책소개

이 책은 “스마트 배터리 관리 시스템의 이해”라는 주제로, 배터리의 기본 원리부터 최신 제어 알고리즘과 안전성 확보 전략까지 체계적으로 정리한 전문 교재이다. 오늘날 에너지 시스템의 중심에는 배터리가 있다. 스마트폰과 노트북 같은 개인 전자기기에서부터 전기자동차, 대규모 에너지저장장치(ESS), 항공우주 시스템에 이르기까지 배터리는 우리의 생활과 산업 전반에 깊이 스며들어 있다. 그러나 배터리는 단순히 전기를 저장하는 장치가 아니라, 복잡한 전기화학 반응과 열·물질 전달 현상이 얽힌 정교한 시스템이다. 이러한 복잡성을 안전하고 효율적으로 관리하기 위해 등장한 것이 바로 스마트 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)이다.

BMS는 배터리의 상태를 실시간으로 모니터링하고, 충·방전 과정을 제어하며, 열을 관리하고, 고장을 진단하는 두뇌 역할을 한다. 배터리 자체가 몸이라면 BMS는 신경계와 두뇌에 비유할 수 있다. 아무리 좋은 소재와 설계를 적용한 배터리라도, 적절한 관리 시스템이 없다면 수명은 짧아지고, 성능은 떨어지며, 심지어 안전 사고로 이어질 수 있다. 따라서 BMS의 이해는 단순히 배터리 기술자가 아니라, 미래 에너지 산업을 이끌어갈 모든 공학도와 연구자가 반드시 익혀야 할 기초이자 핵심이라고 할 수 있다.

이 책은 크게 일곱 개의 장으로 구성되어 있다. 제1장에서는 배터리의 기초와 동작 원리를 다룬다. 배터리의 기본 개념과 역할, 셀의 구조와 전기화학 반응, 양극과 음극 소재 선택, 리튬이온 배터리의 작동 메커니즘 등을 차근차근 설명한다. 또한 배터리 제조 공정과 열화 메커니즘을 살펴본 뒤, 차세대 배터리 연구 방향을 제시함으로써 앞으로의 발전 가능성을 이해할 수 있도록 구성하였다.

제2장은 배터리 모델링의 기초를 소개한다. 등가회로 모델과 개방회로 전압(OCV)-SOC 관계, 내부 저항 및 확산 전압 같은 기본 개념을 다루고, 임피던스 해석과 동적 특성 분석을 설명한다. 실험 장비를 활용한 데이터 수집과 파라미터 추정 과정도 포함되며, 마지막으로 MATLAB과 같은 시뮬레이션 도구를 이용한 모델링 기법을 구체적으로 다룬다.

제3장에서는 마이크로스케일 셀 모델을 심층적으로 다룬다. 전극 내부에서 일어나는 전하·질량 보존 방정식을 기초로, 열역학과 물리화학적 이론을 연결한다. 전해질 농도 및 전하 변화, 전극 반응 속도를 설명하는 버틀러-볼머 방정식, 그리고 셀 내부 반응을 정밀하게 모사하는 수치해석 기법을 통해 미시적 수준의 배터리 거동을 이해할 수 있다.

제4장은 연속체 스케일 셀 모델로 시야를 확장한다. 체적 평균 기법을 통한 방정식 전개, 전극-전해질 계면에서의 리튬 이동, 그리고 의사 2차원(P2D) 모델 구현을 다룬다. 나아가 COMSOL과 같은 시뮬레이션 플랫폼을 활용한 모델링 방법을 소개하여, 실제 연구와 산업 응용에 직접 활용 가능한 지식을 제공한다.

제5장은 상태 공간 모델과 제어 알고리즘을 다룬다. 상태 공간 모델의 기본 구조와 배터리 동적 상태 표현, 이산시간 제어 알고리즘 설계 과정을 단계별로 정리하였다. 특히 단계별 구현 예제와 응용 사례를 풍부하게 포함하여, 이론이 실제 BMS 설계와 어떻게 연결되는지를 쉽게 이해할 수 있도록 구성하였다.

제6장에서는 축소 차수 모델을 다룬다. 복잡한 모델을 단순화하면서도 배터리의 핵심 동작 특성을 유지하는 방법을 설명한다. 전달함수와 임피던스 해석, 셀 전압 계산 및 주파수 응답 분석, 다중 출력 시스템 모델링 기법 등을 제시하며, 혼합 모델 및 시뮬레이션 예제를 통해 실무 적용 가능성을 보여준다.

