 경향을 보였고 특히 급가속 및 고속주행이 특징인 US06모드에서는 그 경향이 타 주행모드에 비해 두드러지게 나타났다. US06모드는 SOC 80 %구간에서 최대 전압편차는 0.06 V가 발생하였으며 SOC 20 %이하의 구간에서는 최대 0.1 V의 전압편차를 보였다. 다른 주행모드가 0.02 V, 0.04 V수준인 것을 감안하면 US06모드에서는 눈에 띄게 증가하였다.

해당 결과를 좀 더 자세히 분석하기 위해 전압편차가 발생한 횟수를 빈도율로 변환 하여 Tables 6 ~ 8에 나타내었다. 정속주행인 ASM2525모드의 경우 모든 SOC구간에서 최대 전압편차는 0.02V로 별다른 차이가 보이지 않았으며 SOC가 낮은 구간일수록 최대 전압편차의 발생빈도는 각각 4.31 %, 9.55 %, 25 %이었다. SOC 20 %이하의 구간에서는 SOC 60 %구간 대비 최대 전압편차 발생빈도가 15.45 %가 증가하였다. US06모드의 SOC 20 %이하의 구간에서 주행 시 전압편차가 발생하지 않았던 비율은 20 %가 채 되지 않으며 해당 구간에서 0.04 V의 전압편차의 비율은 0.6 %에서 21 %까지 증가하는 모습을 보였다.

SOC가 매우 낮은 영역인 20 %이하의 구간에서 전압편차의 크기와 발생빈도가 높은 이유는 셀 내부저항의 편차 증가로 판단된다. 셀 온도가 일정할 경우 SOC가 낮은 영역에서는 셀 내부저항이 급격히 증가하는 것으로 알려져 있다.¹²⁾ 전술한 바와 같이 배터리팩 설계 구조적으로 셀 위치에 따른 온도 편차가 발생한다. 즉, 주행모드 특성에 따른 충/방전 전류량의 차이에 의하여 셀 간 온도 차이를 발생하고, 셀 온도의 증가는 내부저항을 낮춘다. 이렇게 SOC에 의한 내부저항 변화와 주행모드 특성에 따른 셀 간 온도 편차에 의한 내부저항 변화가 맞물려 전압편차 크기 및 발생빈도가 증가한 것으로 판단된다. 그러므로 SOC 20 %이하에서 고속 주행 및 경사도 증가에 따른 고 부하 운전영역에서는 보다 효과적인 셀 밸런싱을 위한 BMS 제어가 필요함을 확인하였다.