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배경 및 필요성

• 탄소중립과 재생에너지 전환이 가속화되면서 전력 계통의 안정성과 유연성을 확보하기 위한 에너지저장 기술의 중요성이 커지고 있음. 특히 태양광·풍력의 출력 변동성을 보완하기 위한 대용량 ESS 수요가 증가함에 따라, 고정식 ESS의 제약을 극복하고 필요한 현장에 신속히 투입할 수 있는 이동형 ESS인 ESV(Energy Storage Vehicle)의 개발 필요성이 높아지고 있음.
• 이동형 ESV를 구현하기 위해서는 배터리 셀·팩·시스템을 단계적으로 보호·제어하는 BMS, 고전압 회로의 연결과 차단을 담당하는 BPDU, 양방향 전력 변환을 수행하는 PCS, 그리고 전체 시스템을 통합 관리하는 EMS/PMS가 유기적으로 연계되어야 함.
• 정부의 탄소중립 및 재생에너지 확대 정책, ESS 보급 활성화와 이동형 충전 인프라 구축은 본 과제의 추진 타당성을 뒷받침함. 또한 지역 에너지 자립 정책과 연계하여 관련 산업 육성, 지역 생태계 강화 및 일자리 창출에 기여할 수 있음.
• 국내외 이동형 ESS 시장은 아직 초기 단계로, 핵심 기술을 조기에 확보할 경우 시장 선점이 가능함. 전기차 충전 사각지대와 농어촌·도서 지역, 지하 주차장, 행사장 등 고정식 충전기 설치가 어려운 장소에서 활용성이 높으며, 재난 현장의 비상 전력 공급 등 공공·산업·방재 분야로도 확장 가능함.
• 기존 고정식 ESS는 차량 탑재에 필요한 경량화, 공간 효율성 및 진동·충격 내구성 측면에서 한계가 있음. 또한 400 V급 고전압 배터리 팩의 실제 주행환경 안전성 검증과 BMS–PCS–EMS 간 통합 제어 및 통신 표준도 부족한 상황임. 본 과제는 이러한 기술적 공백을 해소하고 이동형 ESV의 국산화와 실용화 기반을 마련하는 데 의의가 있음.

배터리 팩 구성

EVE LF230 LFP 셀(3.2 V/230 Ah) 8개로 구성된 X-Pack(8S1P, 25.6 V/230 Ah) 17개를 직렬 연결하여 정격전압 435.2 V, 총에너지 100 kWh급 배터리 시스템을 구축함. 배터리의 상태 감시와 안전 제어를 위해 Master BMS, 17개 Pack BMS 및 CMU로 구성된 3단 계층형 관리 구조를 적용함.

차량 실장 설계

1톤 하이브리드 트럭의 적재함 크기(1.56 × 2.71 × 1.48 m), 최대 적재중량과 PCS 출력 용량을 고려하여 배터리 용량 및 배치 구조를 설계함. 배터리 시스템 중량은 약 680 kg이며, BPDU와 고전압 케이블 등 부대 장치의 중량을 추가로 고려하여 차량 탑재 적합성을 검토함.

안전 시험

고전압 배터리 시스템의 안전성을 확인하기 위해 절연저항, 내전압 및 내부저항 시험을 수행함. 시험 결과 절연저항 4.5 GΩ, 내전압 누설전류 0.06 mA, DCIR 70.7 mΩ을 기록하여 모든 시험 항목에서 요구 기준을 충족함.

충방전 시험

Ramp Charge/Discharge, Dynamic Cycle 및 UDDS 프로파일을 적용하여 다양한 전력 부하 조건에서 충·방전 성능을 검증함. 또한 최대 21 kW급 EV 급속충전 모사 사이클에서 정상 작동을 확인하였으며, 17개 배터리 팩의 CAN 통신과 Relay On/Off, Fault 감지 기능도 정상적으로 동작함을 확인함.

문제 해결

초기 시험에서 기존 CMU 내 저전압 소자가 고전압 직렬 환경에 노출되어 손상되는 문제가 발생함에 따라, 고전압 절연형 CMU로 전량 교체하여 안전성과 통신 신뢰성을 확보함. 또한 17개 팩의 동시 기동 시 발생할 수 있는 돌입전류를 방지하기 위해 100 ms 간격의 순차 기동 로직을 적용함. 이를 통해 이동형 ESV에 적용 가능한 435.2 V/100.09 kWh급 배터리 시스템의 구성과 기본 안전·운전 성능을 확보함..

랙 설계·배치

차량 적재함의 제한된 공간을 효율적으로 활용하고 주행 중 진동·충격에 대응할 수 있도록 19인치 규격의 배터리 랙(높이 1,200 mm × 깊이 800 mm)을 설계·제작함. 3D 모델링을 기반으로 3단·2단·1단 맞춤형 랙을 조합하여 배터리 팩과 BPDU를 배치하고, 차량 내부 좌우 공간과 유지보수성을 고려해 적재 구조를 최적화함.

