5. Battery Management System의 5가지 조건

BMS의 requirement는 크게 5가지로 표현이 가능합니다

1. sensing & high voltage control
2. Protection
3. interface
4. performance management
5. diagnostics

BMS requirement 2: Protection

BMS의 주된 기능은 아무래도 내부의 시스템을 잘 작동시켜서 배터리 고장에 다른 결과에 대해서 탑승자나 사용자의 안전을 책임져야 합니다. 때문에 실시간 모니터링 기술과 안전에 대한 기술이 필요한데 또한 외부적으로 온도 환경이 주는 영향들에 대해서도 셀이 안전하게 운용될 수 있도록 해야 합니다.

전기 자동차 안에 들어가는 배터리는 높은 에너지와 밀도를 가진 배터리가 들어가게 됩니다. 즉 화학반응이 강렬하고 빠르게 반응한다는 것인데 에너지가 통제가 안될 때 (Short circuit, physical damage 등) 매우 재앙적인 결과를 초래합니다. short circuit 같은 상황에서는 엄청난 전류가 마이크로 초 단위의 매우 짧은 시간 동안 흐르기 때문에 보호 회로는 반드시 빠르게 알아차리고 대처해야 합니다.

구체적으로는 다음과 같은 항목으로 보호의 기능이 수행되어야 합니다.

1. Excessive current during charging & discharging
2. Short circuit
3. Over voltage and under voltage
4. High ambient temperature, overheating
5. Loss of isolation
6. Abuse

리튬 이온 전지 폭발 영상

가능하다면 fallback 즉 만일의 사태에 대비해서 protection 방법들도 고안되어야 합니다. 

해당 그래프는 시각적으로 어떠한 구간에서 Battery 관리가 시행되어야 하는지를 보여주고 있는데 하단 수평 축은 온도를 나타내며 y축 즉 수직 축은 전류의 크기를 나타내고 있습니다. 확실히 온도나 전류 한쪽이 아주 높다면 사고는 반드시 리스크가 존재하는 것을 알 수 있습니다.

• Red Zone : 셀 제조사에서 명시해둔 영역으로써 Cell이 영구적인 damage를 입는 구간이
• white Zone: 안전 margin 즉 경계 구역, 마치 DMZ라고 생각하면 될듯합니다.
• Blue : 해당 파란 선은 Resettable Fuse, Thermal Fuse와 Electronic Protection이 나타내는 선으로써 장치가 작동되는 시점이기 때문에 이것 또한 최소의 경계선이라고 생각하면 됩니다.
• Green Zone : 해당 구역은 셀의 동작 범위를 표현한 곳으로 error margin을 고려한 공간

마찬가지로 온도와 전압의 안전에 대한 영향을 그래프로 표현한 것도 있는데 수평 축은 온도가 되겠으며 수직 축은 전압이 되어서 온도와 전압의 관계를 보여주고 있습니다.

해당 그래프에서도 파란선, 즉 각각의 장치들에 의해서 보호되는 경계를 보여주고 있으며 그러나 다만 각각의 보호 장치들은 주 전류 회로에 있기 때문에 battery의 impedance를 높여서 출력 power를 감소시키는 단점이 있습니다.

Fault Detection/tolerance

보호의 다른 관점은 바로 detecting, withstanding 그리고 fault 즉 결함이 발생한 것을 바로 알아차리는 것도 중요합니다. 아니 이게 먼저 선행이 되어야 하는 게 맞습니다. 현재 최신 동향(State of Art)의 BMS는 이중 코어를 가진 프로세서들을 장착하여 아주 약간의 다른 시간 상에서 동일한 Instruction을 따라서 BMS 기능을 수행하고 각각의 상태들과 값들을 비교하고 있습니다.

Slave 쪽은 Cell에 더 가깝기 때문에 Cell의 결함이나 다른 사항들 (전압, 온도 하강/상승, redundant sensing... )을 감지하는 역할을 하는데 해당 역할은 Main processor의 개입 없이 따로 진행이 되고 있으며 만약 Slave의 심각한 fault가 일어났을 때는 pack을 반드시 master Processor와 상관없이 shut down을 시키는 역할을 수행해야 합니다.

추가적으로 더 복잡한 isolation 같은 예시의 상황들에 대해서는 소프트웨어를 이용해서 감지를 하기도 하며 이러한 기능들을 안정적으로 수행하기 위해서는 Master와 Slave 환경이 높은 EMI 면역, 즉 전자파 간섭에 대해서 Robust 해야 합니다.

