[BMS] - Battery Management System ( 배터리 관리 시스템 )

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[BMS] - Battery Management System ( 배터리 관리 시스템 )

전공 관련 (Major)/배터리 & BMS

by I Got this memyself 2020. 12. 31. 16:06

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도입

 

2014년 미국 네바다 주에 착공을 하여 테슬라는 기가팩토리를 만들었습니다.
전기자동차(EV)에 대한 테슬라 리튬 이온 셀 모듈, 셀 팩, 모터, 드라이브 유닛 등을 생산하기 위해서입니다. 

2018년 기준으로 하루에 3백50만 개의 2170 배터리 셀을 생산하는데 엄청난 양의 배터리를 제작하고 있습니다.

최근 환경문제와 석유의존도 감소 및 에너지 효율 증대 문제로 인한 재생에너지 및 전기자동차 등 환경 친환경적인 기술에 대한 투자가 급증하고 있으며 수 많은 가전기기와 전자제품에 배터리가 들어가는 만큼 안전에도 그만큼 기술 발전의 노력이 이어지는데 오늘 소개해드릴 것은 핵심기술인 BMS입니다.

 

BMS 

: BMS - Battery Management System

직역 그대로 배터리 관리 시스템입니다. 주 목적은 배터리 안전사고 발생에 대해서 예방하고 배터리가 가진 전기에너지의 효율적 관리를 위해서 존재하는 시스템입니다. 배터리가 제조되어도 충, 방전과 시간 경과에 따른 변화가 균일하지 않은 문제가 있기 때문에 전기자동차에서는 핵심적인 역할을 수행합니다.

대표적으로 BMS가 차량에서 모니터링하는 항목과 목표는 다음과 같습니다.

안전 전압 ( Voltage ) - 과 충전 ( Over-Charge ) 전압 방지 : 폭발 위험 방지
- 과 방전 ( Over-Discharge ) 전압 방지 : 수명 저하 방지 
전류 ( Current ) - 과 충전 ( Over-Charge ) 전류 방지 : 허용 전류 이하 동작
- 과 방전 ( Over-Discharge ) 전류 방지 : 허용 전류 이하 동작
- Short 전류 방지 : 순간적인 과 방전 및 전류 방지 
온도 ( Temperature ) - 고온에서의 폭발 방지 & 저온에서 수명 저하 방지
수명 Cell Balancing - 셀 간의 편차에서 오는 특성 차이 보정
상태 SOC ( State of Charge ) - 배터리의 현재 잔존 용량 체크
SOH ( State of Health ) - 배터리의 현재 수명 체크

즉 BMS는 최적의 배터리 제어를 통해서 셀간의 균형을 잡아주며 성능의 극대화 및 안정성을 확보하도록 합니다. 

BMS를 이용함으로써 셀들의 전압, 전류, 온도 및 충전용량, 수명 등 전반적인 모니터링을 실시하며, 과충전이나 방전 혹은 외부 온도 변화로 인한 셀의 특성 변화에 대해 대처가능 합니다. 또한 전원 차단을 통한 사고 및 손상을 방지하도록 하는 역할을 수행하여 주행거리가 연장되며 안정적인 연료 측정을 통한 전기차의 신뢰도가 증가되는 이점을 가지게 됩니다. 

각각의 모니터링 요소들을 측정하기 위한 알고리즘과 방법들은 방대하며 앞으로도 연구가 더 확장될 예정입니다.
예로써 SOC 측정을 위한 현재까지의 연구 맵은 다음과 같이 매우 방대합니다. 

출처 : Towards a Smarter Battery Management System for Electric Vehicle Applications: A Critical Review of Lithium-Ion Battery State of Charge Estimation (2019)

 

 

적용 위치 - 배터리 시스템

배터리 시스템이 구성되기 위해서 배터리 만의 단위가 존재합니다.
기초소재를 시작으로 하여 최종적으로 팩 단계를 거쳐서 부가적인 요소들이 결합되어 시스템을 이루게 됩니다.

