배터리 열화 : 열화 관리 기술(BMS)

BMS : 배터리 관리 시스템

BMS는 배터리의 최상 컨디션을 만들어주는 시스템

안녕하세요! WAB입니다.
오늘은 배터리의 열화(성능 저하)를 관리하는 기술인 Battery management system(BMS)에 관해서 살펴보겠습니다.

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배터리 열화를 관리/억제하는 기술 : BMS

일반적으로 DC 충전 시, 동일한 W(와트)로 계속 충전하는 것이 아니라, 열화 억제를 위해 DC 충전 profile을 적당히 조절하는 기술이 있습니다. 하지만 이 보다 더 확실한 방법이 바로 BMS로 배터리를 컨트롤하는 것입니다.
BMS는 Battery Management System이라는 뜻입니다. 배터리를 관리하는 시스템이다!

BMS 기술 영역

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Battery management system(BMS) 란?

이렇듯, BMS는 배터리 팩의 성능과 안전성을 모니터링하기 위해 사용되는데, 배터리 팩에 있는 각 셀의 온도, 전압, 상태(SOH), 충전 상태(SOC)를 모니터링을 할 수 있습니다.
더욱이 과충전, 과방전, 단락, 열폭주 등 배터리에 심각한 악영향을 끼치는 현상에 대한 보호 기능도 수행할 수도 있죠.

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BMS 필요성

1. 안전
   - BMS의 가장 큰 역할은 앞서 말한 것처럼 배터리의 안전이 최우선입니다.
   - BMS는 작동 상황을 지속적으로 모니터링하고 배터리를 차단하거나 충방전 속도를 변경하여 심각한 결과가 일어나기 전에 방지하는 역할을 합니다.
2. 신뢰성과 수명
   - BMS를 사용하면 배터리의 수명과 신뢰성을 크게 향상할 수 있습니다.
   - 방전으로부터 보호하고 충전 주기를 제어하여 시간이 지남에 따라 용량 손실과 성능 저하를 줄여 배터리의 사용 수명을 연장시킬 수 있죠.
3. 비용
   - BMS를 설치하면 배터리 시스템의 초기 비용이 증가할 수 있지만 시간이 지남에 따라 비용을 절감할 수 있습니다. 왜냐하면 BMS는 배터리 수명을 연장하고 배터리 고장 위험을 낮춤으로써 배터리 교체 및 유지 관리 빈도를 낮출 수 있기 때문이죠.
   - 치명적인 고장을 방지함으로써 다른 구성 요소에 대한 피해와 사고와 관련된 책임을 피할 수도 있습니다.
4. 특정 애플리케이션에 대한 장단점 최적화
   - 에너지 저장, 전력 공급, 안전 및 수명에 대한 요구 사항은 애플리케이션에 따라 다른데, 예를 들어, 태양광 패널용 에너지 저장 시스템은 용량이 중요한 반면, 전기차는 높은 전력 출력이 필요합니다.
   - 설계에 따라 BMS는 충전, 방전 및 작동 상황을 지능적으로 제어하여 특정 사용 용도에 필요한 대로 고전력, 에너지 저장 능력 극대화, 안전 보장, 배터리 수명 연장의 균형점을 조절할 수도 있죠.

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BMS 기술

1. 모니터링
   - 전압, 전류, 온도, SOC 등 중요한 변수를 지속적인 모니터링을 통해, 배터 리 팩의 각 셀이 설계한 범위 내에서 작동하는지 확인하는 파트입니다.
   - 수집한 데이터를 배터리 팩의 향후 성능과 상태를 예측하는데 활용할 수 있죠.
2. 보호
   - 과충전, 과방전, 과전류, 단락, 과열 등의 시나리오가 발생하면 보호 조치를 취할 수 있도록 설계합니다.
   - 예를 들어, 셀 전체의 전압이 특정 임계값을 초과하여 과충전을 나타내는 경우 BMS는 충전 회로를 분리하거나 전류를 전환하여 특정 셀의 추가 충전(과충전)을 중단시킬 수 있습니다.
3. 밸런싱
   - 배터리의 밸런싱은 배터리 팩 내의 모든 셀 간 충전상태(SOC)를 균일하게 맞추는 작업입니다. 직렬 구성에서는 개별 셀 용량이나 임피던스에 약간의 차이가 있어도 시간이 지나면서 불균형이 발생할 수 있기 때문인데요,
   - 이를 통해 셀 간의 전류 강도와 온도를 동일하게 맞출 수 있게 되는 것이죠.
   - 이는 결국, 배터리 또는 배터리 팩의 용량을 최대화하고 배터리 수명을 증가시킬 수 있게 되는 것입니다.
4. 리포트
   - 문제가 생기면 이를 사용자, 관리자에게 보고하는 것도 중요하겠죠? 예를 들어, 전기차의 경우 BMS는 중앙 제어 장치와 상호 작용하여 배터리 팩 상태에 대한 데이터를 제공하고, 이를 기반으로 차량 운영에 도움을 줄 수 있습니다.

BMS 기술 역할

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BMS 통신 방식 (유선 vs 무선)

이렇듯 중요한 역할을 하는 BMS는 정확하고 신속하게 신호를 주고받는 것도 굉장히 중요한데, 통신 방식에는 크게 유선과 무선이 있습니다. 현재는 당연히(?) 무선 방식을 사용하고 있는데,
왜냐하면 연결 wire harness를 없앨 수 있기에 재료비, 공정비가 감소할 테니 무선 BMS가 전기차를 더 간결하고 효율적으로 만들 수 있어 OEM에게는 매력적이죠.
이러한 무선방식은 링크와 네트워크 간의 신뢰성 확보가 필요하며, 자동차 기능 안전성 국제 표준인 ISO26262 ASIL D 무결성 등급을 만족해야 합니다. 보안성 확보를 위해서는 암호화 가속기, 메시지 무결성 검사, 디버깅 보안과 같은 보안 기술이 필요합니다.
BMS 통신 방식 장단점 비교 (유선 VS 무선)

	유선 BMS	무선 BMS
무게	일반적 안정성 표준 전체 차량 중량 및 복잡성 증가	전체 차량 중량 및 복잡성 감소
설계 유연성 및 서비스 가능성	전체 설치 면적 증가로 유면성 감소 정비하기 더욱 어려움 케이블이 분리되는 모듈형	설치 면적이 줄어들면 유면한 설계와 차량 내 유연한 배치 가능 정비하기 더욱 쉬움
측정	전압과 전류의 시간 동기화 측정이 위아래 전체로 전파되어야 해서 판독값 사이의 지연이 발생함 지연 측정 기능으로 성능 개선 가능	무선 시스템은 자연적으로 시간 동기화 측정 가능 강화된 동기화 감지 기능 추가 가능
안정성	유선은 안정적이고 기능 안전을 충족하지만 시간이 지남에 따라 손상될 수 있음 링 아키텍처에는 이중화 케이블이 양방향으로 내장되어 있음 수리가 더 복잡할 수 있음	유지관리할 와이어 없음 설계로 혹독한 차량용 라디오 주파수 환경과 비가시선 문제를 극복해야 함
보안	밀폐되어 안전한 시스템 동신	보안 프로토콜이 부족한 설계 불량 시스템은 침해가 발생할 수 있음

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다음 시간에는..

음.. 급속충전 기술에 대해서도 한번 짚고 넘어가겠습니다 ^^
읽어주셔서 감사합니다.
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