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배터리 관리 시스템

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목차

1. 개요

배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리의 안전하고 효율적인 작동을 위해 설계된 전자 시스템이다. BMS는 배터리 셀의 상태를 모니터링하고, 비상 시 배터리를 분리하며, 셀 간의 불균형을 조정하는 등의 기능을 수행한다. 또한, 배터리의 충전 및 상태 정보를 제공하고, 차량 주행 모드에 따라 배터리 성능을 조절한다. BMS는 모니터링, 계산, 통신, 보호, 부하 회로 연결, 밸런싱 등의 기능을 수행하며, 중앙 집중형, 분산형, 모듈형의 세 가지 토폴로지로 나뉜다.

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배터리 관리 시스템
개요
배터리 관리 시스템 블록 다이어그램
배터리 관리 시스템의 블록 다이어그램
유형전자 시스템
목적충전식 배터리 관리
기능
주요 기능배터리 셀 모니터링
배터리 보호
배터리 충전 제어
배터리 잔량 상태 추정
배터리 건전성 상태 추정
데이터 로깅
인증
통신
열 관리
추가 정보
관련 기술전압 모니터링
온도 모니터링
전류 측정
셀 밸런싱
통신 인터페이스 (CAN, SMBus, I²C)
알고리즘 (SOC, SOH 추정)

2. BMS의 주요 기능

BMS(배터리 관리 시스템)는 배터리의 성능과 수명을 최적화하고 안전하게 유지하기 위해 다음과 같은 다양한 기능을 수행한다.


  • 배터리 셀 각각의 상태를 제어한다.
  • 필요할 때 배터리를 분리하여 보호한다.
  • 배터리 셀 간의 불균형을 조정한다.[1]
  • 배터리 충전 및 상태 정보를 제공한다.[4]
  • 운전자에게 필요한 정보를 표시하고 경고한다.
  • 배터리 사용 범위를 예측하여 주행 가능 거리 등을 알려준다.
  • 최적의 충전 알고리즘을 제공하고, 개별 셀 충전을 지원한다.
  • 차량 주행 모드(가속, 제동, 공회전, 전기차/하이브리드 모드)에 맞춰 배터리 성능을 조절한다.


BMS는 셀 간 균형을 맞추기 위해 다음과 같은 방법을 사용한다.[1][10]

  • 가장 많이 충전된 셀의 에너지를 소모시킨다. (수동 레귤레이터 등을 이용)
  • 가장 많이 충전된 셀의 에너지를 덜 충전된 셀로 보낸다. (밸런서)
  • 충전 전류를 줄여 덜 충전된 셀을 계속 충전한다. (리튬 배터리에는 해당 없음)


일부 충전기는 각 셀을 독립적으로 충전하여 균형을 맞추기도 한다. 이는 전기 자전거나 호버보드 충전기처럼 BMS가 담당하며, 충전기는 전체적인 충전 전류만 제공하고 개별 셀과는 상호작용하지 않는다. 이때 BMS는 낮은 충전 전류를 요청하거나, 트랜지스터 회로를 사용해 충전 입력을 차단하여 균형을 잡는 동안 셀이 과충전되는 것을 막는다.

2. 1. 모니터링

BMS는 다음과 같은 다양한 항목으로 표현되는 배터리의 상태를 모니터링한다.

  • 전압: 총 전압, 개별 셀의 전압
  • 온도: 평균 온도, 냉각수 흡입 온도, 냉각수 배출 온도 또는 개별 셀의 온도
  • 냉각수 흐름: 액체 냉각 배터리의 경우
  • 전류: 배터리 안팎의 전류
  • 개별 셀의 상태
  • 셀의 균형 상태

2. 2. 에너지 회수 (전기차 시스템)

BMS는 회생 제동과 같이 회수된 에너지를 배터리 팩(일반적으로 여러 개의 배터리 모듈로 구성되며, 각 모듈은 여러 개의 셀로 구성됨)으로 되돌려 보내 배터리 충전을 제어한다.

2. 3. 계산

배터리 관리 시스템(BMS)은 다음과 같은 값들을 계산할 수 있다.[1][4]

  • 전압: 최소 및 최대 셀 전압
  • 충전 상태 (SoC) 또는 방전 깊이 (DoD): 배터리의 충전 수준
  • 건강 상태 (SoH): 배터리의 남은 용량을 원래 용량의 백분율로 나타낸 값
  • 출력 상태 (SoP): 특정 시간 동안 사용 가능한 전력량 (현재 전력 사용량, 온도 등 고려)
  • 안전 상태 (SOS)
  • 최대 충전 전류 제한 (CCL)
  • 최대 방전 전류 제한 (DCL)
  • 마지막 충전 또는 충전 주기 이후 전달된 에너지
  • 셀의 내부 임피던스 (개방 회로 전압 결정)
  • 전달 또는 저장된 충전 (''쿨롱 계수''라고도 함)
  • 최초 사용 이후 총 작동 시간
  • 총 사이클 수
  • 온도 모니터링
  • 공기 또는 액체 냉각 배터리의 냉각수 흐름

2. 4. 통신

배터리 관리 시스템(BMS)의 중앙 제어기는 셀 수준에서 작동하는 하드웨어와 내부적으로 통신하거나, HMI 또는 노트북과 같은 상위 수준의 하드웨어와 외부적으로 통신한다.

