전기자동차용 배터리 팩 모델링 및 HILS를 활용한 모델 검증에 관한 연구

Abstract

BRICs를 중심으로 한 급속한 산업화와 전반적인 생활수준 향상에 따른 석유 수요 증가와 한정된 매장량으로 인해 배럴당 100불이 넘는 고유가 상황은 당분간 지속될 것으로 전망되고 있다. 특히 성장 위주의 경제 정책으로 제조업 중심의 에너지 고소비형 산업구조를 형성한 우리나라는 세계 4위 수준의 석유 수입량과 7위의 소비량을 차지할 정도로 석유에 대한 의존도가 높아 고유가에 따른 직접적인 타격이 예상된다. 이에 따라 고유가 상황에 대한 산업 전반의 대응책이 요구되는 상황이며, 특히 전체 석유 소비에서 산업 부문 다음으로 높은 비중을 차지하는 수송 부문에 대한 소비 절감 요구가 더욱 강해지고 있는 상황이다. 이러한 고유가 시대의 도래와 기후변화 협약에 따른 온실가스 저감을 위한 노력의 일환으로 석유 소비를 줄일 수 있는 환경 친화적인 고효율 자동차에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 1997년 처음으로 하이브리드 자동차가 시장에 선보인 이후, 시장 요구에 효과적으로 대응하기 위한 다양한 형태의 고연비, 친환경 자동차 개발이 진행되어 플러그-인 하이브리드 자동차와 순수 전기자동차의 출시가 잇따르고 있다. 플러그-인 하이브리드 자동차와 순수 전기자동차는 외부의 계통 전원으로부터 충전한 전기에너지를 구동에 활용하여 연비를 향상시키고 온실가스와 유해 배출가스를 줄일 수 있는 대표적인 친환경 자동차이다. 이러한 전기자동차의 성능은 계통으로부터 전기에너지를 저장하고, 저장된 전기에너지를 차량 요구에 따라 공급하는 배터리시스템에 의해 많은 영향을 받는다. 전기자동차 개발에서 있어 시스템 설계와 사양 도출을 위해 장착되는 부품과 시스템에 대한 다양한 시뮬레이션을 수행한다. 정확한 시뮬레이션을 위해서는 각 부품과 시스템의 정확한 모델이 필요하지만 전기자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치는 대용량 배터리시스템은 비선형적인 전기화학적 특성으로 인해 정확한 모델링이 매우 어렵다. 또한 차량 환경에서 배터리시스템의 안전성을 향상시키기 위해 PRA, Safety Plug, Connector 등의 요소가 추가 장착되어 배터리시스템의 저항을 키우는 요인이 되고 있으나, 지금까지 전기자동차의 시뮬레이션에 활용되고 있는 대부분의 배터리시스템 모델은 셀 모델을 단순 직∙ 병렬로 연결하여 사용하고 있기 때문에 차량 환경에서의 시스템 안전성을 향상시키기 위해 부가적으로 장착되는 요소가 반영되지 않아 다른 시스템에 비해 낮은 모델 정확도를 갖는다. 이러한 요소는 배터리시스템에 의해 많은 영향을 받는 전기자동차에 대한 정확한 시뮬레이션 구현을 어렵게 만드는 요인으로 작용하여, 충분한 정확도를 확보하지 못한 모델은 배터리시스템 모델 자체의 정확도뿐만 아니라, 차량 시뮬레이션 전체 정확도에 영향을 주어 구현코자 하는 시뮬레이션 의도에 따른 결과 확보를 어렵게 하는 주요 요인이 될 수 있다. 배터리시스템의 모델링에 앞서 주로 전기화학 분야에서 활용되고 있는 전기화학적 임피던스 측정법을 활용하여 배터리 셀의 모델링을 구현하였으며, 이를 토대로 팩 구성에 있어 부가적으로 장착되는 요소를 고려한 전기자동차용 배터리 팩 모델을 개발하고 검증하였다. 본 연구에서 구현된 전기자동차용 대용량 배터리시스템의 모델을 검증하기 위해 실제 차량을 활용하는 것은 현실적으로 많은 제약이 있다. 이러한 제약을 극복하기 위해 비선형적이며, 비가역적인 특성으로 인해 모델링이 복잡하고 어려운 배터리시스템은 실물 그대로 활용하고, 기타 차량 부품 및 시스템은 모델로 구현하여 실제 차량 운전환경이 반영된 시뮬레이션을 가능케 하는 배터리 HILS를 구축하여 배터리 모델 검증에 활용하였다. 본 연구에서는 차량 운전환경을 반영한 배터리시스템의 특성을 확인할 수 있는 배터리 HILS를 기반으로 한 패키징에 따른 저항 요소가 고려된 친환경 자동차용 대용량 배터리시스템 모델의 정확도 검증을 수행하여 전기자동차 개발을 위한 시뮬레이션에 적용할 수 있는 대용량 배터리시스템 모델을 개발하였다.