BMS (Battery Management System) 간략 정리

BMS란?

BMS = Battery Management System
: 배터리를 충전할 때나 이용할 때 안전과 효율을 위해서 제어하는 시스템이다.

제어를 하기 위해서 모니터링 하는것

• 전압 (Voltage - V)
• 전류 (Current - I)
• 온도 (Temperture)

배터리라서 전압과 전류를 보는 건 그렇다고 해도 온도를 보는 이유는 다음과 같다

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온도의 중요성

• 고온(High Temp)에서의 위험: '열폭주(Thermal Runaway)' 방지

: 배터리 온도가 일정 수준(약 60°C 이상)을 넘어가면 SEI 막 붕괴 우려가 있다.

음극 표면의 보호막(SEI 막)이 분해되면 가스 발생, 양극재 분해, 분리막 융단까지 악화될 수 있다.

그래서 온도가 위험 수준으로 올라가면 냉각 시스템(Cooling Fan/Chiller)을 강하게 가동하거나, 최악의 경우 릴레이를 끊어 전류가 흐르지 않게 물리적으로 차단해야 한다.

• 저온(Low Temp)에서의 문제: '리튬 석출(Lithium Plating)' 및 성능 저하

: 온도가 지나치게 낮아지면(0°C 이하), 배터리 내부 액체(전해액)의 점도가 높아져 리튬 이온의 이동 속도가 현저히 느려진다.

 

리튬 덴드라이트 형성: 충전할 때 리튬 이온이 음극 내부로 쏙쏙 들어가야 하는데,

추워서 움직임이 둔하다 보니 음극 표면에 들어가지 못하고 그대로 얼어붙듯 쌓여버린다.

이를 리튬 석출(Lithium Plating) 현상이라고 한다. 악화되면 석출 된 리튬이 뾰족한 나뭇가지 모양(덴드라이트)으로 자라나 분리막을 찔러 찢게 되면, 이 역시 내부 단락으로 인한 화재 원인이 된다.

 

또 전체적으로 SOH State of Health (열화도)를 관리해서 새 배터리 대비 현재 배터리의 열화 상태를 진단하여 교체 시기 예측해 준다.

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전압 (Voltage): 과충전 및 과방전 방지

리튬 이온 배터리는 사용할 수 있는 엄격한 전압 범위(예: 2.5V ~ 4.2V)가 정해져 있다.

• 과충전(Over-charge): 상한 전압을 넘어가면 전해액이 분해되어 가스가 차고 열폭주로 이어진다.
• 과방전(Over-discharge): 하한 전압 미만으로 떨어지면 집전체(구리 포일)가 녹아내려 배터리가 영구적으로 망가질 수 있다
• 셀 밸런싱 기준: 수백 개의 셀 중에서 어느 한 셀만 전압이 너무 높거나 낮지 않은지 감시하여 균일하게 맞춰주기 위해 모든 셀의 전압을 개별적으로 측정한다. 균일하지 않으면 전체 배터리 팩이 낮은 배터리 셀을 따라가 버리기 때문에 원래 품질의 효용을 내기 힘들다.

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전류 (Current): 과전류 보호 및 잔량(SOC) 계산

• 과전류 보호 (Over-current): 갑자기 너무 많은 전류가 흐르면 오옴의 법칙($P = I^2R$)에 의해 내부 저항($R$)에서 엄청난 열($P$)이 발생한다. 급가속이나 급속 충전 시 전류 제한 값을 넘지 않도록 통제해야 한다.
• SOC(잔량) 예측: 배터리에 들어오고 나가는 전류의 양을 시간 단위로 계속 더하거나 빼서(전류 적산법), 현재 배터리가 몇 % 남아있는지 계산하는 가장 기본 데이터가 된다.

 

+후에 SOC라는 걸 따로 정리할 예정이다.