지난여름 인천에서 발생한 벤츠 전기차 화재 사건은 BMS의 영구 손상으로 명확한 원인을 파악하지 못하게 되었습니다.
이처럼 BMS는 배터리와 관련하여 많은 기능과 정보를 가지고 있는 중요한 시스템입니다. 오늘은 전기자동차와 ESS 등에 탑재되는 BMS와 이를 지원하는 프로그램 Jama에 대해 살펴보겠습니다.
BMS란?
전기자동차와 하이브리드 전기자동차의 이차전지의 전류, 전압, 온도 등 여러 가지 요소를 센서를 통하여 측정하여 배터리의 충전, 방전 상태와 잔여 량을 제어합니다. 전기차량 내부의 다른 제어시스템과 연동하여 배터리가 최적의 작동 환경을 만들도록 하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)입니다.
주요기능
BMS는 10가지가 넘는 주요기능을 가지고 있습니다.
BMS의 주요 기능
- 배터리 개별 셀의 상태 제어
- 비상시 배터리 분리
- 통합된 배터리 내의 셀 매개 변수에 있는 불균형 조정
- 배터리 충전 정보 제공
- 배터리 상태에 대한 정보 제공
- 드라이버 디스플레이 및 경보에 대한 정보 제공
- 배터리의 사용 기능 범위 예측 (Ex. 주행 가능 거리 등)
- 통합된 배터리 셀의 충전 위한 최적의 충전 알고리즘 제공
- 개별 셀에 충전 가능한 접근 수단 제공
- 차량 주행 모드 변화에 대응
이외에도 차량의 주행 모드에 적합한 전기 및 모터 제어 시스템을 제공하며 가속, 제동, 공회전 여부와 차량 운행 모드(전기차 모드, 하이브리드 모드)에 맞추어 배터리 성능을 최적화합니다.
배터리 관리 시스템의 중요성
BESS(전체 배터리 에너지 저장 시스템)은 응용 분야에 따라 수십, 수백 또는 수천 개의 리튬 이온 셀로 전략적으로 함께 포장된 것으로 구성될 수 있습니다. 이 시스템의 정격 전압은 100V 미만에서 최대 800V까지 높아질 수 있으며 팩 공급 전류 범위는 300A 이상에 달합니다. 고전압 팩을 잘못 관리하면 생명을 위협하는 사고로 이어질 수 있어, BMS는 안전한 작동을 보장하는 데 절대적으로 중요한 역할을 합니다.
- 기능 안전
BMS에서 가장 중요한 것은 기능 안전입니다. 충전 및 방전 작동 중에 감독 제어 하에 있는 모든 셀 또는 모듈의 전압, 전류 및 온도가 정의된 SOA 제한을 초과하지 않도록 하는 것이 중요합니다. 일정 시간 동안 제한된 기준을 초과하면 잠재적으로 값비싼 배터리 팩이 손상될 뿐만 아니라 위험한 열 폭주 조건이 발생할 수 있습니다. 또한 리튬 이온 전지의 보호 및 기능 안전을 위해 더 낮은 전압 임계 값 제한도 엄격하게 모니터링됩니다. 리튬 이온 배터리가 이러한 저전압 상태를 유지하면 구리 덴드라이트가 양극에서 자랄 수 있으며, 이로 인해 자체 방전율이 높아져 안전 문제가 발생할 수 있습니다.
리튬 이온 전력 시스템은 높은 에너지 밀도를 제공하며, 이를 위해 배터리 관리의 정확성이 매우 중요합니다. 하지만 BMS(배터리 관리 시스템)와 리튬 이온 기술의 발전 덕분에, 리튬 이온 배터리는 현재 가장 성공적이고 안전한 배터리 기술 중 하나로 자리 잡고 있습니다.
- 배터리 성능의 최적화
배터리 팩의 성능은 두번째로 중요한 기능이며 전기 및 열 관리가 포함됩니다. 전체 배터리 용량을 전기적으로 최적화하려면 팩의 모든 셀이 균형을 이루어야 하며, 어셈블리 전체에 걸쳐 인접한 셀의 SOC가 거의 동일하다는 것을 의미합니다. 이는 최적의 배터리 용량을 실현할 수 있을 뿐만 아니라 일반적인 성능 저하를 방지하고 약한 셀의 과충전으로 인한 잠재적인 핫스팟을 줄이는 데 도움이 되기 때문에 매우 중요합니다. 리튬 이온 배터리는 메모리 효과와 상당한 용량 손실을 초래할 수 있으므로 낮은 전압 한계 이하로 방전되지 않도록 해야 합니다.
