배터리 관리시스템(BMS)

BMS의 정의

배터리 관리시스템, 즉 BMS는 배터리를 안전하고 효율적으로 운용하는 전자 제어 장치다.

BMS는 전압·전류·온도를 감시하고 SOC와 SOH를 추정한다.

SOC는 충전 상태, SOH는 수명 상태를 나타낸다. 셀 밸런싱은 셀 간 편차를 줄인다.

하드웨어 구성

BMS의 하드웨어는 계측부, 밸런싱부, 보호부, 제어부로 나뉜다.

계측부는 셀 전압, 팩 전류, 셀 온도를 측정해 판단의 입력이 된다.

보호부는 판단 결과를 실제 회로 차단으로 바꾸는 최종 장치다.

동작 원리

BMS는 측정, 추정, 판단, 조치를 반복하며 배터리 상태를 관리한다.

먼저 셀 전압, 팩 전류, 셀 온도를 주기적으로 측정한다.

측정값으로 SoC와 SoH를 추정하고, 안전 범위와 비교해 판단한다.

이상이면 회로를 차단하거나 충·방전 전류를 제한한다.

SOC와 SOH

SOC를 추정하는 방법에는 OCV 측정법, 쿨롱 계수법, 칼만 필터가 쓰인다.

쿨롱 계수법은 구현이 쉽지만 전류 측정 오차가 시간에 따라 누적된다.

그래서 OCV 측정법이나 칼만 필터로 보정하는 방식을 함께 쓴다.

SOC는 잔여 용량 비율, SOH는 신품 대비 노화 상태로 구분한다.

셀 밸런싱

셀 밸런싱은 셀 간 전압 차이를 줄여 팩 전체의 용량과 수명을 끌어낸다.

수동 밸런싱은 높은 셀의 에너지를 저항으로 열 소모시킨다. 회로는 간단하지만 효율이 낮다.

능동 밸런싱은 커패시터나 인덕터, DC-DC 변환기로 에너지를 셀 사이에서 재분배한다.

3.25V와 3.20V 셀의 편차는 50mV다. 이 편차가 밸런싱 필요 여부의 판단 기준이 된다.

구성 방식과 구분

BMS는 구현 방식에 따라 집중형, 분산형, 모듈형으로 나뉜다.

대용량 ESS에서는 모듈형이 널리 쓰이고, 소형 기기에서는 집중형이 유리하다.

보호와 밸런싱을 같은 기능으로 쓰면 안 된다. 보호는 한계 밖 동작을 차단하고, 밸런싱은 셀 간 전압 편차를 줄인다.

정리

정리하면 BMS의 기능은 감시, 추정, 보호, 셀 밸런싱의 네 가지다.

첫째, 전압·전류·온도와 절연 저항을 감시한다.

둘째, SOC와 SOH를 추정하고 셋째, 과충전과 과방전을 보호한다.

넷째, 셀 밸런싱으로 셀 간 편차를 줄여 용량과 수명을 확보한다.