올여름, 지하주차장에 주차된 전기자동차에서 화재가 발생해 큰 이슈가 되었습니다. 이 사건으로 많은 전기차량 이용자들의 안전에 대한 불안감이 높아졌습니다.
이러한 사고 예방을 위한 사전 안전성 확보는 자동차 산업의 지속가능한 발전을 위해 매우 중요합니다. 이에, 전기자동차 배터리의 제어를 책임지는 BMS에 대해 알아보고, BMS SW를 검증 가능한 도구 LDRA에 대해 알아보겠습니다.
BMS (Battery Management System)
전기자동차에 탑재된 BMS
전기자동차(BEV)나 에너지 저장 시스템(ESS) 등에 탑재된 배터리의 전류, 전압, 온도 등을 센서로 측정하고 상태를 모니터링하여 배터리가 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 제어하고 관리하는 시스템입니다.
Battery System의 구조
배터리 시스템은 3가지로 구성되어 있습니다.
- 셀(Cell): 가장 작은 기본 단위
- 모듈(Module): 셀들을 일정한 개수로 모아둔 것
- 팩(Pack): 배터리의 최종 형태
Battery System의 구조
BMS의 주요 기능과 역할
BMS는 3가지의 주요 기능을 수행하여 배터리를 최적의 상태로 유지하고 수명을 연장시킵니다.
배터리 관리 시스템의 핵심 기능
- 모니터링
배터리 시스템 내 존재하는 센서를 통해 측정한 상태(전압, 전류, 온도 등)를 모니터링합니다. 이를 통해 SoC(충전 상태), SoH(수명)을 예측합니다. - 셀 관리
배터리 셀 간의 편차를 줄이는 셀 관리(밸런싱)을 수행합니다. - 제어
배터리가 과충전, 과방전, 과전류가 발생하지 않도록 제어합니다.
전기 자동차의 배터리 팩과 결합된 배터리 관리 시스템(BMS)
배터리에서 BMS의 역할은 합창단의 지휘자와 같습니다. 지휘자가 합창단원들의 다양한 목소리의 템포와 높낮이를 조율하여 하나의 아름다운 곡을 만들어내듯이, BMS는 배터리 각 셀의 전류와 전압을 조화롭게 제어합니다.
배터리 관리 시스템이 중요한 이유
배터리 관리 시스템은 배터리의 안전성, 효율성, 수명은 물론 시스템 전체의 성능과 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다.
- 안전
- 과충전 및 과방전 방지: 배터리팩의 각 셀이 안전 전압 범위 내에서 유지되도록 하여 열폭주나 셀의 조기 열화를 예방합니다.
- 전압 및 온도 모니터링: 배터리 셀의 전압과 온도를 지속적으로 모니터링하여 잠재적인 안전 위험을 조기에 감지하고 경고합니다.
- 배터리 수명 연장
- 스트레스 상태 방지: 배터리를 최적의 동작 조건으로 유지하여 조기 노화로 이어질 수 있는 스트레스를 방지합니다.
- 성능 최적화
- 동작 조건 최적화: 온도 및 부하 관리와 같은 파라미터를 모니터링하고 조정함으로써 배터리가 효율적으로 동작하여 최상의 성능을 제공할 수 있도록 합니다.
- SOC(충전 상태) 및 SOH(성능 상태) 추정: 사용 가능한 에너지와 배터리의 전반적인 성능을 이해하는데 매우 중요한 SOC 및 SOH를 계산하고 보고합니다.
- 셀 밸런싱: 배터리팩은 시간이 지남에 따라 셀 간의 불균형이 발생하여 충전 수준에 차이가 생길 수 있습니다. 각 셀이 균일하게 충전되고 방전되도록 셀의 균형을 맞춰주어 배터리 가용 시간을 극대화할 수 있습니다.
- 비용 절감
- 정비 비용 절감: 지속적인 모니터링과 관리로 배터리의 수명을 연장하고 손상을 예방함으로써 정비와 교체 비용을 절감할 수 있습니다.
- 에너지 활용률 극대화: 효율적인 셀 밸런싱을 통해 사용 가능한 저장 에너지를 극대화하여 시스템의 비용 효율성을 높입니다.
- 규정 준수 및 통합
- 재생 에너지 시스템과의 통합: 에너지 저장과 방출을 관리하여 태양광 패널이나 풍력 터빈과 같은 재생 에너지 시스템을 배터리와 통합하는 데 필수적입니다.
- 규정 준수: 대부분의 경우, 특히 EV 및 대규모 에너지 저장 시스템에서 안전 및 효율성 기준을 충족하기 위해BMS를 갖추는 것이 규제 요건으로 지정되어 있습니다.
BMS와 여러 표준에서 안전성 구축을 위한 고려 사항
BMS의 소프트웨어는 기능적 안전성과 보안성이 필수적이며, 기능적 안전성은 위험을 최소화하고 안정적인 BMS 시스템을 구축하는데 핵심적인 역할을 합니다.
또한, ISO26262에 따른 전기 및 전자 시스템의 기능적 안전 검증은 자동차 사용자의 생명을 의도치 않은 오류와 사고로부터 보호하는 매우 중요한 활동입니다.
모든 하드웨어와 소프트웨어의 구성 요소는 IEC 61508에서 파생된 ISO26262 표준을 준수해야 합니다. 이 표준은 시스템을 정상 조건에서 테스트하고, 인위적 오류를 주입하여 비정상 조건에서의 반응을 확인하며, 차량의 운행 안전성을 검증합니다. 이러한 요구 사항은 사양, 설계, 구현, 통합, 검증, 유효성 검사부터 생산에 이르는 전체 개발 과정에서 철저히 고려되어야 합니다.
다양한 표준 준수를 효과적으로 완화하는 LDRA
LDRA와 같은 소프트웨어 확인 및 검증 도구를 사용하면 다양한 표준 준수를 효과적으로 완화할 수 있습니다. LDRA는 TUV SUD와 TUV SAAR로부터 ISO26262 표준에 따라 ASIL D등급까지 안전 관련 개발을 위한 인증을 받았습니다. 또한 CERT, MISRA와 같은 보안 코딩 표준을 준수하며, CWE 기준에 따른 보안 취약점 탐지도 지원합니다.
전기자동차 BMS 소프트웨어의 전반적인 개발을 지원하고 검증할 수 있는 도구인 LDRA, 안전한 자동차 비즈니스를 원하신다면 모아소프트와 함께하세요.
관련 문의: 02-6945-2156