BMS는 Battery Management System의 약어로 말그대로 배터리를 관리하는 시스템 또는 장치라고 이해할 수 있습니다. 조금 더 자세히 풀면 배터리의 성능과 수명을 최적의 상태로 유지하기 위해 전압, 전류, 온도 정보를 모니터링하고 제어하는 전자 장치라고 할 수 있습니다.
BMS(배터리 관리 장치)는 전기자동차 또는 ESS 등 대용량 배터리를 사용하는 제품에서 주로 사용되는데 해당 포스팅은 전기자동차를 위주로 설명을 해보겠습니다.
우선, BMS를 설명하기 이전에 배터리의 셀과 모듈에 대한 개념부터 이해를 해야 합니다. 배터리 제조사마다 부르는 명칭이 조금씩 다를 수 있지만 일반적으로 배터리의 최소 단위를 셀이라 하고, 여러 개의 셀이 모여 배터리 모듈을 구성하고, 이 모듈이 모여서 팩을 구성합니다. 그림 1과 같이 배터리는 셀 -> 모듈 -> 팩 단위로 단위의 크기가 증가하는 것으로 이해할 수 있습니다.
이제 BMS를 보면 BMS는 그림 2와 같이 보드 하나로 전체 배터리를 관리하는 통합형 또는 여러 개의 보드로 분리하여 각 배터리 모듈을 관리하는 분산형으로 존재하며, 제조사에 따라 채택하는 방식이 다릅니다.
통합형은 배터리 모듈의 수가 적은 하이브리드자동차(HEV) 플랫폼에서 주로 사용되며, 단순하기 때문에 효율성이 높고 가격이 싸다는 장점이 있습니다. 분산형은 배터리 모듈의 수가 많은 전기 자동차(EV) 플랫폼에서 사용되며, 상대적으로 가격이 비싸지만 여러 개의 모듈을 효율적으로 관리할 수 있는 장점이 있습니다.
앞서 배터리는 전압과 전류, 온도 정보를 모니터링 한다고 설명하였는데 각 행위들이 어떻게 이뤄지는지 알아 봅시다. 그림 3에서 배터리 모듈은 8개의 셀로 구성된다고 가정할 때, 전압을 어떻게 모니터링할 수 있을까요?
BMS 보드(통합형인 경우) 또는 Monitoring Unit의 각 보드(분산형일 경우)에 BMIC(Battery Mornitoring IC) 라고 부르는 배터리의 전압을 측정하는 IC가 존재합니다.(CMIC(Cell Mmonitoring IC) 라고 부르기도 합니다) 해당 IC는 배터리 셀의 각 노드와 연결하여 각 셀 전압 값 Cn-Cn-1을 ADC를 사용하여 측정합니다. 예를들어, Cell 1의 전압 값은 C1-C0이므로 이 차분값을 그림 4와 같이 BMIC 내부의 ADC를 사용하여 측정 후 BMIC와 MCU간의 통신을 통해 전달 됩니다. ADC를 통해 차분 값 VADC1 부터 VADC8까지 획득할 수 있고, 이 전압 값이 결국 각 셀 전압 값이 됩니다.
이제 전류를 측정하는 방법을 살펴 봅시다. 그림 3에서 최상단 셀 또는 최하단 셀에 전류 센서가 추가 됩니다. 제조사마다 시스템의 복잡성이 다르기 때문에 전류 센서가 배치되는 위치가 다를 수 있고, 최상단과 최하단 두 곳 모두에서 측정하는 경우도 있습니다. 그림 5와 같이 전류 센서를 통해 센싱된 전류 값을 BMS 내부 전류 센싱 회로를 통해 측정하고 MCU로 전달합니다.
전류 센서는 Hall effect 또는 Shunt 두 가지 타입으로 구분되며, 이 역시 제조사의 요구사양에 따라 둘 중 하나만 사용하는 곳도 있고, 두 가지 모두를 사용하기도 합니다. Hall 타입이냐 Shunt 타입이냐에 따라 전류 센싱 회로는 달라지며, 일반적으로 데이터시트에서 레코맨드하는 회로 토폴로지를 따르면 됩니다. 두 타입 모두 온도 센서를 통해 출력된 전압 값을 측정하기 때문에 센싱 회로는 전압을 검출하기 위한 증폭기와 ADC로 구성되며 심플합니다.
Shunt 타입을 예로들어 설명하면 그림 6과 같이 Shunt resistor의 양단의 전위차를 검출용 증폭기를 사용하여 증폭한 후, ADC를 통해 검출하게 됩니다.
마지막으로 온도를 센싱하는 방법에 대해 알아 봅시다. 배터리 모듈은 배터리 셀 외에도 배터리 모듈 내부의 온도를 측정하기 위해 곳곳에 온도 센서를 배치합니다. 온도 센서의 개수 역시 제조사마다 다르고 2개가 될 수도 4개가 될 수도 있습니다. 그림 7에서 배터리 모듈 내 온도 센서가 2개가 배치되어 있고 온도 센싱 회로를 통해 배터리 모듈 내부 온도를 측정할 수 있습니다. 온도 센서는 보통 NTC 타입의 일반적인 온도 센서가 사용되므로 온도 센싱 회로도 굉장히 심플하게 구성됩니다.
이렇게 BMS의 가장 기본적인 전압, 전류, 온도를 센싱하는 방법에 대해 알아 보았습니다. 모니터링한 전압 값을 활용하여 셀별 충전상태를 파악하거나 각 셀의 전압 값을 맞춰주기 위한 셀 밸런싱 제어를 하기도 하고, 전류 센싱을 통해 과전류가 흐르지 않는지 확인할 수도 있습니다. 사용한 전력, 충전횟수를 체크하여 배터리의 수명이 얼마 남았는지 예측하기 하고, 내부 온도 상태를 점검하여 안전성을 체크하기도 합니다. 이처럼 BMS는 세 가지 측정 값을 활용하여 배터리 셀의 충전 상태(SoC), 수명(SoH)과 같은 중요한 정보를 파악하고 관리함으로써 배터리의 안전성과 신뢰성을 높이는 역할을 수행합니다.
이 밖에도 BMS는 배터리 시스템의 안전성을 향상시키기 위한 여러가지 임무를 수행합니다. 배터리 전원을 차단하는 릴레이(또는 컨택터)를 제어하거나 절연 저항을 측정하며, 충돌을 감지하고 인버터와 연결되는 고전압부를 측정하는 등 신뢰성을 올리기 위해 굉장히 다양한 일을 합니다. BMS의 역할을 정리해보면 최종적으로 그림 7과 같은 블록도를 그릴 수 있습니다.
관련하여 앞으로 하나씩 하나씩 포스팅 해보기로 하겠습니다!
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