본 논문은 KIPE Magazine, 전력전자학회지에 나왔으며, 2014.12.20에 출판되었다.
간단한 전기자동차용 BMS 기술에 대한 내용이다.
논문을 통하여 공부한 내용이다. 정리가 잘 되어있지 않고 잘못된 점이 있을 수 있다.
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전기자동차용 BMS 기술 -KIPE Magazine | Korea Science
전기자동차용 BMS 기술
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BMS
: 배터리 팩의 성능, 수명, 신뢰성 밑 안정성을 향상하기 위한 배터리 관리 장치.
- 배터리 상태를 실시간으로 검지, 배터리의 사용조건에 적합한 충방전을 수행.
- 전기자동차의 안전성과 신회성에 영향을 미치는 전장부품.
전기자동차 배터리 시스템
- 배터리 셀 & 모듈, 지지 기구물, W/H, 냉각 장치, PRA[Power Relay Assay], BMS 등으로 구성.
- W/H : 셀과 모듈 사이를 전기적으로 연결하고 신호를 전달.
- PRA : 배터리 팩의 이상시 전원을 차단하여 안전을 확보.
- Service Plug : 배터리 팩의 전원을 물리적으로 차단할 수 있는 스위치나 플러그, 차량의 유지보수 및 수리를 위해 사용.
배터리
- 배터리 셀이 직병렬로 연결 → 모듈 구성
- 모듈이 직병렬로 연결 → 배터리 팩 구성
- 이 팩에 W/H, PRA, BMS 등이 더해지는 상태
100개 내외의 배터리 셀이 직렬로 연결되어 장착 → 성능, 수명이 가장 낮은 셀에 의해 팩의 성능 결정.
셀 간의 편차를 낮게 구성해야함.
Master-Slave Type
: 큰 배터리 팩을 여러 개의 작은 모듈로 나누어 각각 관리. 전체 시스템의 효율성과 안정성을 높이기 위해 사용
- Master Unit
- 전체 BMS의 제어와 관리 담당
- 모든 Slave Unit에서 수집된 데이터를 종합, 분석, 셀의 상태를 모니터링
- 배터리 시스템의 상태를 차량의 주요 시스템[VCU, MCU, OBC 등]에 전달, 필요에 따라 제어 명령 동작
- 충전 및 방전 과정의 제어, 밸런싱, 보고 기능 등을 수행
- Slave Unit
- 개별 셀 또는 모듈 상태를 모니터링
- 각 셀의 전압, 온도, 전류 등의 데이터를 측정, 이를 Master Unit으로 전송
- 일부 local에서 간단한 밸런싱 작업을 수행할 수 있음.
- Master Unit의 명령에 따라 작동, 고유한 ID를 가짐 여러 개의 Slave가 동시에 존재할 수 있음.
- VCU [Vehicle Control Unit] : 차량의 센서에서 데이터를 수집, 이를 기반으로 각종 제어 명령을 내림.
- MCU [Motor Control Unit] : 전기차의 전기 모터를 제어하는 장치.
- 전기 모터의 회전 속도, 토크, 방향 등을 조절하여 차량의 주행 성능 최적화.
- 인버터와 함께 작동, 배터리로부터 전력을 받아 모터의 구동에 필요한 형태로 변환.
- 회생 제동 기능을 통해 에너지르 회수하기도 함.
- OBC [On-Board Charger] : 전기차의 배터리를 충전하는 장치, 외부 전원을 배터리의 충전 전압으로 변환.
BMS 기능
- Battery Operation
- 배터리 셀의 전압과 온도, 팩의 전압과 전류 측정하여 SOC[State of Charge], SOH[State of Health], SOF[State of Function]을 추정. 배터리 셀의 균일화와 냉각을 제어.
- Battery Protection
- 배터리 셀과 모듈, 배터리 팩을 사고로부터 보호하기 위한 기능.
- 배터리 셀의 과충전, 과방전, 과온 등의 이상상태로부터 셀을 보호하는 기능.
- 차량 제어기와의 통신 불량, 배터리 팩 내외의 전기적 단락 등으로부터 배터리 시스템을 보호하는 기능.
- System Interface
- BMS와 차량의 통신과 입출력 신호 송수신과 관련된 기능.
- I/O Interface, Relay Control, Data Reporting 기능 등이 있음.
- Diagnostics
- 배터리 셀과 모듈, 배터리 시스템을 자가진단하는 기능
- Battery Health, System Abnormal, System Failure, Sensing Error 등이 있음.
BMS 하드웨어
: Slave BMS : 배터리 셀 전압, 온도를 측정, CAN 통신으로 정보를 Master BMS에 전달.
Master BMS는 Slave BMS로부터 받은 셀 전압, 셀 온도와 배터리 팩의 전류를 측정한 데이터를 종합 분석,
SOC, SOH 등의 알고리즘을 수행, 차량 제어기와 I/O 및 CAN 통신 인터페이스를 통해 배터리의 실시간 상태 정보를 전달.
BMS 사양
: -30 ~ 85℃로 일반 산업용 제어기에비해 온도사양이 높다.
