Surge Immunity Performance Enhancement Techniques on Battery Management System

전지관리장치(BMS)의 서지내성 성능향상 기법

Abstract

The switching noise in the power electronics of the power conversion equipment (Power Conditioning System) for large energy storage devices are generated. Since the burst-level transient noise from being generated in the power system at a higher power change process influences the control circuit of the low voltage driver circuit. Noise may cause the malfunction of the control device even if no dielectric breakdown leads to a control circuit. To overcome this, this paper proposes the installation of an additional nano-surge protection device on the power supply DC output circuit of the battery management unit.

1. 서 론

대형 빌딩이나 백화점과 같은 대용량 전기설비가 시설되어 있는 장소에 전기저장장치(Electrical Energy Storage System, EES)가 신재생 에너지장치와 병렬 설치되어 운영되고 있다. 전기저장장치의 현장에서 운영할 때 여러 가지 문제점이 있다. 그 중에서 설비의 원인 불명의 오동작으로 설비 운전의 안정화를 시키는데 어려움이 많다. 본 논문에서는 여러 가지 오동작 원인 중 내부 스위칭 서지에 의한 오동작 원인을 규명하고 이를 보완하기 위해 나노 초(10-9 s)에서 작동하는 서지 보호소자를 적용하는 기법을 제안하였다. 특히 전기저장장치의 구성요소 중에서 전지관리시스템(Battery Management System, BMS)은 서지에 매우 취약하다. 본 논문에서는 전지관리시스템의 서지내성 성능향상을 목표로 연구를 수행하였다.

대용량 전기저장장치는 수백 개의 단전지가 직렬․병렬로 연결되어 있다. 이러한 전지시스템을 관리하기 위해서는 전지관리시스템이 필요하다. 전지관리시스템의 기본적인 기능은 전지가 과충전 또는 과방전하지 않도록 제어하는 기능과 전지 간의 에너지 차이가 발생하였을 경우 이를 균등화하는 기능을 포함한다. 전지관리시스템이 오동작하거나 기능을 상실하였을 경우 단전지의 과충전이 발생하여 전기적으로 위험한 상태를 초래할 수 있으므로 매우 중요하다.

전지관리시스템은 저전압으로 구동되는 제어회로로 구성되어 있다. 저전압 제어회로는 크기가 작은 전압 노이즈에도 매우 취약하다. 특히 전기저장장치는 구조적으로 전력변환장치(Power Conditioning System, PCS)와 전지관리시스템은 물리적 거리가 매우 가깝다. 따라서 주전원회로 전력전자소자에 의해 발생한 스위칭 노이즈가 가장 큰 문제 요인이다[1].

논문의 구성은 전기저장장치의 구성 요소와 환경적 영향 요소를 간략하게 정리하였다. 일반적인 제어회로의 기본적인 내성레벨의 범위에 대한 IEC 표준과 절연내성 표준을 조사하였고 서지발생기를 실제 전지관리시스템의 전원회로에 인가하여 그 영향을 확인하였다.

 

2. 본 론

2.1 전기저장장치의 구성 및 기능

그림 1은 전기저장장치의 구성을 나타내었다. 전지저장장치의 구성은 전지시스템과 전지를 제어하는 전지관리시스템 및 전력변환시스템(PCS)로 구성된다. 그림 1에 나타낸 바와 같이 전력변환시스템과 전지관리시스템은 구조 및 기능적으로 연계되어 있으며 전기적 영향을 서로 쉽게 받을 수 있는 거리에 있다. 또한 기능상 전력전달 기능을 수행하기 위해서는 두 기기 사이에 상태정보를 서로 공유해야 한다. 전력변환시스템의 경우에는 전력계통의 전압 및 주파수 등을 모니터링 하여 전력계통으로부터 전력을 전달 받을 것인지 아니면 공급할 것인지를 결정한다. 전지관리시스템의 경우에는 전지의 상태를 모니터링 하여 전력을 충전할 수 있는 상태와 방전 할 수 있는 상태를 전력변환시스템과 공유해야 한다. 그림 2는 전기저장장치의 전지관리시스템과 전력변환시스템간의 제어 요소를 나타내고 있다. 전력변환시스템의 경우에는 신재생에너지원 또는 전력계통과 연계운전 할 수 있는 알고리즘을 포함하고 있으며 이러한 정보들이 전지시스템과 정보를 공유해야 한다. 결국 이러한 정보를 취합하여 우선순위에 따라 전기저장장치는 구동되게 되어 있으며 상호간의 정보흐름에 전기적 외란의 영향을 받는 경우 오동작을 일으킨다. 결과적으로 에너지저장장치를 설계할 경우에는 스위칭 서지와 같은 내부 전기적 외란에 의한 각 요소간의 전자기적합성(ElectroMagnetic Compatibility, EMC) 문제가 발생하지 않도록 설계해야 한다. 특히 전력변환시스템은 양방향으로 AC-DC 전력을 변환하는 과정에서 많은 양의 스위칭 노이즈를 발생시키며 이를 보완하기 위해 필터와 서지보호장치 등의 기술이 필요하다[2].

