28. BMS 없이는 전기차도 없다? 배터리 관리의 충격적 진실

 

 

축전지 관리 시스템(BMS): 원리와 전압 분배 방식의 모든 것

배터리 관리 시스템(BMS)의 작동 원리와 수동적 및 능동적 전압 분배 방식을 공식을 통해 심도 있게 살펴봅니다.

BMS(배터리 관리 시스템)이란?

BMS(Battery Management System)는 축전지 또는 배터리팩의 성능과 안전을 최적화하는 중요한 제어 시스템입니다. 전기차, 에너지 저장 시스템(ESS) 등 다양한 분야에서 배터리의 효율성과 수명을 연장하기 위해 필수적으로 사용됩니다.

BMS의 주요 역할은 다음과 같습니다:

• 배터리의 충전 상태(State of Charge, SOC) 모니터링
• 배터리 셀 간 전압과 전류 균형 유지
• 과충전, 과방전, 과열 등의 안전 문제 방지
• 배터리 성능에 대한 실시간 데이터 제공

BMS의 원리와 공식

BMS는 배터리의 전압, 전류, 온도를 센서를 통해 측정하고, 이를 바탕으로 배터리의 상태를 계산합니다. 대표적으로 배터리 충전 상태(SOC)를 계산하기 위해 다음 공식을 사용합니다:

충전 상태 (SOC):

                SOC = (현재 용량 / 총 용량) × 100
            

여기서:

• 현재 용량: 배터리에 남아 있는 에너지 (Ah 또는 Wh)
• 총 용량: 배터리가 최대 충전 시 저장 가능한 에너지 (Ah 또는 Wh)

또한, 배터리 셀의 전압 불균형을 해결하기 위해 전압 조정이 이루어지며, 이 과정에서 수동적 전압 분배와 능동적 전압 분배 두 가지 방법이 사용됩니다.

수동적 전압 분배와 능동적 전압 분배

배터리팩은 여러 셀(Cell)로 구성되며, 각 셀의 전압이 일정하지 않으면 효율 저하와 안전 문제가 발생합니다. 이를 해결하기 위해 BMS는 전압 균형(Balancing) 작업을 수행하며, 주요 방식으로는 수동적 전압 분배와 능동적 전압 분배가 있습니다.

1. 수동적 전압 분배 (Passive Balancing)

수동적 전압 분배는 배터리 셀 중 전압이 높은 셀의 초과 에너지를 저항기를 통해 열로 방출하는 방식입니다. 간단한 회로 구성으로 저렴하게 구현 가능하지만, 에너지를 낭비하고 열 발생이 많아 효율이 낮습니다.

수동적 전압 분배 공식:

                P = I²R
            

여기서:

• P: 셀에서 방출되는 열 에너지 (W)
• I: 전류 (A)
• R: 저항기 값 (Ω)

2. 능동적 전압 분배 (Active Balancing)

능동적 전압 분배는 전압이 높은 셀에서 에너지를 추출하여 전압이 낮은 셀로 재분배하는 방식입니다. 에너지를 효율적으로 사용할 수 있어 시스템의 열 문제를 줄이고, 배터리팩의 수명을 연장합니다. 그러나 더 복잡한 회로와 높은 비용이 필요합니다.

능동적 전압 분배 원리:

에너지 저장 장치(커패시터 또는 인덕터)를 사용하여 셀 간 에너지를 이동시키며, 이를 통해 전압 균형을 유지합니다. 대표적인 능동 분배 방식은 DC-DC 컨버터를 활용하는 방식입니다.

능동적 전압 분배 공식:

                E = ½ C (V_high² - V_low²)
            

여기서:

• E: 전송된 에너지 (J)
• C: 커패시터의 정전 용량 (F)
• V_high: 높은 전압을 가진 셀의 전압 (V)
• V_low: 낮은 전압을 가진 셀의 전압 (V)

BMS의 중요성과 활용 사례

BMS는 전기차, 스마트폰, 에너지 저장 시스템 등 모든 배터리 기반 기기에서 필수적인 역할을 합니다. 특히 전기차에서는 주행 거리 향상과 화재 예방을 위해 고도로 정밀한 BMS가 요구됩니다.

최근에는 인공지능(AI) 기술과 결합하여 배터리의 상태를 더욱 정밀하게 예측하고 관리하는 차세대 BMS가 개발되고 있습니다.

배터리 관리 시스템은 배터리 성능과 안전성을 극대화하는 핵심 기술로, 미래의 에너지 저장 기술에서 더욱 중요한 역할을 할 것입니다.