배터리에서 BMS란 무엇인가요?

점점 더 전기화되는 세상에서 배터리는 스마트폰부터 급증하는 전기 자동차, 대규모 에너지 저장 솔루션에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급하는 숨은 영웅입니다. 하지만 이 전기화학 발전소는 단순히 플러그 앤 플레이 장치가 아닙니다. 안전을 보장하고 성능을 최적화하며 수명을 연장하기 위해서는 지능적인 관리가 필요합니다. 이것이 바로 배터리 관리 시스템(BMS) 는 충전식 배터리의 모든 측면을 모니터링하고 제어하는 정교한 '두뇌' 역할을 합니다.

이 포괄적인 가이드에서는 BMS의 핵심 기능, 필수 구성 요소, 그리고 최신 배터리 구동 기술에서 가장 중요한 역할을 하는 BMS의 복잡성에 대해 자세히 살펴봅니다. 엔지니어든, 전기차 애호가든, 단순히 미래를 움직이는 기술에 대해 궁금한 점이 있다면 BMS를 이해하는 것이 중요합니다.

배터리에서 BMS란 무엇인가요?

핵심은 배터리 관리 시스템(BMS) 를 관리하는 전자 시스템입니다. 충전식 배터리 팩여러 개의 셀로 구성될 수 있습니다. 주요 역할은 배터리가 안전 작동 영역(SOA) 밖에서 작동하지 않도록 보호하는 것입니다. 최신 BMS는 단순한 보호 기능 외에도 배터리 상태를 모니터링하고, 2차 데이터를 계산하고, 해당 데이터를 보고하고, 환경을 제어하고, 인증하고, 밸런싱을 수행합니다.

배터리 팩의 수호자라고 생각하면 됩니다. 인간의 뇌가 신체 기능을 조절하는 것처럼 BMS는 배터리의 상태와 작동을 부지런히 감독하여 손상을 방지하고 효율적인 에너지 활용을 보장합니다. 전기차와 같이 위험도가 높은 애플리케이션에서 견고한 BMS는 단순히 이점을 제공할 뿐만 아니라 안전과 신뢰성을 위해 절대적으로 필요합니다.

BMS의 핵심 기능

포괄적인 BMS는 여러 가지 중요한 기능을 수행합니다:

전압 모니터링

BMS의 가장 기본적인 작업 중 하나는 배터리 팩 내 각 개별 셀의 전압과 전체 팩 전압을 세심하게 모니터링하는 것입니다. 전기차 및 기타 고성능 애플리케이션에 일반적으로 사용되는 리튬 이온 셀은 일반적으로 대략 다음과 같은 안전 전압 범위 내에서 작동합니다. $2.5V$ 에 $4.2V$. 이러한 제한을 벗어나 작동하면 성능이 저하되거나 심한 경우 안전 위험이 발생할 수 있습니다.

BMS는 이러한 전압 레벨을 지속적으로 확인합니다. 충전 중 셀의 전압이 상한을 초과하면 BMS는 충전기를 중지하거나 충전 전류를 줄이라는 신호를 충전기에 보낼 수 있습니다. 반대로 방전 중에 셀의 전압이 하한 이하로 떨어지면 BMS는 셀을 영구적으로 손상시킬 수 있는 심방전을 방지하기 위해 부하를 차단할 수 있습니다.

온도 모니터링

온도는 배터리 성능과 안전에 영향을 미치는 또 다른 중요한 매개변수입니다. BMS는 배터리 팩 내 여러 지점에 온도 센서를 배치하여 열 상태를 모니터링합니다. 대부분의 리튬 이온 배터리의 최적 작동 온도 범위는 다음과 같습니다. $20°C$ 그리고 $40°C$.

높은 방전율이나 주변 환경으로 인해 온도가 과도하게 상승하면 BMS가 냉각 시스템을 활성화하거나 전류를 제한하여 과열 및 잠재적인 열 폭주를 방지할 수 있습니다. 마찬가지로 매우 추운 환경에서는 리튬 이온 배터리를 저온에서 충전하면 리튬 도금이 손상되어 수명이 단축될 수 있으므로 BMS가 충전을 제한할 수 있습니다.