추가적으로 다양한 application(차량, 모터사이클, 대형...)에 대해서 안전을 위한 기준들이 있는데 승용차 같은 경우 ISO26262:2011 즉 자동차 기능 안전성 국제 표준과 동일한 말로 자동차에 탑재되는 E/E (Electrical and/or Electronic) 시스템의 오류로 인한 사고방지를 위해 ISO에서 제정한 자동차 기능 안전 국제 규격이며 또한 프로세스 모델과 함께 요구되는 활동, 유무형의 증거물, 그리고 개발과 생산에 사용되는 방식을 정의하고 있습니다. 

ISO 26262 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

마찬가지로 Motorcycles 같은 경우 ISO/PAS 19695에서는 비슷하게 Functional Safety for Motorcycles를 다루고 있으며 대형 트럭은 over 3500 kg ( ex Ford F250, 350, Chevy Silverado 2500... ) IEC 61508에서 다루고 있습니다.

이러한 standard들은 BMS 설계에서 고려되어야 할 사항이며 또한 application마다 다르기에 안전 무결성 기준인 safety integrity level(SILs)이 다르지만 안전이라는 공통인 목표를 가지고 있습니다. 

 

BMS requirement 3: Interface

- Communication via CAN bus

BMS에서 Master와 Slave는 CAN 통신을 이용한다. CAN 통신은 Control Area Network로써 ISO 산업 표준에 의해서 차량용 통신에 주로 사용됩니다. CAN 통신은 Robust 한 통신을 유지할 수 있기에 매우 Harsh 하고 Noise가 크고 많은 차량 환경에서도 안정적으로 동작하는 특징이 있습니다. 또한 2개의 직렬 bus는 센서와 액츄에이터 간의 높은 연결 상태를 구축할 수 있습니다.

• High speed (e.g., 1M Baud) : 해당 속도는 매우 critical 한 작업에 사용되는데 예를 들어서 엔진 관리 차량 안전성, 움직임 제어에 관련해서 사용된다
• Low Speed (e.g., 100k Baud) : 해당 속도는 안전성과는 크게 관련 없는 단순한 스위칭 작업 또는 조명, 창문, 거울 조절, 기타 디스플레이 장치 등을 조절할 때 사용된다.

CAN Bus의 패킷 형태는 특정 Data format을 가지고 있는데 위치의 값에 의해서 전송되는 위치가 결정되며 들어있는 내용들도 다릅니다. 예를 들어서 통신 속도나 우선순위 설정 및 순서 등이 설정이 될 수도 있으며 또한 에러 발견 및 대처 그리고 제어 신호들도 이에 포함되어서 전송됩니다.

- Charger Control

보통 배터리 팩의 충전은 2가지 방법으로 수행이 되는데 한 가지는 랜덤으로써 충전이 매우 예측할 수 없는 형태로 들어오게 됩니다. 해당 방법은 회생제동, regenerative braking이라는 방법으로써 전동기를 발전기로서 작동시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 회수 하영 제동력을 발휘하는 전기 제동 방법입니다. 

2번째 방법은 플러그인(Plug-in) 방법으로 보편적인 전기자동차 (EV, PHEV, E-REV) 등에 사용됩니다. 플러그인 충전을 통해서 충전 전류나 전압 등을 조절하며 heating system 또한 필요로 합니다. 또한 더 나아가 Fast charging을 수행할 때 배터리에서 높은 온도 발생으로 인한 파생효과로 반드시 Charging 또한 제어되어야 합니다.

- Log Book Function

BMS는 반드시 보장과 진단의 목적을 위해서 atypical 하거나 abuse 한 일들에 대해서 기록을 하게 되는데 이러한 기능을 Log book fuction이라고 합니다. abuse type으로는 전압, 전류, 온도 등 정상적인 범위를 벗어났을 때를 말하며 해당 type이 얼마나 지속이 되었으냐, 또한 어느 정도 규모/크기로 일어났는가 에 대한 기록을 합니다. 또한 진단 정보로는 충/방전의 횟수가 기록되며 주행 시작 전에 SOH (State of Health) 체킹 등을 기록합니다.

- Range estimation

해당 역할은 지금 현재 배터리에 가지고 있는 에너지로 얼마나 더 주행이 가능한가를 추정하는 기능입니다. 해당 추정에 대해서 정확히 수행을 하기 위해서는 환경 요인들이 영향을 주는데 예로써 차량의 특성, 주행이 과격한지 아니면 부드럽게 운행되는지, 많은 언덕을 달렸는지 아니면 주행 중 많은 바람의 저항을 받은 건지, 그리고 외부 온도는 어떤지(따뜻한지, 차가운지)에 대해서 고려되어 추정하게 됩니다.

 

BMS requirement 4: Performance management

BMS는 또한 퍼포먼스 즉 성능을 관리하기도 하는데 성능 관리를 위해서는 우선 추정을 수행해야 합니다.