1. 기초 소재 양극재, 음극재, 전해액, 분리막
2. 배터리 셀 (Cell) 리튬 이온 배터리의 기본단위로 기초소재를 알루미늄 케이스에 넣은것
3. 배터리 모듈 (Module) 셀을 외란 (충격, 열, 진동) 등으로 보호하기 위해 일정한 개수를 묶어
프레임에 넣은 배터리 조립체 ( 보통 셀들이 병렬로 연결되어 고장에 대비 한 형태로 구성 )
4. 배터리 팩 (Pack) 모듈의 조합 ( 모듈들이 직렬로 연결되어 고전압과 높은 에너지를 차량에 제공 ) 
* 배터리 시스템 (System) 팩 + 제어기 및 냉각시스템

출처 : https://www.samsungsdi.co.kr/column/all/detail/54229.html ( 삼성 SDI 전기차용 배터리 셀, 모듈, 팩 )

 

그리고 BMS가 위치하는 배터리 시스템의 구조는 다음과 같습니다.
: 배터리 시스템 ( BMS + 차단기 + 고전압 스위치 + 전류 센서 + 냉각 시스템 )

출처 : 유망분야 산업분석 및 해외기업 조사 사례공유 - 전기자동차 산업부문 (2019 10/8)

BMS는 배터리 시스템에서 위치하여 단위의 셀들을 관리하는 역할을 하기 때문에 사람의 뇌에 비유되기도 합니다.

 

기업

Bosch, Denso, Calsonic Kansei, Hitachi Automotive Systems, Honda, Mitsubishi Electric, Hyundai KEFICO, Joyson Electronic (Preh GmbH 포함), Guibo, Klclear, BYD, CATL, CALB, Gotion, Huizhou Epower, Harbin Guantuo, Tesla 등 
( 이전에 배터리 제조 회사에도 BMS를 자체 제작을 시작한 회사도 많다 )

국내에는 대표적인 차량용 센서 기업 현대 케피코가 존재합니다.

분야

 BMS가 적용되는 곳은 전기자동차뿐만 아니라 ESS ( Energy Storage System ) 에너지 저장 시스템이 들어가는 산업 전반에 적용이 됩니다. 크게는 3가지 영역으로 BMS 분야를 구분할 수 있습니다.  

  • 자동차 (Automotive) 
    전기 자동차(EV) 및 친환경 자동차 ( BMS 시장에서 가장 큰 시장을 담당한다 ) 
    BMS는 전기차 배터리 비용의 16%를 담당하는데 하이브리드(HEV), 플러그인 하이브리드 (FHEV), 전기자동차(EV), 수소연료전지차(FCEV) 등
    각각의 차량 배터리 팩에 맞춰야 하기 때문에 타 BMS 보다는 더 고가이며 복잡한 구조로 구성된다.

  • 고정형 (Stationary) - ESS & 텔레콤
    태양광 및 풍력발전 등의 신재생 에너지를 이용하는 전력 저장장치용 배터리 관리를 담당

2018년 8월 20일 전기신문 제3460호

       해당 사진과 같이 에너지 관리를 위해서 도입한 시스템이 사고를 불러오기 때문에 기술 개발에 각별해야 한다.

  • 기타 - 항공우주 및 방위장치, 휴대용 전자기기 

사실 여담이지만 핵융합이든 어떠한 에너지든 상관없이 ESS가 들어가는 모든 곳에 적용되기 때문에 정말 필수적인 기술이라고 생각이 됩니다.

 

 

시장

출처 : https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/battery-management-system-bms-market

ESS의 종류 및 사용하는 전자장비들의 증가로 인해 이를 관리하기 위한 BMS 시장도 증가되며 차량의 수요가 많아지면 차량의 내부 센서 기업들이 많은 이익을 보는 것과 동일할 것입니다.

수많은 EV가 출시되고 점차 내연기관이 줄어들고 전기를 이용한 인프라 구축에 대해 노력하는 시점에서

2021년은 반도체와 배터리의 시대가 열리지 않을까 생각해봅니다. 

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