- 배터리 온도 관리
전기화학 공정은 온도에 매우 민감하며 배터리도 예외는 아닙니다. 환경 온도가 떨어지면 용량과 사용 가능한 배터리 에너지가 크게 떨어집니다. BMS는 예를 들어 전기 자동차 배터리 팩의 액체 냉각 시스템에 상주하는 외부 인라인 히터 또는 헬리콥터 또는 기타 항공기 내에 통합된 팩의 모듈 아래에 설치된 상주 히터 플레이트를 결합할 수 있습니다. 또한 차가운 리튬 이온 전지의 충전은 배터리 수명 성능에 해롭기 때문에 미리 배터리 온도를 충분히 높이는 것이 중요합니다. 대부분의 리튬 이온 전지는 5°C 미만일 때는 고속 충전할 수 없으며 0°C 미만일 때는 절대로 충전해서는 안 됩니다.
- BMS의 최적 작동 온도
BMS 열 관리는 최적의 성능을 위해 배터리가 좁은 Goldilocks 작동 영역(예: 30 – 35°C) 내에서 작동하도록 합니다. 이를 통해 성능을 보호하고 수명을 연장하며 건강하고 신뢰할 수 있는 배터리 팩을 개발할 수 있습니다.
- 진단, 데이터 수집 및 외부 커뮤니케이션
감독 작업에는 모든 배터리 셀에 대한 지속적인 모니터링이 포함되며, 데이터 로깅은 진단을 위해 단독으로 사용할 수 있지만 어셈블리에 있는 모든 셀의 SOC를 추정하기 위한 계산 작업에도 주로 활용됩니다. 수집된 정보는 밸런스 알고리즘에 사용되며, 외부 장치 및 디스플레이에 연결되어 사용 가능한 상주 에너지의 현재 사용량을 기반으로 예상 범위 또는 범위/수명을 추정하고, 배터리 팩의 상태를 제공할 수 있습니다.
- 비용 및 보증 감소
BESS에 BMS를 도입하면 비용이 추가되며, 배터리 팩도 고가이면서 잠재적 위험성을 가지고 있습니다. 시스템이 복잡할수록 안전 요구 사항이 증가하므로 더 많은 BMS 감독이 필요합니다. 그러나 BMS가 제공하는 기능 안전성, 수명 및 신뢰성, 성능 및 범위, 진단 등의 기능을 통한 보호 및 예방적 유지 관리는 보증과 관련된 비용을 포함한 전체 비용을 절감시킬 수 있습니다.
Jama Software
소프트웨어의 개발 및 시스템 엔지니어링을 지원하는 요구 사항 관리 및 추적 소프트웨어입니다.
복잡한 시스템의 설계, 개발, 테스트 과정에서 요구 사항을 관리하고, 시스템 간의 연관성을 추적하는 데 사용됩니다.
- 요구 사항 관리: 제품이나 시스템의 요구 사항을 수집, 분석, 추적하고 이를 문서화하여 프로젝트 전체에서 이를 준수하도록 관리합니다.
- 변경 관리: 설계 변경이나 요구 사항 변경에 따라 프로젝트가 영향을 받지 않도록 하고, 변경 사항을 추적하고 관리합니다.
- 추적성 관리: 요구 사항, 설계, 테스트, 구현 등 다양한 시스템 요소 간의 관계를 추적하여 프로젝트가 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.
BMS와 Jama Connect
BMS와 Jama가 직접적으로 연관성은 시스템 개발과 관리에서 나타날 수 있습니다.
예를 들어, 전기차의 배터리 관리 시스템(BMS)을 개발하는 프로젝트에서 Jama를 사용할 수 있습니다.
이 경우, Jama는 BMS의 요구 사항을 관리하고, 설계 및 테스트 과정에서 필요한 추적 작업을 도와줍니다.
- 요구 사항 추적: BMS의 설계 및 구현이 특정 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 Jama에서 요구 사항을 정의하고, BMS 시스템과 연계할 수 있습니다.
- 설계 변경 관리: 배터리의 안전성이나 효율성을 향상시키기 위해 설계 변경이 필요한 경우, Jama에서 변경 사항을 추적하고 관리할 수 있습니다.
- 추적성 제공: Jama는 배터리 관리 시스템의 각 기능이 요구 사항에 어떻게 부합하는지, 어떻게 테스트되고 검증되는지 효과적으로 추적할 수 있습니다.
즉, BMS와 Jama는 서로 다른 역할을 하지만, BMS 시스템 개발 및 관리의 과정에서 요구 사항 관리, 설계, 테스트 등을 위한 추적 및 문서화 도구로서 연결될 수 있습니다.
자동차 BMS와 연결성을 가져 상호작용이 가능한 도구, Jama
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