마치 음료수 병에 얼마나 남아있고 앞으로 얼마나 마실 수 있는가를 파악하는 것처럼 배터리 application은 우선 얼마나 배터리 팩에 에너지가 사용 가능한가를 알아야 하며 또한 단기간의 미래에 쓸 파워가 얼마나 있는가를 파악해야 합니다. 에너지를 파악하는 것은 전기자동차에 있어서 얼마나 주행을 할 수 있는가와 연결되기 때문에 중요합니다. 또한 파워를 파악하는 것은 HEV에서 중요한데 내가 얼마나 가속을 하거나 또는 정지 충전을 받아들일 수 있는가를 알아야 합니다. 마찬가지로 2가지의 항목에 대해서 E-REV와 PHEV에도 중요합니다.

그러나 파워나 에너지를 측정이 불가능합니다. 배터리는 화학반응을 바탕으로 하여 전기 에너지를 발생시키는 비선형적 특성을 가지고 있기 때문에 추정(estimation)을 하게 됩니다.

추정을 위해서는 필요한 몇 가지 요소가 있는데 Q, SOC, R입니다.

에너지를 추정하기 위해서는 우선 모든 셀의 SOC와 Q(capacity)를 알아야 하며 파워를 추정하기 위해서는 모든 셀의 SOC 및 R(Resistance)를 파악해야 합니다. 그러나 SOC 또한 추정을 통해서 계산되는데 우리가 알 수 있는 정보 또는 입력은 전압, 전류, 온도 3가지밖에 없으므로 battery의 모델에 근거해서 SOC를 추정하게 됩니다.

간단한 추정방법일수록 implementation은 쉬우나 다만 정확도가 떨어질 수밖에 없는 단점이 존재하는데 갑작스러운 전압 또는 전류가 초과하는 현상이 발생할 때 사용자의 인지나 운전에 대해 영향을 줄 수 있으며 과충전, 과방전과 같은 현상이 발생하게 되어 cell에 손상을 가할 수 있습니다.

현재 대표적으로 적용되고 있는 방법은 칼만 필터인데 해당 방법은 현재의 데이터를 기반으로 미래를 예측하는 방법인데 해당 내용에 대해서는 따로 포스팅을 해보도록 하겠습니다.

그렇다면 SOC를 State of charge라고 해서 배터리의 충전 상태라고 했는데 정확히 어떤 걸 나타내는지 알아보겠습니다. BMS는 SOC를 추정하고 SOC를 입력으로 하여 Power와 Energy를 추정합니다. 배터리의 Physical 한 layer에서 이해를 할 때 셀의 SOC는 배터리 내부의 Li의 농도와 관련이 있는데 얼마나 Li가 음극에 있는가에 따라서 추정이 됩니다.

SOC는 %로 표현하기 때문에 0~1 사이의 값으로 표현됩니다.

리튬의 농도가 최고일 때는 C_s, max라고 칭하며 시간 k일 때의 평균 리튬 노도를 C_s, avg, k로 나타냅니다. 화학 양론에 기반에서 시간 k일 때의 리튬은 곧 theta_k = C_s, avg, k/ C_s, max로 표현되며 조건은 0보다는 커야 하며 100% 일 때는 1보다는 작아야 합니다. 그리고 해당 SOC는 전극의 SOC로써 Cell의 전극과는 다릅니다.

음극에 있는 Li의 양을 이용하여 추정하는데 때문에 음극에 100% 몰려있는 상태가 큰 값이 되겠으며 양극에서는 정말 충전된 상태를 기준으로 양극에 li가 없는 상태가 바로 충전상태이기 때문에 0%가 100%보다 크다라고 표기합니다.

그리고 해당 공식을 이용하여 SOC는 다음과 같이 표현됩니다.

음극에 남아있는 양을 빼서 나누거나 또는 양극에 남아있는 양을 이용하여 빼서 전체에 대해 얼마나 존재하는가를 퍼센티지로 표현한 것이 Z_k 즉 SOC가 되겠습니다.

그렇다면 의문점은 SOC가 셀의 전압이나 전류에 관계가 있는 건가에 대한 의문이 생기는데 우선 셀의 전압은 Li이 음극 또는 양극의 전류 집 전장치( Current Collector)의 입자에 얼마나 있는지와 관련됩니다. 또한 SOC는 평균의 값으로 산출해내는데 평균의 장점은 온도가 변화에 따른 전압 변화나 또는 Cell Resting 상태 그리고 전체적인 Current Profile은 전압을 변화시킬 순 있으나 SOC의 평균은 변화시키지 않습니다.

요약을 하면 SOC의 변화는 충전이나 방전에서 이동하는 전류나 또는 자가 방전에 의한 전류 변화에 영향을 받으며 전압은 SOC의 간접적인 지표가 되기는 하지만 그러나 전압을 통해서 측정을 할 수는 없습니다.

