포스팅 목차
전기차를 말할 땐 리튬이온배터리 만큼 중요한 기술이 있습니다. 바로 배터리 관리 시스템 BMS (Battery Management System)입니다. BMS의 역할이 무엇인지, 어떻게 구성되어 있는지, 그리고 시장 전망이 어떤지 가능한 알기 쉽게 살펴보겠습니다.
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1. 배터리 관리 시스템 BMS 란?
배터리 성능이 높아질수록 안정성에 대한 관리가 중요해집니다. 흔한 "전기차 화재", "배터리 열폭주 현상"등과 같은 배터리 사고를 방지하기 위해서이죠. 또한, 배터리팩에 있는 다수의 배터리 셀의 성능을 일정하게 유지하고, 배터리 충전과 방전 등을 관리하여 배터리 수명에 문제가 없도록 관리하는 것도 중요합니다.
이렇게 배터리에 대해 안전과 기능에 입각하여 전반적인 관리 기능을 수행하는 시스템을 "배터리 관리 시스템 BMS (Battery Management System)"이라고 합니다. BMS는 리튬이온배터리와 더불어 최정 팩인 BSA (Battery System Assembly)에 포함되어 전기차량에 부착됩니다.
배터리 모니터링 시스템 그리고 BMS의 기능
배터리 관리 시스템 BMS가 배터리를 효율적으로 관리하기 위해서는 배터리의 상태를 모니터링해야 합니다. 모니터링이 필요한 대표적인 값들을 간단히 표로 살펴보겠습니다.
| 구분 | 모니터링 대상 | 설명 |
| 안전 | 전압(Voltage) | ㆍ과충전(Over-Charge) 전압 방지 : 폭발 위험 방지 ㆍ과방전(Over-Discharge) 전압 방지 : 수명 저하 방지 |
| 전류(Current) | ㆍ과충전(Over-Charge) 전류 방지 : 허용 전류 이하 동작 ㆍ과방전(Over-Discharge) 전류 방지 : 허용 전류 이하 동작 ㆍShort 전류 방지 : 순간적인 과방전 미치 전류 방지 |
|
| 온도(Temperature) | ㆍ고온에서의 폭발 방지 & 저온에서 수명 저하 방지 | |
| 수명 | Cell Balancing | ㆍ셀 간의 편차에서 오는 특성 차이 보정 |
| 상태 | SOC (State of Charge) | ㆍ배터리의 현재 잔존 용량 체크 |
| SOH (State of Health) | ㆍ배터리의 현재 수명 체크 |
위와 같은 측정값을 취합하여 BMS 제어센터에서는 배터리를 다양한 방면에서 관리하는 기능을 수행합니다.
대표적인 5가지 기능을 살펴보겠습니다.
1) 배터리 셀 관리 (셀 밸런싱)
배터리팩은 크게 아래와 같이 만들어집니다. 배터리셀 ->배터리 모듈 -> 배터리 팩 -> BMA
모든 배터리 셀의 충전량과 방전량, 전압등은 정확히 같은 값을 갖지 못하고 저마다 조금씩 차이가 발생합니다. 이는 제조 공정이나 외부적인 요인에 따라 발생하는 현상인데요. 피해 갈 수 없기 때문에 이를 조절해 주는 기능이 반드시 필요합니다. 이를 "셀 밸런싱(Cell Balancing)"이라고 합니다.
만약 이러한 밸런싱 작업이 없다면 배터리팩 내부 일부 셀에서 과전압이나, 과방전등이 발생하여 화재의 위험이나 배터리 수명에 결함을 줄 수 있게 됩니다.
"BATTERY INSDIE"에 보다 자세하고 이해하기 쉬운 글이 있으니 궁금하신 분들은 참고하시면 좋을 듯합니다.
배터리 용어사전 - 셀 밸런싱(Cell Balancing) - 배터리인사이드 | BATTERY INSIDE
전기차처럼 많은 전력을 요하는 기기에는 배터리 팩 하나에 수많은 셀들이 들어갑니다. 그런데 만약 어떤 셀은 아직 전력이 아직 많이 남았는데 또 다른 셀은 전력을 모두 사용해버렸다면 어떻
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2) 냉각제어 (열관리)
배터리에서 무엇보다 중요한 "열"을 관리합니다. 리튬이온배터리 특성상 열이 발생할 수밖에 없는데요. 이런 열은 자칫 하면 화재를 발생시키기도 하고 배터리의 치명적인 손상을 가져올 수 있습니다. (전고체 배터리가 각광받고 있는 이유가 이러한 열관리가 굉장히 안정적이기 때문이죠) 따라서 냉각팬을 컨트롤하여 적절한 쿨링으로 전체적인 배터리 열을 관리해 줍니다.
3) 충전상태 (SOC) 예측
역시 배터리 셀단 위의 측정을 통해 적절한 충전상태(SOC)를 예측합니다. 이러한 예측을 통해 배터리 충전 여부를 판단할 수 있게 해 주고, 운전자에게 배터리 잔량을 알려주죠. SOC는 배터리 수명 관리에 필수적인 요소로 자세한 포스팅은 아래를 참고하시면 좋을 것 같습니다.
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4) 파워제한
배터리의 과충전과 과방전을 방지하는 기능도 수행합니다. 일정 SOC 이상으로 배터리가 충전이 되면 더 이상 충전이 되지 않도록 제한을 걸어두고, 반대로 SOC가 낮은 상태에서 방전이 지속되는 과방전 현상이 일어나지 않도록 제어하는 기능도 수행합니다.
또한 배터리의 온도와 전압이 비정상적으로 올라갈 시 차량의 출력을 제한하여 배터리를 안정화시키는 기능을 수행합니다.
