Battery Management System
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Critical review and functional safety of a battery management system for large-scale lithium-ion battery pack technologies
Abstract
battery management system (BMS)는 electric propulsion(전기 추친, 전기 동력)과 electrification(전기화)에 대한 주요 보호책이다. BMS는 battery cell 동작의 안정성을 보장하고 전압, 전류, 온도 등의 정보를 모니터링하고 battery performance를 향상시킨다.
Introduction
산업 전반의 전기화(Electrification): 교통, 광업, 제조, 에너지 저장 등 거의 모든 산업 분야에서 기존의 연료나 가스 기반 시스템을 배터리로 대체하려는 움직임이 가속화되고 있고 이러한 흐름에따라 BMS의 중요성이 더욱 커지고 있다.
BMS의 정의와 목적: battery pack은 특정 용도에 맞춰 여러 개의 Battery cell을 직렬 또는 병렬로 연결하여 구성된다. BMS의 목적은 이 각각의 셀들이 제조사가 지정한 안전한 범위 내에서 동기화되어 작동하도록 효과적으로 관리하는 것이다.
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셀 관리 및 동기화: BMS의 목적은 배터리 팩 내의 각 개별 셀을 효과적으로 관리하여 이들이 서로 동기화되도록 하고, 제조사가 지정한 안전한 범위 내에서 작동하도록 하는 것이다.
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기본 파라미터 측정: 개별 셀의 전압과 온도, 그리고 배터리 팩에 흐르는 전체 전류를 측정하는 기초적인 기능을 수행한다.
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전하 균등화 (Equalization): 배터리 팩 내의 모든 셀이 유사한 충전 및 방전 속도를 가질 수 있도록 전하 균등화 솔루션을 제공한다.
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과충전 및 과방전 방지: 가용 충전 잔량에 대한 신뢰할 수 있는 정보를 제공하여 과충전(Over-charging) 및 과방전(Over-discharging) 상태가 되지 않도록 방지한다.
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state of health (SoH) 진단: 보다 진보된 BMS는 각 셀의 충·방전 사이클을 상세히 진단하여 배터리 팩의 건강 상태(Health Status)를 근사치로 제시한다.
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데이터 및 상태 계산: 대규모 시스템의 경우 state of charge(SoC) 및 잔여 수명(Cycle life)을 계산하고, 데이터 수집(Data acquisition) 을 관리하며, 배터리의 균일성을 유지하는 프로세스를 수행한다.
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동적 제어 및 열 관리: 충·방전율을 동적으로 제어하며, 수동 방식이 아닐 경우 열 분포(Thermal distribution) 를 관리한다.
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시스템 통신 및 안전 보장: 시스템 내의 다른 전자 부품들과 신호를 송수신하며, 배터리 팩에 연결된 모든 절연 구성 요소(Isolation components)가 정상적으로 작동하는지 확인한다.
Data acquisition
BMS의 기초는 배터리 팩 시스템 내의 모든 외부 셀 파라미터를 정확하게 측정하는 것에 있다.
시스템이 측정 신뢰성에 크게 의존하기 때문에, 모니터링 및 감지 회로의 설계 기준은 매우 엄격하며 예상된 수치를 보장하기 위한 정밀한 평가가 필수적이다.
시스템의 가장 핵심적인 데이터는 메인 전류 센서, 셀 전압 센서, 온도 센서를 통해 수집된다. 이외에도 보조 센서로 습도, 가속 및 브레이크 페달, 절연 감지, 위치 정보 등을 측정하는 아날로그 센서, 각종 표시기(Indicators)와 스위치 등의 상태를 확인하는 디지털 센서 등이 있다.
temperature sensor
BMS는 전압 및 전류 센서 외에도 배터리 팩 내부의 온도를 측정하기 위해 온도 센서를 사용한다.
위험 환경(Hazardous Environment)에서의 기준: 광산과 같은 위험한 환경에서는 충·방전 과정에서 발생하는 열을 엄격히 관리해야 하므로, 모든 개별 셀의 터미널(단자) 온도를 각각 측정해야 한다.
일반 자동차 애플리케이션의 방식: 반면, 일반적인 전기차 등에서는 효율성을 위해 팩 내부의 특정 핫스팟(고온 지점)과 콜드스팟(저온 지점)에만 센서를 배치하며, 이를 통해 팩 전체의 온도 분포를 일반화하여 추정한다.
BMS output & electromagnetic compatibility
안전 보호 출력: BMS는 수집된 모든 데이터를 분석하여 전압, 전류, 온도 등의 파라미터가 안전 범위를 벗어날 경우, 안전 컨택터(접촉기)를 작동시켜 배터리 팩을 즉시 격리한다.
기타 제어 출력: 안전 차단 외에도 상태 표시기 작동, 열 관리를 위한 냉각 팬 속도 조절, 각종 스위칭 접점 제어 및 외부 장치와의 통신 등을 수행한다.
전자기 적합성(EMC)의 중요성: 특히 전력 전자 부품들이 BMS와 매우 가까이 배치되는 전기차 분야에서는 회로 레이아웃의 전자기 적합성이 설계의 필수 고려 사항이다.
데이터 신뢰성 확보: 우수한 전자기 간섭(EMI) 방지 설계는 수집되는 데이터의 신뢰성과 품질을 보장하며, 이는 결과적으로 시스템의 데이터 처리 능력을 더욱 향상시키는 역할을 한다.
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