SOC는 전류와 관련이 있는데 관계식은 다음과 같습니다.

• z(t), z(0) : t 시간의 SOC, 0초 즉 초기의 SOC
• Q : cell의 total capacity ( Q는 전극의 수정 구조에서 SOC 0%와 100% 사이에서 Li을 가지고 있을 수 있는 빈 공간의 수에 따라서 측정되기 때문에 온도나 비율로는 계산이 불가능합니다. )
• n : coulombic efficiency ( 1에 근사 하나 1 이하의 값을 가짐 )

해당 적분 관계식은 바로 Coulomb Counting이라고 하는데 전류와 시간의 곱은 쿨룽 즉 1초 동안 전류가 흐른 양을 표현합니다. 해당 값에서 커패시터 양으로 나눠줌으로써 전체에 대한 흐른 전류를 표현할 수 있게 되고 초기 값에서 해당 값을 뺌으로써 SOC의 현재 값을 파악할 수 있습니다. 그러나 해당 방법은 초기 값을 제대로 알아야 하며 시간이 갈수록 오류가 누적되기 때문에 치명적인 방법이 될 수 있습니다.

그렇다면 Pack의 SOC도 따로 있을까요??

한 개의 셀은 완충 상태이며 한 개의 셀은 방전 상태일 때는 단일 Cell의 값들을 평균을 취해서 SOC를 표현하게 되는데 Pack SOC를 사용하는 이유는 어떠한 목표 setpoint control을 위해서 Cell 들의 목표치를 설정하거나 또는 Fuel gauge 즉 현재 팩의 잔존 에너지가 얼마인지를 표현할 때 사용하기도 합니다.

Cell의 total 에너지를 추정하기 위해서는 SOC의 변화와 공칭전압 및 캐패시터를 곱한 값으로 표현이 됩니다.( 단위 Wh, kWh )

Power는 순간적인 힘을 의미합니다. P=IV ( W, kW )로 표현되며 추정은 moving window를 적용해서 어떠한 limits를 제공하기도 합니다. 간단한 power 추정 방법은 HPPC방법이 있습니다

HPPC 방법은 Hybrid Pulse power characterization이라는 의미로 하나의 단전지로 다양한 SOC의 출력 값을 신속하게 측정할 수 있는 장점이 있으나, 하나의 전류값에서 측정된 전압 변화로 출력을 예측한다는 근본적인 단점이 있습니다.

HPPC를 이용하여 우선 각 충전 및 방전 과정에서의 저항을 알기 위해서는 전압의 변화와 시간의 변화를 이용하여 구할 수가 있습니다. 구해진 저항을 통해서 하단의 회로는 배터리 셀을 간단히 한 모델로써 OCV는 아무런 Load가 연결되지 않았을 때 전압을 의미합니다.

우리가 관심 있는 범위는 V_min과 V_max 사이에 있기 때문에 여기서 출력/방전 파워를 계산하기 위해서는 다음과 같이 식이 나오게 됩니다.

마찬가지로 충전에 대한 파워를 계산하기 위해서는 하단과 같이 계산해주면 되는데 값은 마이너스가 나오게 됩니다. 그러나 -1을 곱하여서 절댓값으로 표현을 하기도 합니다.

 

BMS requirement 5: Diagnostics

마지막 BMS의 필수 조건은 진단입니다. 진단하는 요소는 대표적으로 3개가 있습니다.

1. (Internal & External) Abuse detection
2. State of health estimation ( SOH )
3. State of Life estimation ( SOL )

External Abuse는 전압이나 전류 또는 파워의 limit이 위반되는 경우에 대해서 다루며 Internal Abuse 같은 경우 contactor의 failure나 balancing system 및 팬, 펌프 등의 고장 등이 있기 때문에 BMS는 시스템에 대해서 항상 잘 작동을 하는지 검사를 해야 됩니다.

SOH 같은 경우 셀의 수명을 의미합니다. 그리고 셀의 수명을 표현하기 위해서 2가지의 indicator가 있는데 만약 capacity가 20~30% 감소가 있거나 또는 Resistance가 50~100%의 증가를 한 것을 바탕으로 수명을 알 수 있습니다. 

추가적으로 SOL은 SOH와 다르게 앞으로 얼마나 더 Cell을 쓸 수 있는지에 대한 퍼센티지 또는 시간으로써 미래에 대한 예측 값이기 때문에 수명을 늘리기 위해서 어떠한 전략을 내릴지에 대한 근거가 될 수도 있습니다.

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Reference : Introduction to Battery Management System ( 1.4.1 ~ 1.4.7 ) - Coursera Lec