5) 진단
배터리 시스템의 고장을 진단하는 기능을 수행합니다. 과전압, 배터리셀, 전류센서, 냉각팬, 통신 등 다양한 부분에서 오류가 발생할 수 있는데요. 이러한 오류를 발견하여 운전자에게 알려주고 필요시 기능을 차단하여 치명적인 위험을 차단하기도 합니다.
2. BMS 구성과 각 모듈 역할
배터리 관리 시스템 BMS 는 총 3가지 유닛(Unit)으로 구성되어 있고, 배터리 팩과 함께 최종적으로 BSA(Battery System Assembly)로 만들어집니다.
대표적으로 CMU, BMU, BJB라 부르지만 저마다 조금씩 다르게 부르기도 합니다.
| BMS를 구성하는 모듈(Unit) | 호칭 | 약어 |
| CMU (Cell Monitoring Unit) | 셀 감시 회로 셀 모니터 유닛 |
CSU CSC CMU |
| BMU (Battery Management Unit) | 배터리 전기 컨트롤러 배터리 에너지 컨트롤 모듈 배터리 관리 유닛 |
BCU BEC BECM BMU |
| BJB (Battery Juction Box) | 배터리 정션 박스 | BDU BJB |
1) CMU (Cell Monitoring Unit)
배터리 셀에 직접적으로 연결되어 셀 하나하나의 측정값을 정밀하게 모니터링합니다. 이렇게 얻은 수치는 BMU로 보내져 BMU에서 적절한 조치를 취할 수 있게 해 줍니다.
2) BJB (Battery Junction Box)
배터리 팩에 들어오는 총 전압과 고전압을 모니터링하고, 배터리 안과 밖으로 흐르는 전류를 측정하여 BMU로 보냅니다. 이후 BMU에서 이 수치를 바탕으로 적확한 SoC를 계산하는 것이죠.
이 밖에도 과전류를 감지하여 경고하며, 접촉기, 절연 모니터링 같은 배터리 안전과 관련된 기능을 수행합니다.
3. BMU (Battery Management Unit)
BMS의 두뇌에 해당합니다. 위의 CMU와 BJB 가 측정한 값들을 취합하여, 상황에 맞는 결정을 내려 배터리 시스템 전반적인 제어를 합니다. 즉, 최종 명령 결정권자이며 배터리의 안정성과 성능을 관장하는 중앙 장치입니다.
배터리 관리 시스템 BMS에서 가장 중요한 모듈을 꼽자면 역시 BMU(Battery Management Unit)입니다. CMU와 BJB의 정밀한 측정값을 읽어드려 상황에 맞는 결정을 내리며 배터리의 안전성과 성능을 향상하기 때문이죠.
결국 이 모든 것은 반도체와 전기회로에 의해 꾸려집니다. 이제 전기차 산업과 반도체 산업을 왜 떼어놓고 생각할 수 없는 것 인지 아시겠지요?
3. 배터리 관리 시스템 BMS 시장 전망
앞서 말씀드렸듯이, 전기차의 수요와 기술이 높아질수록 BMS 기술과 공급이 전제되어야 합니다. 업계에서도 가장 주요한 핵심 사업 분야로 전망하고 있으며,
SNE 리서치에 따르면 전기차 배터리 관리 시스템 BMS의 시장 규모는 2022년 36억 달러에서 2025년 76억 달러 수준으로 성장할 것을 전망하고 있습니다. 그리고 2030년에는 무려 190억 달러(한화로 약 25조 원)에 달할 것으로 보고 있죠.
BMS는 배터리를 제어/관리하는 시스템이기 때문에 무엇보다 "반도체"가 중요합니다. BMS 시장 성장에 힘입어 반도체 역시 성장할 것으로 예상하는데요.
얼마 전에 대한민국 굴지의 대표기업인 "현대차"와 "삼성"이 전기차 인포테인먼트 사업에서 첫 협력을 한다는 보도자료가 나와서 떠들썩한 적이 있었습니다. 개인적인 바람으로 그칠 수 있겠지만, 추후 BMS 쪽에서도 현대차와 삼성이 협력하는 모습을 기대하고 있습니다.
4. BMS 국내 기업
전기차 BMS 분야에서는 케피코(Kefico), 파워로직스(PowerLogics), 넷스콘텍(Nexcon Technology), 이랜텍(Elentec) 등이 생산 및 개발에 참여하고 있다. 대표적인 두 기업 파워로직스와 넥스콘테크놀로지에 대해 간단히 살펴보겠습니다.
파워로직스(Powerlogics)
전기자전거를 시작을 현재는 전기차 BMS를 연간 60만 개를 생산하고 있는 BMS 시장의 주도 기업입니다. 그동안 삼성 SDI BMS를 공급해 왔죠. 작년까지 적자로 인해 관심에서 멀어졌는데, 올해 2023년에는 3년 만의 실적 턴어라운드가 된다고 합니다.
넥스콘테크놀로지 (Nexcon Tech.)
그간 삼성 SDI와 LG화학 등의 대형 배터리 기업의 1차 협력사로 2014년 이후 꾸준히 매출 성장세가 이어져오고 있는 탄탄한 기업입니다.
오늘은 이렇게 전기차 배터리 시스템에서 없어서는 안 될 배터리 관리 시스템 BMS에 대해 알아보았습니다. 보다 쉬운 이해를 목적으로 작성했기 때문에 내용의 깊이가 다소 떨어질 수 있는 점은 양해 부탁드립니다.
부족한 글 읽어주셔서 감사드리고, 오늘도 행복한 하루 보내시기 바랍니다!
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