전기자동차 이야기② - 배터리? 나한테 맡겨!

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전기자동차 이야기② - 배터리? 나한테 맡겨!

R.E.F. 15기 최명근 2020. 12. 28. 09:00

전기자동차 이야기전기자동차 이야기② - 배터리? 나한테 맡겨!

: 배터리 관리 시스템(BMS)

대학생신재생에너지기자단 15기 최명근

[자료1. 코나 화재사고]

출처: 머니투데이

지난 10월 17일 남양주의 와부읍 주민자치센터 주차장에서 전기자동차 충전 중 화재가 발생했다. 해당 차량의. 2018년부터 출시한 해당 전기자동차는 현재까지 총 14건의 동일한 화재사고를 겪었다.

전기자동차의 발생하는 화재사고의 원인을 정확히 규명하는 것은 어렵지만, 대부분이 배터리의 문제라고 여겨진다. 고전원이 투입되는 배터리 셀은 많은 양의 에너지를 저장하고 있기 때문에 안전이 최우선 되어야 한다. 현재에도 안전한 배터리 구현을 위해 많은 사람들이 노력하고 있다.

모두가 화재사고를 줄이기 위해 배터리 셀 자체를 주목하지만 안전을 위해서 더 중요한 것은 이러한 배터리의 상태를 진단하고 빠르게 판단할 수 있는 시스템이다. 이처럼 배터리를 진단하고 제어하는 기술을 배터리관리시스템(BMS)라고 하며, 왜 BMS가 안정적인 에너지공급에서 가장 중요한 역할을 하는지 알아보도록 하자.

배터리 관리시스템 (BMS)

BMS는 배터리의 전압,전류,온도와 같은 전기적 양을 화학적으로 분석하여 배터리의 상태를 진단하고, 배터리를 보호함과 동시에 배터리 사용을 최적화하는 역할을 한다.

[자료2. BMS 기능]

출처: "효율적인 Battery 사용을 위한 BMS 설계" 中 15p

(1) BATTERY Protection

배터리 안전의 핵심 기능이다. 배터리에 갑작스러운 이상이 발생할 경우 서론에서 언급핬던 바와 같이 바로 화재사고로 이어질 수 있기 때문에, 배터리 보호설계는 BMS에서 가장 핵심기능이다. 배터리 보호기능은 과전류, 과전압, 과온, 쇼트, 과부하 등 배터리에 실질적으로 충격을 줄 수 있는 사고에 관한 보호이다. BMS 설계를 통해 이와 같은 사고를 빠른 시간 안에 차단해야 할 것이다.

(2) BATTERY Performance management

⦁ Cell balancing

[ 자료3. Passive balancing 와 Active balancing 회로]

출처: "전기자동차용 BMS 기술" 中 50p

다음 그림과 같이 단품 배터리에 해당하는 배터리 셀이 모여 배터리 모듈, 배터리 모듈이 모여 배터리 팩이 된다. 수 십개의 배터리 셀이 모여서 배터리 팩이 되고, 전기자동차는 수 백개의 배터리 셀로 구성되어 있다. 이러한 배터리셀의 성능이 모두 동일하면 좋겠지만 그렇지않다. 배터리 셀 각각의 내부저항과 여러 요인들에 의하 배터리 셀 간 전압 차가 발생하고 이것은 배터리 노화에 직결된다. 따라서 BMS는 배터리의 셀 간 전압을 실시간으로 분석하여 에너지를 최적화시킬 수 있도록 시스템화 한다. 이와같은 Cell balancing 회로에는 전압 편차를 저항의 열로 소비하는 형태인 Passive balancing 회로와 높은 전압을 낮은 전압에 충전하는 형태인 Active balancing 회로가 있다.

⦁ Efficiency

BMS는 배터리의 과충·방전을 방지하고, 가장 배터리를 효율적으로 사용할 수 있는 방법을 모색한다. 전기자동차 모터 구동시, 배터리가 출력할 수 있는 최대에너지를 계산하고, 감속시에는 과충전을 방지하기 위하여 회생되는 에너지를 제한하는 역할을 하기도 한다. 실제로 이러한 기능이 가장 많이 사용되고 있는 차량이 하이브리드 자동차이다. 하이브리드 자동차는 동력원이 엔진과 모터 두 개인데, 효율적인 에너지 사용을 위하여 가속 시에는 모터가 최대출력을 낼 수 있도록 하고, 평속 운전시 엔진이 주로 사용될 수 있도록 설계된다.