현재 모니터링

BMS는 배터리 팩으로 들어오고 나가는 전류를 정밀하게 측정합니다. 이 정보는 충전 및 방전 중 과전류 상태를 방지하는 등 여러 가지 이유로 매우 중요합니다. 지정된 충전 또는 방전 전류 제한(종종 C-율로 정의됨)을 초과하면 과도한 열이 발생하고 배터리 셀이 손상될 수 있습니다. BMS는 전류가 안전 임계값을 초과할 경우 전류 흐름을 차단하여 안전장치 역할을 합니다.

충전 상태(SoC) 및 건강 상태(SoH) 예측

BMS는 두 가지 주요 지표를 추정하는 데 중요한 역할을 합니다:

• 충전 상태(SoC): 이는 배터리의 남은 용량을 나타내며, 백분율(0%~100%)로 표시되는 경우가 많습니다. 사용자에게 전기차의 남은 주행 거리 또는 휴대용 디바이스의 런타임에 대한 신뢰할 수 있는 정보를 제공하려면 정확한 SoC 추정이 필수적입니다.
• 건강 상태(SoH): 이는 원래 상태와 비교하여 배터리의 전반적인 상태를 측정한 수치입니다. SoH는 일반적으로 시간이 지남에 따라 사용 주기에 따라 저하됩니다. BMS는 용량 감소 및 내부 저항과 같은 매개변수를 추적하여 SoH를 추정함으로써 배터리의 수명이 거의 다한 시점을 알려줍니다. 배터리는 일반적으로 다음과 같이 손실됩니다. $1-2\%$ 연간 또는 특정 주기당 용량을 제한합니다.

셀 밸런싱

여러 개의 셀이 직렬로 연결된 배터리 팩의 경우 개별 셀마다 용량이나 자체 방전 속도에 약간의 차이가 있을 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 이러한 차이로 인해 일부 셀은 완전히 충전된 반면 다른 셀은 충전되지 않거나 일부 셀은 과방전된 반면 다른 셀은 여전히 용량이 남아있는 불균형이 발생할 수 있습니다. 이러한 불균형은 배터리 팩의 전체 가용 용량을 감소시키고 개별 셀에 스트레스를 줄 수 있습니다.

BMS는 다음을 고용합니다. 셀 밸런싱 기술을 사용하여 이를 해결합니다. In 패시브 밸런싱를 사용하면 고전압 셀의 초과 전하가 저항을 통해 열로 방출됩니다. In 액티브 밸런싱를 사용하면 전하가 더 강한 셀에서 더 약한 셀로 재분배되어 일반적으로 더 효율적입니다. 셀 밸런싱은 모든 셀이 유사한 전압 범위 내에서 작동하도록 함으로써 팩의 용량을 극대화하고 수명을 연장합니다.

일반적인 BMS의 구성 요소

이러한 중요한 기능을 수행하기 위해 일반적인 BMS는 몇 가지 주요 하드웨어 구성 요소로 이루어져 있습니다:

• 감지 회로: 여기에는 각 셀과 전체 팩의 전압 센서, 충전 및 방전 속도를 측정하는 전류 센서, 배터리 팩 전체에 전략적으로 배치된 온도 센서가 포함됩니다.
• 마이크로컨트롤러/프로세서: 이것은 감지 회로로부터 데이터를 수신하고 처리하는 BMS의 '두뇌'입니다. SoC 및 SoH를 추정하고, 충전 및 방전을 위한 제어 전략을 구현하고, 셀 밸런싱을 관리하는 알고리즘을 실행합니다.
• 전원 스위치(MOSFET, 릴레이): 이는 전류의 흐름을 제어하는 데 사용되며, 결함(예: 과전압, 저전압, 과전류) 발생 시 배터리 팩의 연결을 해제하거나 충전 및 방전을 활성화/비활성화할 수 있도록 BMS가 제어합니다.
• 커뮤니케이션 인터페이스: 이를 통해 BMS는 전기차의 모터 컨트롤러나 노트북의 전원 관리 장치와 같은 차량 또는 장치의 다른 시스템과 통신할 수 있습니다. 일반적인 프로토콜에는 CAN 버스가 포함됩니다.
• 메모리: 배터리 기록, 보정 매개변수 및 진단 정보와 같은 중요한 데이터를 저장하는 데 사용됩니다.