그림 1전기저장장치의 구성 Fig. 1 Configuration of EES.

그림 2전기저장장치의 구성별 제어요소 Fig. 2 Control elements of EES

2.2 서지내성 관련 국제표준

전기설비에 관한 국제 표준 IEC 60364-4-44에 의하면 배전계통에 연결되는 제어장치 및 기타 전기․전자기기의 임펄스 전압에 대한 절연내력은 표 1과 같다. 임펄스 전압 파형은 1.2/50 [μs]의 표준파형을 사용한다. 임펄스 전압에 대한 요구사항은 제품의 절연성능을 평가하기 위한 것이며 전기기기의 전원이 인가되어 있는 상태에서 임펄스에 대한 기기의 내성을 평가하는 것이 아니다. 임펄스 전압의 인가 회로는 전원부와 접지회로 사이에 임펄스를 인가하여 평가한다. 따라서 추가적으로 전자기기 또는 제어회로의 보다 신뢰성 있는 평가를 위해서는 서지내성시험으로 회로의 성능을 입증해야 한다. 표 2는 IEC 61000-4-5에 따른 전기기기의 일반적인 서지내성레벨을 수록하였다. 대부분의 EMC 시험은 IEC 61000-4-시리즈의 서지내성, 감쇄진동파내성, 링 웨이브내성 등의 시험항목으로 평가한다[4-6].

표 1임펄스전압 절연 레벨 Table 1 Voltage withstand level

표 2서지전압 내성 레벨 Table 2 Surge immunity level

표 1과 표 2에서 와 같이 임펄스전압시험과 서지내성시험을 통상적으로 전기기기에 적용하여 실시하고 있다. IEC 표준에 따라 시험을 실시하여 성능을 입증 하였더라도 여전히 서지에 대한 오동작은 현장에서 발생된다. 신뢰성이 높은 전기기기의 성능이 요구된다면 CBEMA 곡선(컴퓨터를 사용한 상용설비의 전원변동 허용곡선)에 의한 검증이 필요하다. 또한 서지에 취약한 회로의 경우에도 그림 3 CBEMA과 같은 높은 서지내성을 적용의 필요하다[7, 8]. IEC 61643-12(2008)의 부속서 M 에서는 임펄스절연내성과 함께 서지내성의 중요성에 대해서 국제규격에 언급하고 있으며 서지보호기기 분야 국제전문가회의 TC37A의 WG3에서 CBEMA 곡선을 적용하여 규격작업을 하고 있다[9].

그림 3CBEMA 곡선 Fig. 3 CBEMA curve

따라서 본 논문에서는 표 3과같이 제안한다. 표 3은 최소한의 제안범위이며 추가적인 서지보호소자의 필요성에 대해서는 실험을 통해서 제안하고자 한다. IEC 61000-4-5와 비교하여 표 3의 요구되는 서지내성 전압을 살펴보면 시스템 전압이 낮은 구간에서 높은 서지내성레벨을 요구한다.

표 3제안한 서지내성 레벨 Table 3 Proposed surge immunity level

2.3 서지내성실험

실험의 배경은 IEC 표준에 따라 제어기기의 서지내성시험을 실시하여 성능을 입증하였으나 전기저장장치를 설치하여 운전하면 오동작이 빈번히 발생한다. 이러한 원인 중 주 전원부의 전력 전자 회로의 스위칭 제어에 따른 노이즈의 영향이 크다. 이러한 노이즈에 대하여 IEC표준에 따라서 설계를 했다면 전지관리시스템의 AC 입력회로에는 충분한 내성을 가지고 있다고 볼 수 있다. 그럼에도 불과하고 오동작이 발생된다면 출력회로의 DC전원회로에 노이즈 영향을 받기 때문이다. 전지관리시스템의 제어회로는 결국 DC 전원회로로 공급되기 때문에 최종 공급되는 DC전원에 대한 노이즈 유무 여부를 확인해야 한다. 그림 4는 전지관리시스템의 DC 전원공급장치이다. 제시된 DC 전원공급장치는 AC 220 V를 DC 3.3 V 이하로 공급하는 장치이다. 그림 4(b)에서 EMI 필터가 있는 부분이 AC 입력이며 제어회로 옆 적색전선으로 전압이 분배되는 부분이 DC 출력이다.

