배터리 팩 BMS의 핵심 기능, 시스템 아키텍처 및 하드웨어 구조: PACK 제조 공정 시리즈

전력 배터리 팩과 에너지 저장 배터리 팩 모두 일반적으로 수십 개 또는 수백 개의 내부 셀을 포함합니다. 이렇게 많은 수의 셀을 관리하기 위해 배터리 관리 시스템(BMS)은 필수적인 핵심 기술이 되었습니다.

BMS는 배터리 팩의 "두뇌"라고 할 수 있습니다. 그 기능은 인력 및 배터리 안전을 보장하고, 전력 또는 에너지 저장 요구 사항을 충족하며, 배터리 수명을 연장하는 것입니다.

01 BMS의 핵심 기능

BMS의 핵심 기능은 배터리 전압, 온도 및 전류를 실시간으로 모니터링하고, 충전 상태(SOC) 추정 및 밸런싱 제어를 통해 배터리 성능을 최적화하며, 과전압, 과전류, 과열 보호와 같은 고장 보호 기능도 갖추는 것입니다.

셀의 상태를 추정하는 것은 BMS의 핵심 기능입니다. 이 기능을 달성하기 위해서는 아날로그 프론트엔드(AFE) 칩(전압 획득용), 홀 센서(전류 획득용), NTC 센서(온도 획득용) 및 기타 센서(가스 압력, 연기 등 획득용)가 필요합니다.

신호를 획득한 후, 전기화학 모델 및 고급 추정 알고리즘(확장 칼만 필터, 슬라이딩 모드 옵저버 등)과 결합하여 배터리의 충전 상태(SOC), 건강 상태(SOH), 전력 상태(SOP), 에너지 상태(SOE) 및 안전 상태(SOS)를 실시간으로 추정합니다.

이러한 상태 매개변수를 기반으로,

a) 배터리 팩 자체의 경우:

BMS는 배터리의 충방전 전력 최적화를 제어 및 관리하고, 충방전 지속 시간을 제한하며, 제어 명령, 통신 및 진단 기능을 통해 상호 작용하여 배터리 내부 상태를 효과적으로 관리합니다.

b) 외부 시스템의 경우:

BMS는 통신 및 진단 기능을 통해 차량 및 충전기에 주요 상태 정보와 제어 명령을 전달하여 배터리와 외부 시스템 간의 조율된 작동을 보장합니다.

02 BMS 시스템 아키텍처

(1) 중앙 집중식 및 분산식 아키텍처

중앙 집중식 BMS는 셀 모니터링 유닛(CMC), 고전압 모니터링 유닛(HVMU), 배터리 관리 유닛(BMU)의 세 가지 기능 모듈을 단일 회로 기판 또는 통합 컨트롤러에 통합하여 "단일 지점 제어" 아키텍처를 형성합니다.

중앙 집중식 BMS는 컴팩트한 시스템 구조, 케이블링 감소, 작은 설치 공간, 상대적으로 낮은 전체 비용을 초래합니다. 그러나 고전압 및 저전압 모듈이 동일한 회로 기판에 있으므로 전기적 절연 및 안전 간격에 특별한 주의를 기울여야 합니다.

분산형 BMS는 개별 배터리 모듈로 수집 기능을 위임합니다. 여러 개의 슬레이브 제어 장치(CMC)가 분산 샘플링 및 예비 데이터 처리를 수행하는 동안, 마스터 제어 장치(BMU/BCU)는 시스템 수준의 관리 및 스케줄링을 담당하여 "다중 포인트 수집, 중앙 집중식 처리" 아키텍처를 형성합니다. 이는 수많은 수집 채널 및 분산된 모듈 배치와 같은 대용량 배터리 시스템의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

위 그림에서 볼 수 있듯이, 소위 분산형 아키텍처는 본질적으로 중간에 관리 하위 시스템 계층을 추가합니다. 이러한 소규모 시스템은 주로 셀의 일부에서 정보를 수집한 다음 버스를 통해 BMS 제어 보드에 보고하는 역할을 합니다. BMS 제어 보드는 보고된 정보를 기반으로 포괄적인 보호 조치, 충전 상태 계산 및 기타 관리 기능을 구현합니다.

간단히 말해, 회사의 조직 구조와 유사합니다. 인원이 늘어나면 대규모 배터리 관리 시스템에서 수평적 관리가 비효율적이 됩니다. 따라서 핵심 관리 보드의 부하를 분산하기 위해 일부 하위 작업이 CSC 모듈(셀 감독 회로)에 할당되어 권한 있는 관리를 수행합니다.

분산형 BMS는 스타형 분산, 버스형 분산, 데이지 체인 분산으로 더 세분화할 수 있습니다.