BMS의 중요성

배터리 관리 시스템은 단순한 액세서리가 아니라 안전하고 효율적이며 오래 지속되는 배터리 구동 시스템의 초석입니다. 배터리 관리 시스템의 중요성은 세 가지 핵심 영역으로 요약할 수 있습니다:

• 안전: 전압, 온도, 전류를 지속적으로 모니터링하여 고에너지 밀도 배터리의 주요 문제인 열 폭주, 화재, 폭발과 같은 위험한 상황을 방지하는 BMS입니다.
• 성능: 셀 밸런싱과 최적화된 충전/방전 제어를 통해 배터리 팩이 최고 효율로 작동하여 전기차의 주행 가능 거리와 기타 애플리케이션의 런타임을 극대화합니다.
• 장수: BMS는 안전 한계를 벗어난 작동을 방지하고 셀 균형을 촉진함으로써 시스템에서 가장 비싼 구성 요소인 배터리 팩의 수명을 크게 연장합니다.

BMS의 애플리케이션

효과적인 배터리 관리 시스템의 필요성은 다양한 애플리케이션에 걸쳐 있습니다:

• 전기 자동차(EV): 전기자동차의 안전, 성능(주행 거리, 전력), 수명을 위해서는 대용량 고전압 배터리 팩 관리가 무엇보다 중요합니다.
• 휴대용 전자기기(노트북, 스마트폰): 안전한 충전 및 방전을 보장하고 정확한 배터리 잔량 표시를 제공하는 것은 사용자 경험과 디바이스 안전을 위해 매우 중요합니다.
• 그리드 규모 에너지 저장: 그리드 안정화에 사용되는 대형 배터리 시스템에는 안전과 에너지 배분을 최적화하기 위해 정교한 BMS가 필요합니다.
• 전동 도구: 배터리를 과도하게 사용하는 동안 과방전으로부터 배터리를 보호하고 긴 수명을 보장합니다.
• 무정전 전원 공급 장치(UPS): 배터리 상태를 모니터링하고 안정적인 백업 전원을 보장합니다.

결론

배터리 관리 시스템은 배터리로 구동되는 세상의 원활한 작동을 뒷받침하는 숨은 영웅입니다. 단순한 보호 회로를 넘어 성능을 최적화하고 안전을 강화하며 충전식 배터리의 수명을 연장하는 지능형 시스템입니다. 배터리 기술이 계속 발전하고 일상 생활에 더욱 필수적인 요소로 자리 잡으면서 BMS의 정교함과 중요성은 계속 커질 것입니다. 최신 에너지 저장 솔루션의 복잡성과 잠재력을 이해하려면 그 역할을 이해하는 것이 중요합니다.

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자주 묻는 질문

1. BMS의 주요 기능은 무엇인가요? 주요 기능은 배터리 팩이 안전 작동 영역 밖에서 작동하지 않도록 보호하여 안전을 보장하고 손상을 방지하는 것입니다.

2. BMS에서 SoC는 무엇을 의미하나요? SoC는 배터리 잔량을 나타내는 충전 상태의 약자입니다.

3. 셀 밸런싱이 중요한 이유는 무엇인가요? 셀 밸런싱은 배터리 팩의 모든 셀이 효과적으로 활용되도록 하여 팩의 전체 용량과 수명을 극대화합니다.

4. BMS가 모니터링하는 주요 매개변수에는 어떤 것이 있나요? 주요 매개변수에는 배터리 셀과 팩의 전압, 온도, 전류가 포함됩니다.

5. BMS는 전기 자동차에만 사용되나요? 아니요, BMS는 노트북, 스마트폰, 그리드 규모의 에너지 저장 장치, 전동 공구 등 충전식 배터리를 사용하는 다양한 애플리케이션에 사용됩니다.

6. 배터리와 관련하여 SoH란 무엇인가요? SoH는 배터리 상태를 원래 상태와 비교하여 배터리의 전반적인 상태를 측정하는 척도입니다.