그림 4BMS 전원공급 회로 Fig. 4 Power supply for BMS

시험방법은 AC입력에 220 V 전원입력 상태에서 IEC 61000-4-5에 따라 서지를 인가하였다. 이때에 AC입력회로에 흐르는 서지전류와 DC출력회로에 유기되는 서지전압을 측정하였다. 이론적으로는 입력과 출력이 전력변환부품으로 절연 분리되어 있어 입력회로에서 발생되는 노이즈의 영향이 없어야 한다. 또한 제어회로에 공급되는 출력전압이 낮기 때문에 조금만 높은 전압이 들어와도 기기의 오동작의 원인이 될 수 있다. 그림 5는 서지실험결과이다. 그림 5(a)는 1 kV 서지인가시 측정한 결과이다. 그림 5(a)의 상위 측정값은 DC출력회로에서 측정한 전압 측정값이며 하위 측정값은 AC입력회로의 서지전류측정 값이다. 총 서지는 정극성 및 부극성 각각 5회씩 인가하였으며 본 측정치는 가장 결과가 심각하게 나온 것을 샘플로 나타내었다. 그림 5(a)의 결과를 분석하면 AC입력단의 서지전류는 굉장히 낮게 측정되었다. 즉, 1kV 서지전압에 대하여 AC 입력회로의 서지내성은 충분히 견디게 설계되었다. 하지만 출력측 DC회로의 전압을 관찰하면 DC 전압 이외에 급과도버스트와 같은 노이즈가 발생되었다. 노이즈의 크기는 15 V ∼18 V가 측정이 되었으며 정격공급전압의 6배 이상에 해당된다. 또한 급과도버스트 노이즈는 nHz의 매우 빠른 상승 및 하강시간을 가지며 에너지량은 크지 않다. 따라서 추가적인 DC 회로에 나노 초에서 작동하는 서지보호소자가 적용되어 제어 전원을 안정화 시키는 것이 필요하다. 마이크로 서지보호기는 TVSS 다이오드가 대표적이며 적용시 노이즈 레벨을 정격전압의 1.2배 ∼ 1.5 배로 낮출 수 있다. 그림 5(b)의 경우 분석하면 AC입력회로에 절연이 파괴되어 과도한 서지전류가 흘렀으며 따라서 DC 2차측에도 과도한 서지전압이 발생하였다. 결과적으로 2kV 서지내성은 견디지 못하는 것으로 관측되었다.

그림 5서지시험결과 Fig. 5 Result of surge test

DC 출력 포트에 나노초에서 작동하는 서지보호소자 TVSS를 회로에 삽입하여 2.3의 동일한 서지시험을 실시하였다. 시험결과 그림 6과 같이 DC 출력 전압이 4.42 V로 낮아진 것을 확인 하였으며 대부분의 서지전압이 1.2 ∼1.5배로 낮아지는 것을 확인하였다. TVSS소자를 사용하여도 완전히 노이즈를 차폐하는 것을 불가능하지만 상당히 영향을 줄일 수 있는 것을 확인하였다.

그림 6TVSS 적용시 서지시험결과 Fig. 6 Result of surge test with TVSS

 

3. 결 론

전기저장장치는 전력변환장치에서 발생되는 노이즈를 다른 제어회로에 영향이 없도록 설계해야 한다. 일반적으로 AC 전원회로에 노이즈 필터 또는 서지보호장치를 많이 사용하고 있다. 이러한 필터와 서지보호장치를 설치를 하여도 제어회로에는 이해하지 못하는 오동작들이 발생된다. 그 중에 반듯이 확인해야 하는 회로가 DC제어부의 노이즈 영향이다. 전원공급장치 또는 제어회로는 설계에 따라 각기 다른 내성특성을 가지고 있어 공학적으로 계산하여 설계에 반영하기 매우 어렵다. 따라서 간단한 실험을 통해서 DC 제어회로의 전압영향을 확인하는 것을 본 논문에서 제안한다. 특히 신뢰성이 높은 기기성능을 확보하기 위해서는 낮은 전압을 사용하는 DC 제어회로에는 추가적인 마이크로 서지보호소자가 적용되어야 한다.