BMS의 정의와 종류에 대하여 알아보자

안녕하세요 이번 시간에는 BMS(Battery Mansgement System)에 대하여 설명 드리도록 하겠습니다.


1. BMS(배터리 관리 시스템)이란 무엇인가?

BMS는 2차전지의 충,방전 사용 관리와 배터리의 상태를 실시간으로 감지 분석하여 대응 제어 할 수 있는 시스템을 말합니다. 이로 인해 배터리의 수명을 연장하고, 사용자가 좀 더 안전하게 배터리를 사용할 수 있도록 하는 것 입니다.


2. BMS의 기능

BMS의 주된 기능은 배터리 보호 기능을 하는 ‘PCM’의 기능을 기본으로 하면서 ‘셀 밸런싱’ 기능이 추가되고, User가 이를 모니터링 할 수 있는 하나의 Unit이 아닌 ‘System’ 입니다.

보통 PCM을 BMS라고 부르기도 하지만 엄밀히 따지면 더 중요하고 복잡한 기능들이 추가 되어있는 것이 BMS라고 불리어집니다.

PCM 썸네일[PCM이란?]

PCM BMS

BMS의 목적이 배터리를 안전하고 오래 사용하기 위한 System인 만큼 가장 중요하게 작동 되어야 할 부분이 바로 ‘SOC’ 관리와 ‘셀 밸런싱’ 입니다. 사용되는 셀의 특성에 맞게 충전과 방전이 이루어져야 하고 모듈 또는 팩으로 구성되어있는 셀 들은 충,방전 시 동일한 전류가 흐르지 않기 때문에 충전중 셀 밸런싱이 꼭 이루어져야 합니다.

  1. SoC, SoH 데이터 계산 – 충전과 방전이 이루어지면서 다양한 방법으로 실시간 용량을 계산하고 주기별 초기화를 진행하면서 데이터의 정확도를 높입니다. BMS 개발사마다 동작 알고리즘의 차이에 있어 정교함이 결정됩니다.
  2. 셀 밸런싱 – 배터리 충전중 이루어지게 되며 아직 까지 이론적으로 완벽히 이상적인 방식은 찾아지지 않았습니다. 하지만 가장 많이 사용되는 방식은 저항을 이용하여 주변 셀 들 보다 많이 충전되어 있는 셀을 강제 방전 시키는 방식 입니다. [셀 밸런싱 더 알아보기]

3. BMS의 종류

배터리의 사용 용도에 따라 BMS의 생김새도 여러가지가 있습니다. 빠른 반응 속도와, 작은 부피가 가능한 ‘FET 스위칭’ 방식과 고전압 고용량에 사용되는 ‘릴레이’ 방식이 있습니다.

1. FET 스위칭 방식

‘자동차 시동 배터리’ 혹은 ‘충전식 공구나 가전기기’ 속에도 배터리의 수명을 위해 간단한 BMS들이 많이 내장 되어있습니다. 고전압을 요구하지 않고, 컴팩트한 사이즈 제작이 가능해 시중에서도 다양한 사이즈로 판매가 되고 있습니다.

Protect BMS 사진

‘Protect IC’를 통해 각 셀의 전압 값을 취득하고 과전압, 과전압, 과전류, 저전압 등을 감지하여 FET를 스위칭하게 됩니다.

셀의 종류와 직렬 연결 된 셀의 갯수(전압), 충방전 용량(전류) 등을 고려하여 사용자가 필요에 맞는 BMS를 선정하여 제품에 적용이 가능합니다. 대표적으로 TI사의 bq시리즈가 많이 사용되고 있고, 당사에서 만든 소프트웨어 툴을 통해 여러 조건등을 수정하여 사용이 가능하도록 되어있기도 합니다.

2. 릴레이 방식

전기 자동차나, 꽤 높은 전력이 필요한 산업용 배터리팩에 많이 쓰이는 방식으로, 큰 전력을 필요로하는 ESS에 적용이 되는 방식입니다.

Slave PCB 분석
[E사의 Slave BMS 모습]

시스템 동작을 위해 필요한 셀의 갯수가 많아지고 시스템에 적용되어 있는 모든 셀은 항상 데이터를 취득 되어야 해야하기 때문에 ‘Cell Stack Monitor IC’를 통해 모든 셀과 연결되고 필요시 전압값 취득을 위한 n개의 ‘Slave BMS’와 총괄 제어를 담당하는 하나의 ‘Master BMS’를 두어 서로 통신하며 ESS를 관리가 되기도 합니다.

위 사진은 중국E사 의 배터리 팩을 분해하여 열어 본 Slave BMS의 모습입니다. ‘Linear사’의 Cell stack monitor IC인 LTC시리즈 5개가 적용되어 있었습니다. 본 버전은 오래 전 구형 버전이지만 아직까지 문제 없이 쓰이는 모습이었습니다.

적용되어 있는 Stack monitor IC는 하나 당 12개의 셀 값이 취득 가능하고 위 PCB는 한 장 당 최고 60개의 Cell 전앖 값을 취득 할 수 있었습니다. 만약 사용하고자 하는 시스템의 총 셀 개수가 300개라면 5장의 Slave BMS가 필요하고 한 장의 Master BMS가 제어를 담당하게 되는 것 입니다.

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