배터리 화재 안전성 제고를 위한 다중 센서 기반 무선 배터리관리시스템 설계 방안 연구 = Design of Multi-Sensor Wireless Battery Management System to Enhance Battery Fire Safety

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 배터리 화재 안전성 향상을 위한 다중 센서 기반의 무선 배터리관리시스템(Battery Management System, BMS)을 제안한다. 기존 유선 BMS의 경우 배터리의 전압, 전류, 온도 데이터를 기반으로 배터리의 상태를 판단하지만, 배터리 이상징후 감지와 화재 발생 간 간극이 짧아 배터리 화재 조기 진단 및 대응에 한계가 있다. 또한 유선통신 방식에 의해 배터리 셀 수가 증가할수록 배선의 양과 무게가 늘어나며, 에너지 밀도 감소, 주행거리 감소, 통신속도 저하 한계가 존재한다. 본 연구에서는 기존 유선 BMS의 한계를 극복하기 위해 기존 BMS에 탑재되는 전압, 전류, 온도 센서에 더해 가스, 면압, 임피던스 센서를 추가 탑재하여 배터리 이상징후를 조기에 감지함으로써 화재 안전성을 향상시키고자 한다. 더불어, 무선통신 기술을 접목하여 유선통신의 물리적 제약을 해소하고, 높은 통신속도 및 대용량 배터리 데이터 통신을 통해 다중 센서에서 발생하는 데이터를 효과적으로 처리하고자 한다. 이후 제안하는 BMS 기술을 전기차 배터리 팩에 효과적으로 적용하기 위해, 전기차 배터리 팩의 운용 환경 분석하고 고려사항을 검토하여 적절한 설계 방안에 대해 제안한다. 제안하는 BMS 기술의 타당성 검토를 위해 전기차 배터리 팩 및 데이터 수집을 모사한 환경에서 실험을 수행하였으며, 다중 센서의 실시간 데이터 수집 및 무선통신 성능을 평가함으로써 제안하는 BMS 기술의 실용성과 효과를 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 논문의 구성 5
• Ⅱ. 전기차 배터리 팩 분석 및 다중 센서 기반 무선 BMS 사양 선정 6
• 2.1 리튬-이온 배터리 직렬/병렬 연결 특징 분석 6
• 2.2 전기차 배터리 팩 구조 및 사양 분석 9
• Ⅲ. 다중 센서 및 무선통신 방식 선정 11
• 3.1 다중 센서 분석 및 선정 11
• 3.1.1 가스 센서 분석 및 선정 11
• 3.1.2 압력 센서 분석 및 선정 13
• 3.1.3 임피던스 센서 분석 및 선정 15
• 3.2 무선통신 방식 분석 및 선정 17
• Ⅳ. 다중 센서 기반 무선 BMS 제작 및 배터리 팩 환경 검토 21
• 4.1 다중 센서 기반 무선 BMS 하드웨어 설계 및 제작 21
• 4.2 배터리 모듈/팩 케이스 재질 및 두께 영향 분석 23
• 4.3 배터리 모듈 케이스 슬릿 크기 영향 분석 27
• Ⅴ. 다중 센서 기반 무선 BMS 실험 및 타당성 검토 30
• 5.1 배터리 모듈 케이스 성능 실험 30
• 5.2 배터리 모듈 케이스 슬릿 크기 영향 실험 35
• 5.3 다중 센서 기반 무선 BMS 성능 검증 실험 38
• Ⅵ. 결론 42