2차전지(BMS)

모든 공정을 끝내 나온 배터리팩에는 수많은 셀이 들어가 있기 때문에 셀 간의 밸런싱이 중요하다.

이때 BMS(Battery Management System)을 통해 배터리 상태를 모니터링 하고 성능을 관리한다.

위 BMS시스템으로 배터리를 관리하면 에너지 효율을 높이고 수명을 연장해준다. 위 시스템은 배터리의 전압, 전류뿐만 아니라 온도를 실시간으로 모니터링하여 과도한 충전 또는 방전을 미연에 방지할 수 있다. 이를 통해 배터리의 안전성과 신뢰성을 높일 수 있다.

 

등장배경

 - 배터리관리시스템(BMS)는 전기자동차 산업에 적용되면서 그 중요성이 높아지고 있다. 왜냐하면 이 시스템이 전기자동차에 있어서 가장 중요한 주행거리 증가를 위한 핵심 요소이기 때문이다. 위에서 말한대로 배터리의 충방전율, 온도변화 등으로 내부저항에 변화가 생기기 시작하면 배터리 효율과 수명에 영향을 미치기 때문이다. 그래서 이 배터리의 성능을 유지하기위해 배터리의 상태 모니터링 및 관리시스템의 필요성이 대두되었다.

 

구성

 - BMS는 배터리모듈과 합쳐저 배터리팩이 된다. 전기자동차의 일반적인 배터리는 셀, 모듈, 팩으로 구성된다. 셀을 여러개 묶어서 모듈을 만들고, 모듈을 여러 개 묶어서 팩으로 만드는 것이다. 

   * 셀: 전기에너지 충,방전해 사용할 수 있는 배터리의 기본 단위이다. / 모듈: 셀을 외부충격과 열, 진동 등으로 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체. / 팩 : 배터리 시스템의 최종 형태로, 모듈+배터리관리시스템,냉각시스템 등 각동 제어 및 보호 시스템을 장착하여 완성된다. 

  - BMS는 배터리관리시스템, 자동차 전자제어장치(ECU) 본체와 셀 모듈로 구성되어 있다. 이 부품들은 절연형 can을 통해 서로 접속되어 있으며 각 셀 모듈은 셀 스택(Cell Stack)에 접속되어 있다. BMS의 소프트웨어에는 전압, 전류, 온도 등을 계측하며 SOC(충전량 계산), SOH(수명예측), 셀 밸런싱 알고리즘, 온도 관리, 배터리 진단, 방호 알고리즘, 차량 내 통신 등이 있다. 하드웨어적 구성에는 각종 모듈들 및 CPU가 있다.

분야	세부 제품 및기술
하드웨어	- VITM (전압, 전류, 온도 계측) 모듈 - 셀 밸런싱 모듈 - 방호 (회로차단기, 퓨즈, 리플레이, 접촉기, FET 등) 모듈 - 마이크로프로세서 (Micro Processor)
소프트웨어	- 전압, 전류, 온도 등을 계측하는 계측 알고리즘 (Measuring algorithm for voltage, current and temperature) - 충전량 계산 (SOC : Stage of Charge calculation - 수명 예측 (SOH : Stage of Health estimation) - 충전/방전 출력 예측 (Charge/Discharge Power estimation) - 셀 밸런싱 알고리즘 (Cell Balancing algorithm) - 온도 관리 (Thermal Management) - 진단 알고리즘(Diagnostic algorithm)/방호 알고리즘(Protection algorithm) - 차량 내 통신(Communication with vehicle)

 출처: 해시넷

  - 배터리관리시스템에서 중요한 것은 통신과 제어이다. 배터리셀은 복잡한 알고리즘에 의해 관리되고 있다. 시스템의 안전성과 신뢰성은 위 네트워크를 어떻게 하면 고전압 측정회로로부터 확실하게 절연하느냐에 달려있다. 위 절연에는 광 커플러를 사용하며 이 광 커플러는 노이즈에 강한 내성이 있어서 기본적인 EMC나 EMI 문제가 발생하지 않는다. 다층구조의 절연을 하였기 때문에 배터리팩으로부터 직류 전압 스트레스에 장시간 노출되어도 문제가 없다.

   - BMS 입력신호 : 주 회로의 전류센서와 전압센서에 의해 측정된 주 전류 및 전압, 온도 센서가 측정한 셀의 온도, 배터리 외부 온도 및 배터리 냉매 입구와 출구 온도, 가속 페달과 브레이크 페달 센서가 측정한 아날로그 신호, 시동 스위치 및 충전 허용 또는 금지 스위치에서 전달 된 디지털 신호 등 있다.

   - BMS 출력신호 : 팬과 전기히터와 같은 열관리 모듈을 통해 냉각 및 가열 제어, 축전기, 스위치, 저항과 같은 밸런스 모듈 가동을 통한 배터리 평형 유지, 회로 접점, 모듈 접점의 작동을 통해 배터리 전압 안전부분 유지 관리등이 있다.