DC-DC 컨버터와 보조배터리 전원으로 동작 → 소비전력 및 암전류를 최소화하여 하드웨어 설계.
BMS의 암전류를 1mA 이하로 설계하는 것이 기준사양이다.
- 암전류 [Dark Current]
- 반도체 디바이스나 광센서에서 입력 신호가 없는 상태에서도 흐르는 미세한 전류.
- 열적 잡음 [Thermal Noise] : 반도체 내이 열 운동으로 인해 전자가 에너지 상태를 바꾸면서 발생하는 전류
- 제조 공정 불완전성 : 반도체 제조 과정에서 생길 수 있는 불순물이나 결함이 암전류를 증가시킬 수 있음.
- 바이어스 전압 : 장비에 가해지는 바이어스 전압도 암전류를 유발할 수 있음.
차량 통신 인터페이스인 CAN 통신을 기본으로 함.
CAN 통신 : 일반적으로 2 채널. 차량 내부 통신용과 차량 외부 통신용으로 구분
측정 회로
: 포토모스 타입의 Multi-Channel Switcing 방식 → BMS 전용칩[ASIC]
전압 측정 회로
- 포토모스 타입 스위치 : SSR, 광전 효과를 이용해 전기적 접촉 없이 전류를 제어할 수 있음.
- LED에 전원이 공급되면 빛이 방출.
- 광센서가 감지하면 MOSFET이나 SCR이 작동하여 출력단에 전류가 흐름.
- 입력 신호와 출력 신호가 전기적으로 분리, 고전압이나 고전류가 민감한 회로에 영향을 미치는 것을 방지.
- BMS 전용칩 : 셀의 전압과 온도 측정 및 셀 밸런싱 회로와 통신 회로가 모듈화되어 있음.
- SCR : Silicon Controlled Rectifier, 실리콘 제어 정류기
- 전력 제어를 위해 사용되는 반도체 소자, 주로 전류의 흐륾을 제어하는 스위치로 작동.
- 3단자 소자 : Gate, Anode, Cathode 3개의 단자로 구성. 게이트에 신호를 주면 SCR이 활성화되어 전류가 흐름.
- 단방향 전류 제어 : 한 방향으로만 전류를 흐름. 전류가 흐르기 시작하면 게이트에 신호가 없어도 계속 흐름. 차단할려면 애노드-캐소드 간의 전류를 특성 수준 이하로 낮춰야함.
- 고전력 처리 : 높은 전압과 전류를 제어할 수 있음. 고전력 응용에 적합.
- 셀 전압 또는 모듈 전압 측정 시 절연형의 포트모스 타입의 스위치를 사용.
- 고전압부의 셀 전압을 측정 → 커패시터에 셀을 연결, 커패시터를 충전하여 셀과 커패시터의 전압을 같게 함.
- 고전압부의 셀 전압이 커패시터에 충전이 되면 고전압부 포토모스 스위치를 Off 시킴.
- 저전압부 포토모스 스위치를 On시켜 커패시터에 충전된 전압을 빠르게 AD하여 셀 전압을 측정할 수 있게 함.
- AD : Analog to Digital
- 고전압부의 셀 전압이 커패시터에 충전 → 포트모스 스위치를 통해 저전압부로 전달 → AD를 통해 디지털 신호로 변환
전류 측정 회로
- Shunt 방식 : 비절연 형태의 전류 센서
- 센서에 전류가 직접 흘러 대전류 인가 시 발열 및 노이즈 측면에서 취약,
- 가격 저렴, 저전압의 저가형 시스템에 적합
- Hall Senssor 방식 : 절연 형태의 전류 센서
- HCT : 고전압 시스템에서 전자파 특성이 우수, 절연 형태로 사이즈를 최소화할 수 있음.
- Open Loop 회로 방식으로 센서에 전류가 인가되면 전압값으로 센서 출력이 되는 방식.
- 단전원 형태의 회로 구성이 용이.
셀 밸런싱 회로
: 셀 편차 발생시 편차를 최소화하기 위한 실시간 밸런싱ㅇ 수행 기능.
- Passive Balancing Circuit
- 전기 자동차에 가장 널리 사용하는 밸런싱 회로 방식
- 높은 전압 값을 나타내는 셀을 선택하여 저항으로 에너지를 소비, 전압 값을 낮춰 균일화를 달성.
- 회로 구성이 단순, 가격 저렴. 발열 및 효율 측면에서 불리.
- 국/내외 완성차 업체에서 적용하는 방식.
- Active Balancing Circuit
- Passive 방식의 단점을 보완
- 높은 전압을 나타내는 배터링 셀의 에너지를 낮은 전압의 배터리에 충전을 해주는 방식.
- 에너지 소비가 거의 없다.
- 발열이 적음. 에너지 효율 높음. 회로 구성 복잡, 가격 비쌈. BMS 사이즈 커짐.
- 최근에 다양한 토폴로지의 Active Balancing 회로 방식이 개발되고 있음.
BMS 제어로직 및 알고리즘
- SOC : 현재 남아있는 잔존용량을 계산, 추정하는 것. 온도, 충방전 전류의 크기에 따라 변화할 수 있음.