(3) BATTERY Diagnose

⦁ SOC, SOH

[자료4. SOC,SOH와 SOF]

출처: Techworld

SOC(State of Charge) 는 충전량 대비 남아있는 충전량의 비율로, 현재 배터리에 남은 충전량을 알려주는 기능이다. BMS에서 배터리의 SOC를 측정하면 이를 이용하여 전기자동차의 남은 주행거리를 예측할 수 있다. 또한, SOH(State of Health estimation)는 배터리 상태를 종합적으로 진단하여 남은 수명을 예측한다. SOH 예측값을 바탕으로 배터리 교체시기를 예상할 수 있다. BMS는 SOC, SOH, 작동 온도 및 충방전 이력을 고려하여 배터리의 성능이 실제 요구조건에 얼마나 부합하고 있는 지를 나타내는 지표인 SOF(State of Fuction)을 도출한다.

(4) BATTERY Interface

전압, 전류, 온도 등의 여러 배터리 데이터 값을 외부 장치에 전송하여 PC GUI를 통한 디스플레이와 data를 저장하는 기능이다. 일반적으로 CAN 통신을 이용하여 데이터를 주고받으며, 이렇게 얻어진 데이터 값을 이용하여 시스템에서 알맞은 제어 값을 설계한다.

BMS의 전망

전기자동차의 규모와 배터리의 용량이 점점 커지면서 BMS의 관심과 규모도 점점 커지고 있다. 또한, 자동차 내 모든 전장품의 전동화 목표로 인해 12V인 전장품에서 48V를 요구하는 전장품까지 추가되면서 요구되는 전기에너지가 더 많아지는 추세라 배터리 관리의 필요성은 더욱 커질 것이다. 이 뿐만 아니라 대용량 에너지 저장 시스템인 ESS에서도 BMS는 매우 중요한 역할을 하고 있으므로 그 중요도는 더 크다. 국내 시장으로는 먼저, 삼성SDI가 파워로직스와 협력하고 있고, 2019년 동반성장 day를 개최하며 파워로직스 지원에 더 힘쓸 것으로 예상된다. LG이노텍은 최근 3년 연속으로 GM의 품질우수상을 수상하며 BMS의 입지를 단단히 했고, 현대모비스, SK 이노베이션 등이 BMS 개발에 힘쓰고 있다.

결론

최근까지도 전기자동차의 배터리 팩에 BMS가 탑재되었음에도 불구하고, 전기자동차의 화재사고가 빈번하게 발생하고 있다. 하지만 정확한 원인이 규명되지 않고 있고, 이에 관해 자동차 와 배터리 기업사이의 소송이 진행되고 있다. 화재의 원인 규명이 정확하게 되진 않았지만, 우리가 확실히 느껴야 할 것은 이것이 배터리 셀 자체의 문제든 BMS 제어 시스템의 문제든 안전한 전기자동차를 위해서 배터리 셀과 BMS 모두 기능적으로 더욱 발전해야한다는 것이다.지나간 화재사고를 밑거름으로 삼아 안전한 전기자동차 시대가 열릴 수 있도록, 전기자동차의 ‘안전관리자’ BMS의 행보가 주목된다.

참고문헌

[서론]

1) 박소연 , ‘코나 전기차, 배터리 충전 중 화재…2018년 이후 14번째’, 머니투데이, 20.10.17

https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2020101720064442721

[BMS]

1) ‘전기차 배터리 효율과 안전의 핵심, BMS란?’, LG 이노텍, 20.10.13

https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=29687122&memberNo=30454087&vType=VERTICAL

2) 신윤오, ‘전기자동차용 리튬이온 배터리의 효율적 관리를 위한 BMS의 기능과 활용’, Tech world, 13.07.31

http://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=9998

3) 유영복, "자동차 전지관리시스템", KisTi, 2015

4) 정도양, "전기자동차용 BMS기술", 45p-54p, 2014.12

5) 김영호, "효율적인 Battery 사용을 위한 BMS(Battery Management System)의 설계", 인하대학교, 2017.02