상위 수준의 외부 통신은 간단하며 다음과 같은 여러 가지 방법을 사용한다.

저전압 중앙 집중형 BMS는 대부분 내부 통신이 없다.

분산형 또는 모듈형 BMS는 일부 저수준 내부 셀-컨트롤러(모듈형 아키텍처) 또는 컨트롤러-컨트롤러(분산형 아키텍처) 통신을 사용해야 한다. 이러한 유형의 통신은 특히 고전압 시스템의 경우 어렵다. 문제는 셀 간의 전압 변화이다. 첫 번째 셀 접지 신호는 다른 셀 접지 신호보다 수백 볼트 더 높을 수 있다. 소프트웨어 프로토콜 외에도 전압 변화 시스템을 위한 하드웨어 통신 방법으로 광학 절연체와 무선 통신의 두 가지가 알려져 있다. 내부 통신의 또 다른 제한 사항은 최대 셀 수이다. 모듈형 아키텍처의 경우 대부분의 하드웨어는 최대 255개의 노드로 제한된다. 고전압 시스템의 경우 모든 셀의 탐색 시간은 또 다른 제약 조건으로, 최소 버스 속도를 제한하고 일부 하드웨어 옵션을 잃게 된다. 모듈형 시스템의 비용은 셀 가격과 비교될 수 있기 때문에 중요하다. 하드웨어 및 소프트웨어 제한의 조합으로 인해 내부 통신에 대한 몇 가지 옵션이 나온다.

  • 절연 직렬 통신
  • 무선 직렬 통신


전류로 인한 열로 인해 기존 USB 케이블의 전력 제한을 우회하기 위해 승압된 전압을 협상하기 위해 휴대폰 충전기에 구현된 통신 프로토콜이 개발되었으며, 가장 널리 사용되는 것은 퀄컴 퀵 차지 및 미디어텍 펌프 익스프레스이다. Oppo의 "VOOC"( "OnePlus" 와 함께 "대시 차지"로도 브랜드화됨)는 내부적으로 승압된 전압을 배터리 단자 충전 전압으로 변환하는 과정에서 장치에서 발생하는 열을 줄이기 위해 전압 대신 전류를 증가시키지만, 이로 인해 기존 USB 케이블과 호환되지 않으며, 이에 따라 더 두꺼운 구리선을 사용하는 특수 고전류 USB 케이블에 의존한다. 최근에는 USB 전력 공급 표준이 최대 240와트의 장치 간의 범용 협상 프로토콜을 목표로 한다.

2. 5. 보호

배터리 관리 시스템(BMS)은 안전 작동 영역 밖에서 작동하지 않도록 하여 배터리를 보호한다:[1][10]

BMS 메인 컨트롤러

  • 과충전
  • 과방전
  • 충전 중 과전류
  • 방전 중 과전류
  • 충전 중 과전압 (특히 납축전지, 리튬 이온 배터리, LiFePO4 셀에 중요)
  • 방전 중 저전압 (특히 리튬 이온 및 LiFePO4 셀에 중요)
  • 과열
  • 저온
  • 과압 (NiMH 배터리)
  • 접지 불량 또는 누설 전류 감지 (고전압 배터리가 차량 차체와 같이 사용 가능한 전도성 물체와 전기적으로 분리되었는지 시스템에서 모니터링)


BMS는 다음을 통해 배터리의 안전 작동 영역 밖에서 작동을 방지한다.

  • 배터리가 안전 작동 영역 밖에서 작동하는 경우 열리는 내부 스위치 (예: 릴레이 또는 MOSFET) 포함
  • 장치에 배터리 사용 또는 충전을 줄이거나 중단하도록 요청
  • 히터, 팬, 에어컨 또는 액체 냉각과 같은 환경을 적극적으로 제어
  • 열을 줄이기 위해 프로세서 속도를 줄임

2. 6. 부하 회로 연결

BMS는 배터리를 다양한 부하에 안전하게 연결하고 부하 커패시터로의 과도한 돌입 전류를 제거할 수 있는 예비 충전 시스템을 갖출 수도 있다.

부하와의 연결은 일반적으로 접촉기라고 하는 전자기 계전기를 통해 제어된다. 예비 충전 회로는 커패시터가 충전될 때까지 부하와 직렬로 연결된 전력 저항기일 수 있다. 또는 부하에 병렬로 연결된 스위치 모드 전원 공급 장치를 사용하여 부하 회로의 전압을 배터리와 부하 회로 사이의 접촉기를 닫을 수 있을 정도로 배터리 전압에 가깝게 충전할 수 있다. BMS는 예비 충전하기 전에 (예: 용접으로 인해) 릴레이가 이미 닫혔는지 확인하여 돌입 전류가 발생하는 것을 방지하는 회로를 가질 수 있다.

