개요
전기자동차에 탑재되는 배터리 팩(Pack)은 배터리 셀(Cell)을 행렬 형태로 배치하여 원하는 전압과 전류를 제공하는 구조로 되어있다. 다양한 하드웨어와 소프트웨어 요소로 구성된 전자 시스템인 BMS(Battery Management System)는 배터리 팩의 두뇌 역할로써 배터리가 과충전이나 과방전 되는 것을 방지하고, 배터리 잔량, 온도, 상태, 안정성 등을 감지 및 제어한다.
주요 역할
배터리의 잔량과 상태 확인
BMS는 배터리의 남은 용량을 실제 용량으로 나눈 비율인 SoC(State-of-Charge)와 배터리의 노화 정도를 나타내는 지표인 SoH(State-of-Health)를 나타낸다.
이러한 지표를 나타내기 위해서 전압, 전류, 온도 등의 센서 데이터를 바탕으로 수학적 모델을 적용하거나 배터리의 내부 저항, 임피던스를 측정해 머신러닝 알고리즘*을 활용하기도 한다.
배터리의 온도와 안전성 보호
BMS는 배터리 셀의 전압과 전류를 감지해 과충전이나 과방전을 방지하고, 배터리의 온도를 측정하여 일정 수준 이상이 되면 배터리를 차단하거나 냉각 시스템을 작동시켜 일정 온도를 유지시킨다.
또한 배터리의 연결 상태와 내부 단락 여부도 검사함으로써 배터리의 손상과 화재를 예방하기도 한다.
배터리 용량과 수명 향상
BMS는 배터리 셀의 전압을 측정해 가장 낮은 전압의 셀을 확인한다. 이후 가장 낮은 전압의 셀보다 일정한 차이 이상으로 높은 전압의 셀에 저항을 연결하여 전류를 흘려주고 방전시킨다. 이러한 과정을 통해 배터리 셀의 전압이 균일해지고 배터리의 용량과 수명을 향상시킬 수 있다.
설계 단계
- 배터리 규격과 요구사항 정의
- BMS의 구성 요소와 기능 결정
- BMS의 하드웨어와 소프트웨어 설계 및 구현
- BMS의 성능과 안정성 검증
아키텍처(Arichitecture)
BMS의 하드웨어는 배터리의 전압, 온도, 전류 등을 측정하고 제어하는 센서, 스위치, 트랜지스터 등으로 구성되어 있다. 주요 고려사항은 정확도, 신뢰성, 견고성, 비용 등이다.
소프트웨어는 배터리의 상태를 추정하고 예측하며, 최적의 충전과 방전 알고리즘을 실행하는 프로그램인데, 다양한 플랫폼과 언어로 개발될 수 있으며 주요 고려사항은 효율성, 안정성, 확장성 등이다.
BMS의 아키텍처는 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀, 모듈, 그룹 등의 단위에 따라 주요 고려사항을 반영한 다양한 하드웨어와 소프트웨어 컴포넌트로 구성되는데, 배터리 셀과 컨트롤러 간의 연결 방식에 따라 세 가지로 분류할 수 있다.
- 중앙형(Centralized)
- 하나의 컨트롤러가 다수의 전선을 통해 배터리 셀과 연결하는 방식
- 장점 : 하드웨어 구성이 간단하고 비용이 저렴
- 단점 : 배선이 복잡하고 낮은 신뢰성, 배터리 셀과 모듈의 정보를 정확하게 측정하고 전달하기 어려움
- 분산형(Distributed)
- 각 배터리 셀과 모듈에 작은 컨트롤러를 부착하고 이들을 CAN 통신*으로 연결하는 방식
- 장점 : 배선이 간단하고 높은 신뢰성, 배터리 셀과 모듈의 정보를 정확하게 측정하고 전달할 수 있음
- 단점 : 하드웨어 구성이 복잡하고 높은 비용, 컨트롤러 간의 통신 오류 발생 가능성
- 모듈러형(Modular)
- 각 배터리 모듈에 컨트롤러를 부착하고 이들을 CAN 통신으로 연결하는 방식
(중앙형과 분산형의 장점을 혼합한 방식)
- 장점 : 적당한 하드웨어 구성, 적당한 비용, 적당한 배선, 적당한 신뢰성
- 단점 : 배터리 셀의 정보를 정확하게 측정하고 전달하기 어려움
*머신 러닝 알고리즘(Machine Learning Algorithm)
컴퓨터를 인간처럼 스스로 규칙을 형성할 수 있지 않을까 하는 시도에서 비롯된 방법으로, 인간의 사고를 효율적인 계산 및 처리를 바라보는 관점에서부터 접근하여 모방하는 방법이다.
(기록하고 읽어 들이며 비교하고 알아내기)
*CAN 통신(Controller Area Network)
차량 내에서 호스트 컴퓨터 없이 마이크로 컨트롤러나 장치들이 서로 통신하기 위해 설계된 표준 통신 규격, 기존엔 이러한 모듈들이 서로 통신하기 위해 비동기 직렬 통신 방식인 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)를 사용했다.
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