- 정확한 SOC 추정은 배터리 수명을 증대, 배터리의 성능을 최적화, 용량을 효율적으로 사용할 수 있음.
- OCV Method : 배터리 전압을 측정하여 Look-up Table의 OCV-SOC 데이터와 비교하여 SIC를 얻는 방법.
- 충방전 전류와 온도에 따라 크게 변화 → 동적인 차량 주행 조건에서 SOC 추정 정확도 매우 낮음.
- Tino Method : OCV Method 개선한 방법
- 전기자동차가 운행되는 동안의 충방전 전류에 의한 전압의 변화를 보상.
- 그 후 Look-up Talble에 있는 OSV-SOC 데이터와 비교하여 SOC를 얻음.
- OCV Method에 개선되었으나 동적인 차량 주행 조건에서 SOC 추정 정확도는 낮음.
- V = V0 + IR
- Coulombic Counting Method
- 배터리 충방전시의 전류를 실시간으로 적산하여 배터리의 용량과 비교하여 SOC를 추정.
- 배터리의 용량 퇴화와 충방전 효율을 고려하여 계산 → 차량의 동적 운행 조건에도 비교적 정확.
- 전류 센서에 크게 의존, 센서의 오차에 의한 시간에 따른 SOC 추정 오차의 누적이 있음.
- EKF Estimation Method (Extended Kalman Filtering)
- 배터리 셀을 비선형 거동 시스템으로 간주, Parameter를 추출하여 EKF 방식을 이용하여 SOC 추정
- SOC 정확도는 모든 구간에서 4.9% 이하를 나타냄.
- DCH [Discharge] : 배터리 방전, 배터리가 저장된 에너지를 사용하여 전기 에너지를 외부로 공급.
- $I_{DCH}$ : 방전 전류
- $E_{DCH}$ : 방전 중 배터리가 사용할 수 있는 에너지 효율
- CHA [Charge] : 배터리의 충전
- $I_{CHA}$ : 충전 전류
- $E_{CHA}$ : 충전 중 배터리가 저장할 수 있는 에너지 효율
- Capacity Fade : 배터리의 용량 감소.
- 배터리를 반복적으로 사용하고 충방전하며 초기 용량 대비 사용할 수 있는 에너지가 점점 감소.
- 용량 감소를 고려하여 배터리의 실제 사용 가능한 용량을 계산하는데 사용.
- 상태 벡터 [f1, f2, h, zk] : 배터리 내부 상태를 나타냄.
- f1, f2 : 배터리 동적 반응 특성을 나타내는 변수
- h : 배터리의 과거 전류나 전압 상태를 반영하는 변수
- zk : 주로 SOC를 나타냄
- 상태 전이 행렬 : 시간에 따라 어떻게 변화하는지 나타내는 행렬
- t에서 t+1에서의 상태로 어떻게 변화하는지 나타냄.
- 상태 변수들 간의 상호작용 및 시스템의 동적 특성을 반영
- [0.9999 * tanh(a1)]와 같은 비선형성 고려.
- 입력 벡터 [ik] : 시스템에 대한 외부 입력, 충/방전 전류
- F[ik] : 입력 전류 ik의 함수, 전류의 영향을 어떻게 고려하는지 보여줌.
- 지수함수나 비선형 함수로 표현되어 배터리의 동적 반응으로 모사
- 출력 방정식 [yk] : 배터리 시스템의 출력을 나타냄
- $yk = OCV(zk) + Mh_k + g1f1,k + g2f2,k$
- OCV[zk] : 배터리의 개방 회로 전압. SOC에 크게 의존하는 값
- Mh_k, g1f1,k, g2f2,k : 추가 동적 용소 반영. 측정 전압과 예측 전압 사이의 차이를 줄임
- 모델링 파라미터 $\Theta ^{T}$
- 모델을 최적화하거나 학습하기 위한 파라밑터
- R, C 등 상수 포함.
Power Control
: 배터리 정상 상태 → 배터리 출력값 그대로 차량에 제공.
배터리 Warning State 진입 → 추정된 배터리 출력을 50%까지 낮추어 차량에 제공.
배터리 출력을 감소시켜 배터리가 정상상태로 복귀함.
하지만 Fault Level에 도달하게 되면 배터리 출력을 차단하여 사고 방지.
Cooling Control
- 배터리가 발열 반응이 일어나며 배터리 셀의 온도가 상승한다.
- 리튬이온전지의 수명이 감소될 수 있음.
- 어느 온도 이상으로 상승할 경우 열폭주현상[Thermal Runaway]가 발생할 수 있다.
- → 배터리 시스템의 냉각을 위해 냉각제어를 수행.
- 냉각 팬의 제어시 온도의 상승 혹은 하강에 따른 채터링 현상을 방지하기 위해 히스테리시스 구간을 마련.
Diagnosis
- 자가진단 수행
- Warning Condition에 도달 → 배터리 출력을 50% 감소
- Fault Condition에 도달 → 배터리의 출력을 차단