 BMS 기능

  - 전기자동차의 BMS는 배터리에 전기에너지를 저장 및 방전하고 차량의 동력원으로 사용될 수 있도록 하며, 브레이크를 통한 제동 시 발생하는 에너지를 전기에너지로 변환해서 저장한다. 또한, 배터리 정보를 실시간으로 관리하고 통제하여 배터리의 최적 동작환경을 조성하는 것이다. 배터리관리시스템의 핵심기능은 전압 측정, 배터리 상택 예측, 배터리 균일성 및 동등화방법, 결함 진단으로 나눌 수 있다.

  배터리 셀 전압 측정

    - 배터리팩은 셀들이 직렬로 연결되어 있기 때문에 전압측정 방법에 따라 누적 전압이 달라지기 때문에 이를 제거하거난 보상하는 거의 불가능해서 회로 측정 설계가 어렵다. 그렇기에 전압측정을 정밀하게 하려면 각각의 셀 전압을 정확히 측정해야하는 어려움이 있다.

  배터리 상태예측

    - 배터리는 SOC(충전상태), SOH(건강상태), SOF(기능상태)와 이들 사이의 상관관계를 의미한다. 배터리 잔존수명은 예상수명과 결함진단 출력에 의해 결정되며, 기능상태는 충전상태의범위, 온도범위 및 결함 수준을 고려하여 결정된다.

     - SOC 알고리즘 : 표준상태에서 충전할 경우 , 배터리에 남아있는 충전량의 비율 / 총 충전량. 충전상태는 퍼센트(%)로 표시한다. 100%는 최대 충전 상태이고 0%는 최대 방전 상태를 의미. 한 개의 베터리 셀에 대해서는 이 정의대로 명확하다. 하지만 배터리 모듈이나 팩의 경우에는 복잡해진다. 셀을 병렬로 연결한 경우에흔 하나의 큰 용량 셀로 간주하면 된다. 하지만, 직렬로 연결한 경우에는 각 셀의 상태와 용량을 균일하게 유지해주는 평형장치를 추가로 고려하여야한다. 배터리의 충전상태를 예측하는 방법은, 방전 시험방법, 암페어-시간 적분법, 개방 회로 전압 방법, 신경 네트워크 모델, 퍼지논리, 배터리 성능에 기반을 둔 충전상태 예측방법등이 있다.

       - SOH 알고리즘 : 배터리의 이상적인 상태를 기준으로 배터리의 현재 상태를 비교하여 퍼센트로 나타넨다. 이는 용량과 초기 저항에 의해 도출되거나, AC 임피던스, 자기 방전율 및 출력밀도에 의해 도출 가능하다. 내구성모델 기반 개방루프 예측, 배터리모델 기반 변수식별 폐쇄 루프 예측방법 등이 있다.

        - SOF 알고리즘 : 현재 배터리가 새로운 배터리와 얼마나 다른지를 알려주는 기능이며, 배터리를 사용하는 도중에 배터리 성능이 실제 요구조건에 얼마나 부합되는지 나타낸다. SOF는 SOC, SOH, 온도 충방전이력에 의해 결정된다. 에너지 저장에 사용할 경우는 잔류 가용 에너지/최대 에너지 로 정의하고, 전력 공급이 요구되는 시스템에서는 전력 수요를 만족할 수 있는지를 1 또는 0으로 표현한다.

  배터리 균일성 및 동등화

   - 배터리팩은 같은 사양으로 생산하지만 각 셀의 특성이 서로 다르기 때문에 균일성이 중요하다. 배터리 제조환경이 열악하거나 수동 생산할 경우 셀 간의 특성에 차이가 생기게 된다. 그렇기에 배터리의 불균일성을 보상하기 위해 동등화 작업이 필요하며, 화학적 동등화 방법과 물리적 동등화 방법을 사용한다. 이 동등화 알고리즘은 전압 균일성에 기반을 둔 동등화 전략, SOC균일성에 기반을 둔 동등화 전략 및 잔류용량 균일성에 기반을 둔 동등화 전략으로 나눌 수 있다.

  배터리 결함 진단

   - 위 진단은 배터리의 안전을 보장하는 데 필요한 기술이다. 자동차용 BMS는 배터리 건전성이 훼손되었을 때 이를 사전에 경고하고, 배터리 성능이 약화된 정보를 제공하는 등 배터리 결함진단 기능을 가져야한다고 규정하였다. 현재 결함 진단 기술은 대상기기의 작동 원리를 바탕으로 컴퓨터 네트워크, DB, 제어, 인공지능(AI)등 여러 기술과 접목하고, 변수 및 상태 예측, 경험적 예측등을 동원하여 발전시키고 있다. 

 

적용분야

  - 아까 말한건 전기자동차에 들어가는 배터리관리시스템(BMS)이지만 이 적용분야는 자동차뿐만 아니라 ESS, 텔레콤 시장, 항공우주, 휴대용 전자기기등을 포함한다. 하지만 전기자동차와 ESS에 가장 고성능 BMS가 사용되는 분야이다.