전력분배 및 보호시스템 설계

고전압 배터리와 PCS 간 전력을 안전하게 연결·차단하기 위해 PRA와 BPDU를 설계·제작함. BPDU에는 Main Relay, Precharge Relay, 고전압 퓨즈, 전류센서 및 프리차지 저항 등을 적용하여 고전압 스위칭과 과전류·단락 보호 기능을 확보함.

고전압 배선

차량 격벽과 장치 간 배치 거리를 고려하여 25 mm², 105℃ 등급의 고전압 케이블과 링 터미널을 적용함. 또한 BAT(+), BAT(-), PCS(+), PCS(-) 연결을 위한 Bus-bar 4종과 PRA 브래킷을 신규 설계하고, PCS–PRA–배터리 팩을 연결하는 전기 단선도와 배선 경로를 구축함. PCS 연결 케이블은 격벽 위치를 고려해 약 1.5~2 m로 설계함.

차량 실장 안정성

배터리 랙의 바퀴를 제거한 후 M8 볼트와 브래킷을 이용해 차량 적재함 바닥에 직접 고정함. M8 8.8급 볼트의 강도와 급제동·코너링·노면 충격 조건을 검토한 결과 볼트 자체의 강도는 충분한 것으로 평가됨. 다만 약 2 mm 두께의 차량 바닥 철판에 반복하중이 집중될 가능성을 고려하여 대구경 와셔를 적용함으로써 체결 하중을 분산하고 피로 파손 위험을 줄임.

개발 결과

맞춤형 배터리 랙, PRA/BPDU, 고전압 케이블 및 배선 경로의 설계·제작을 완료하고 차량 바닥 고정 구조를 확보함. 이를 통해 제한된 적재 공간 내에서 대용량 배터리 시스템의 공간 효율성과 고전압 안전성, 주행환경에서의 구조적 안정성을 확보함.

PCS 사양

이동형 ESV의 충·방전과 독립형 전력 공급을 위해 25 kW급 양방향 PCS와 분전반을 개발함. PCS는 AC 380 V/220 V 출력과 485 Modbus-RTU 통신을 지원하며, 차량 탑재성을 고려한 19인치 랙형(4U, 약 25 kg) 구조로 제작하여 EMS와 통합함.

고효율 소자 적용

기존 IGBT (효율 92~94%) 대신 SiC 전력소자를 적용하여 충전 약 96%, 방전 약 95% 수준의 효율을 확보함. 또한 삼상 380 V와 단상 220 V/110 V 출력을 구현하여 산업용 부하와 일반 전력기기, EV 충전기 연계가 가능하도록 설계함.

동작 시험

약 12 kW 계통 충전과 약 10 kW 부하 방전 시험을 수행한 결과, 전압·전류 파형과 온도 특성이 정상적으로 나타났으며 PCS의 기본 충·방전 기능과 EMS 연동 동작을 확인함.

EMS/PMS UI/UX

이동형 ESV의 운전 상태를 통합 감시·제어하기 위해 WPF 기반의 터치패널 HMI를 개발함. Home, BMS, PCS, History 화면을 구성하고, SOC·전압·전류·온도·알람·에너지 흐름 및 팩별 상태를 실시간으로 확인할 수 있도록 구현함.

통신 연동

EMS와 Master BMS 간 CAN 통신 및 PCS와의 Modbus 통신을 연동하여 상태정보 수집과 충·방전 명령 전달이 가능하도록 구성함. 또한 EV 충전기와의 연계 구조를 마련함.

통합 시험 결과

BMS–EMS CAN 통신, PCS–EMS Modbus 통신, 배터리 Relay On/Off 제어 및 터치패널 UI 동작을 확인함. 또한 단상 220 V 출력을 이용한 7 kW급 EV 완속 충전기의 정상 동작을 검증하여 배터리–PCS–EMS–부하 간 통합 운용 가능성을 확인함.

기술적 기대효과

대용량(100 kWh급) 이동형 ESS 핵심기술(배터리팩·BMS·PCS·EMS) 국내 독자 개발, 고전압(435 V) 배터리팩 안전시험 통과 및 실차 탑재기술 확보, SiC 기반 고효율(96%) PCS 설계·제작 기술 확보.

경제적·사회적 효과

이동형 ESV 기반 EV 충전 서비스 사업화 기반 마련, 충남 내포 지역 에너지서비스 산업 육성 및 일자리 창출, 전기차 충전 인프라 공백지역(농촌·도서·재난) 전력공급 서비스 실현 및 탄소중립 목표 기여.

활용방안

내포지식산업센터를 거점으로 한 이동형 ESV 실증(EV 충전·농촌 전력 공급) 및 참여기업(퓨처이브이·에코캡·한양전공·UPTEC) 기술이전, 후속 2단계 과제(410억 원 규모)로 고정형 ESS–이동형 ESV 통합 전력공급 플랫폼 구축 및 V2G·마이크로그리드 연계 확장, KC 안전인증·UN38.3·KS C IEC 62109 등 표준화·인증 추진.