2. 7. 밸런싱 (셀 균형)

분산형 배터리 관리 시스템
배터리 용량을 극대화하고, 국부적인 과충전 또는 과방전을 방지하기 위해, 배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리를 구성하는 모든 셀이 동일한 전압 또는 충전 상태를 유지하도록 밸런싱을 통해 적극적으로 관리할 수 있다. BMS는 다음과 같은 방법으로 셀의 밸런싱을 수행할 수 있다.

  • 가장 충전된 셀에서 에너지를 부하 (수동 레귤레이터 등을 통해)에 연결하여 소모시킴
  • 가장 충전된 셀에서 가장 덜 충전된 셀로 에너지를 셔플링(밸런서)
  • 덜 충전된 셀이 계속 충전될 수 있도록, 완전히 충전된 셀을 손상시키지 않을 정도로 낮은 수준으로 충전 전류를 감소시킴 (리튬 화학 배터리 셀에는 적용되지 않음)


일부 충전기는 각 셀을 독립적으로 충전하여 밸런싱을 수행한다. 이는 종종 BMS에 의해 수행되며, 충전기 자체는 (일반적으로 일괄 충전 전류만 제공하며, 셀 그룹 수준에서 팩과 상호 작용하지 않음), 예를 들어 전기 자전거 및 호버보드 충전기가 이에 해당한다. 이 방법에서 BMS는 더 낮은 충전 전류를 요청하거나 (예: 전기 자동차 배터리), 트랜지스터 회로를 사용하여 충전 입력을 차단하여 (휴대용 전자 제품에서 일반적) 밸런싱이 진행되는 동안 셀의 과충전을 방지한다.

3. BMS 토폴로지 (구조)

BMS 기술은 복잡성과 성능 면에서 다양하다.


  • 단순한 수동형 레귤레이터는 셀의 전압이 특정 수준에 도달하면 충전 전류를 우회하여 배터리 또는 셀 간의 밸런싱을 수행한다. 셀 전압은 셀의 SoC(그리고 LiFePO와 같은 특정 리튬 화학 물질의 경우 전혀 지표가 되지 않음)의 부실한 지표이므로, 수동형 레귤레이터를 사용하여 셀 전압을 같게 하는 것은 BMS의 목표인 SoC 밸런싱을 맞추지 못한다. 따라서 이러한 장치는 분명히 유용하지만, 효과성에 심각한 제한이 있다.
  • 능동형 레귤레이터는 적절한 시점에 부하를 지능적으로 켜고 끕니다. 마찬가지로 밸런싱을 달성하기 위한 것이다. 능동형 레귤레이터를 활성화하는 매개변수로 셀 전압만 사용하면 수동형 레귤레이터에 대해 위에서 언급한 것과 동일한 제약이 적용된다.
  • 완전한 BMS는 또한 배터리의 상태를 디스플레이에 보고하고 배터리를 보호한다.


BMS 토폴로지는 세 가지 범주로 나뉜다.

  • 중앙 집중형: 단일 컨트롤러가 여러 개의 전선을 통해 배터리 셀에 연결된다.
  • 분산형: BMS 보드가 각 셀에 설치되어 있으며 배터리와 컨트롤러 사이에 단일 통신 케이블만 있다.
  • 모듈형: 각 컨트롤러가 특정 수의 셀을 처리하는 몇 개의 컨트롤러가 있으며, 컨트롤러 간의 통신이 있다.


중앙 집중형 BMS는 가장 경제적이고 확장성이 가장 낮으며, 많은 수의 전선으로 인해 문제가 발생한다. 분산형 BMS는 가장 비싸고 설치가 가장 간단하며, 가장 깔끔한 조립을 제공한다. 모듈형 BMS는 다른 두 가지 토폴로지의 특징과 문제점을 절충한 형태를 제공한다.

참조

[1] 논문 Battery management strategies: An essential review for battery state of health monitoring techniques https://www.scienced[...] 2022-07-01
[2] 서적 Battery Power Management for Portable Devices https://books.google[...] Artech House 2013-05
[3] 웹사이트 PCM vs BMS, a dilemma for product designers https://bmspowersafe[...] 2016-06-01
[4] 논문 VLSI design and FPGA implementation of state-of-charge and state-of-health estimation for electric vehicle battery management systems https://www.scienced[...] 2023-12-01
[5] 논문 Thermal issues about Li-ion batteries and recent progress in battery thermal management systems: A review 2017-10
[6] 논문 Comparison of different cooling methods for lithium ion battery cells 2016-02
[7] 웹사이트 Kapper ledninger for å gi lengre rekkevidde til elbiler http://www.tu.no/art[...] 2016-11-19
[8] 웹사이트 Different Battery Management System Topology http://lianinno.com/[...]
[9] 웹사이트 Qualcomm Quick Charge vs OnePlus Warp Charge vs Oppo VOOC vs USB-PD – Battle of the fast charging technologies https://techpp.com/2[...] 2020-04-09
[10] 논문 Modular design and validation for battery management systems based on dual-concentration architectures https://www.scienced[...] 2022-09-01


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