스타형 분산: BMU가 중앙에 위치하며, 각 CMC는 독립적인 통신 링크를 통해 BMU에 직접 연결됩니다. 이 구조는 강력한 간섭 방지 기능을 갖춘 독립적인 통신 링크를 제공합니다. 그러나 버스 집중 모듈이 필요하여 배선 및 인터페이스 관리가 상대적으로 복잡합니다.

버스형 분산형: 여러 CMC가 CAN 버스(현재 가장 널리 사용되는 BMS 통신 방식)를 통해 BMU와 통신합니다. 모든 CMC가 버스를 공유하므로 노드 간 전력 소비가 비교적 균형 잡혀 있습니다. 그러나 시스템은 버스의 상태에 크게 의존하며, 버스가 실패하면 전반적인 통신이 중단될 수 있습니다.

데이지 체인 분산형: 여러 CMC가 체인으로 직렬 연결되며, 데이터는 링크를 따라 BMU로 홉별로 전송됩니다. 이 구조는 간단한 통신 링크를 제공하며 배선 리소스를 절약합니다. 모듈이 많고 계층화된 배터리 구조가 명확한 시스템에 적합합니다.

(2) 기능 계층화

모듈성, 확장성 및 높은 신뢰성을 보장하기 위해 BMS는 일반적으로 아래 그림과 같이 세 가지 계층으로 나눌 수 있습니다.

a) 물리 계층: 배터리 작동 중 전압, 전류, 표면 온도 등 직접 측정 가능한 외부 상태를 획득하고 상위 계층에 데이터 지원을 제공합니다.

b) 코어 계층: 모델과 알고리즘을 통해 SOC 및 내부 셀 온도와 같이 배터리의 내부적으로 측정 불가능한 상태를 추정하는 역할을 합니다. 이 계층은 시스템의 핵심 부분입니다.

c) 관리 계층: 코어 계층에서 제공하는 내부 상태 정보를 활용하여 배터리 충전/방전의 합리적인 관리 및 향후 작동 조건 예측을 달성하고, 안전하고 효율적인 배터리 작동을 보장합니다.

03 BMS의 하드웨어 구조

BMS 하드웨어 아키텍처는 시스템 기능의 물리적 기반입니다. 하드웨어 설계는 시스템의 정확성, 신뢰성 및 비용에 직접적인 영향을 미칩니다. 일반적인 BMS 하드웨어 설계는 분산 아키텍처를 채택하며, 주로 마스터 제어 장치(BMU), 슬레이브 제어 장치(CSC), 센서 네트워크 및 액추에이션/보호 회로를 포함합니다.

(1) 마스터 제어 장치

메인 제어 MCU: ASIL-D 기능 안전 수준을 지원하는 고성능 프로세서입니다.

메모리: 플래시 메모리는 매개변수 구성 및 오류 로그를 저장하고, RAM은 실시간 데이터 버퍼링에 사용됩니다.

절연 전원 공급 장치: DC/DC 절연 모듈을 통해 BMU에 전원을 공급합니다(입력 전압은 종종 12V/24V, 출력은 3.3V/5V).

통신 인터페이스: CAN 트랜시버, 이더넷 PHY 칩.

(2) 슬레이브 제어 장치

AFE 칩: 직렬 연결된 셀 모니터링을 위한 전용 아날로그 프론트 엔드 칩입니다.

전압 샘플링 회로: 멀티플렉서 스위치 + 정밀 ADC, 차동 샘플링을 사용하여 노이즈 감소.

온도 획득 회로: NTC 서미스터 + 전압 분배기 네트워크 또는 디지털 온도 센서.

밸런싱 회로: 수동 밸런싱: MOSFET + 전력 저항기; 능동 밸런싱: 양방향 DC/DC 또는 커패시터 배열.

(3) 센서

홀 센서: 비접촉 측정, 정확도 ±0.5% (총 전류 감지에 사용).

션트 저항기: 저비용 전류 감지 솔루션, 차동 증폭기와 함께 ±0.5% 정확도 달성.

온도 센서: 셀 표면, 버스바, 방열판과 같은 주요 위치에 배치된 NTC/PTC 센서.

(4) 구동 및 보호 회로

릴레이 및 프리차지 회로:

주 릴레이: 배터리 팩의 충전/방전 회로를 제어하는 고전압 DC 릴레이입니다.

프리차지 회로: 프리차지 저항기 + 접촉기를 사용하여 소프트 스타트를 구현하며, 전원 켜짐 시 돌입 전류를 방지합니다.

퓨즈 및 회로 차단기:

주 퓨즈: 단락 고장 보호를 위한 고속 차단형입니다.

2차 보호: 국부 과전류 방지를 위한 재설정 가능 퓨즈(PPTC)입니다.