제7장은 열적 모델링과 안전성을 주제로 한다. 배터리 열 발생 메커니즘, 마이크로·연속체 스케일 열 모델, 온도 변화에 따른 성능 및 수명 변화를 분석하고, 열전달 및 냉각 시스템 설계를 소개한다. 특히 안전성 확보를 위한 통합 열 관리 전략을 강조하여, 배터리 시스템의 장기적 신뢰성과 사용자의 안전을 동시에 확보할 수 있는 방법을 정리하였다.

이 책은 학생들이 기초 이론부터 응용까지 차근차근 따라갈 수 있도록 체계적으로 구성되었다. 복잡한 수식과 모델링도 단순히 이론으로 머무르지 않고, 실제 사례와 시뮬레이션, 제어 전략과 연결시켜 이해를 돕도록 했다. 배터리의 원리와 관리 시스템의 중요성을 배우는 과정은 단순한 기술 습득을 넘어, 미래 에너지 전환과 지속 가능한 사회를 위한 중요한 학습 여정이 될 것이다.

따라서 이 책의 머리말은 독자들에게 배터리가 단순한 전기 저장 장치가 아니라, 미래 에너지 시스템과 첨단 산업을 떠받치는 핵심 축이라는 사실을 강조하고자 한다. 배터리를 이해하고 BMS를 설계하는 능력은 곧 차세대 기술 혁신을 이끄는 토대가 될 것이다. 이 책이 학생들과 연구자, 그리고 현장 엔지니어에게 배터리와 BMS를 깊이 이해하고 실질적으로 활용할 수 있는 나침반 역할을 하기를 기대한다.

저자소개

목차

제1장. 배터리 기초와 동작 원리

1.1 배터리의 기본 개념과 역할
1.2 셀의 구조와 전기화학 반응 방식
1.3 양극음극 소재 선택과 특성
1.4 리튬이온 배터리의 작동 메커니즘
1.5 배터리 제조 공정 개요
1.6 배터리의 주요 고장 원인과 열화 메커니즘
1.7 차세대 배터리 연구 방향

제2장. 배터리 모델링의 기초

2.1 등가회로 모델의 개념과 필요성
2.2 개방회로 전압(OCV)과 충전 상태(State of Charge) 관계
2.3 내부저항, 확산 전압, 히스테리시스 현상
2.4 임피던스와 동적 특성 해석
2.5 실험 장비를 활용한 데이터 수집 및 파라미터 추정
2.6 MATLAB 등 시뮬레이션 도구를 활용한 모델링

제3장. 마이크로스케일 셀 모델

3.1 전극 내부 전하질량 보존 방정식
3.2 열역학과 물리화학적 기반 이론
3.3 전해질의 전하농도 변화 모델링
3.4 전극 반응속도를 설명하는 버틀러-볼머 방정식
3.5 셀 내부 반응을 정밀하게 모사하는 수치해석 기법

제4장. 연속체 스케일 셀 모델

4.1 전극전해질 수준에서의 확장된 거동 분석
4.2 체적 평균 기법을 통한 방정식 전개
4.3 전극과 전해질 계면에서의 리튬 이동
4.4 의사 2차원(P2D) 모델 구현
4.5 COMSOL 등 시뮬레이션 플랫폼을 활용한 모델링

제5장. 상태 공간 모델과 제어 알고리즘

5.1 상태 공간 모델 개요
5.2 전극의 동적 상태를 표현하는 수학적 구조
5.3 이산시간 기반 제어 알고리즘 설계
5.4 단계별 구현 예제와 응용 사례

제6장. 축소 차수 모델

6.1 복잡한 모델을 단순화하는 축소 차수 기법
6.2 전달함수와 임피던스 해석
6.3 셀 전압 계산 및 주파수 응답 분석
6.4 다중 출력 시스템 모델링
6.5 혼합 모델 및 시뮬레이션 예제

제7장. 열적 모델링과 안전성

7.1 배터리 열 발생 메커니즘
7.2 마이크로연속체 스케일 열 모델
7.3 온도 변화에 따른 성능 및 수명 변화
7.4 열전달과 냉각 시스템 설계
7.5 축소 차수 기반 열 모델과 시뮬레이션
7.6 안전성 확보를 위한 통합 열 관리 전략