점점 더 진화하는 지능형 배터리 관리 시스템(BMS)

February 22, 2024

Alan Yoon

모빌리티, 공구, 산업 장비의 전동화가 지속됨에 따라 리튬 배터리 시스템은 더 큰 용량과 더 높은 전압 레벨을 추구하는 추세입니다. 배터리 셀의 수와 전압 수준이 높아질수록 이동성과 생산성은 높아지겠지만, 그러한 추세에 맞춰 배터리 관리 시스템(BMS) 기술도 발전해야 합니다. 최신 전기 장치 및 장비가 점점 더 복잡해지고 비용이 높아지며 안전 요구 사항도 까다로워지고 있다는 점을 고려하여, BMS는 향상된 통신 기능, 연료 게이지, 셀 밸런싱, 타이밍, 그리고 다양한 리튬 배터리 화학 물질을 수용할 수 있도록 보다 우수한 성능과 기능을 갖춰야 합니다.

_{점점 더 진화하는 지능형 배터리 관리 시스템(BMS) (출처: Nischaporn - stock.adobe.com)}

리튬 배터리 기술의 개요

리튬 배터리는 +극(음극, cathode) 및 -극(양극, anode)과 함께 배터리 셀에 갇혀 있는 화학물질 안에 저장된 에너지 저장 장치입니다. 리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 층과 층 사이를 이동할 수 있는 층상 결정 구조를 가진 물질, 즉 층간 화합물(intercalation compound)을 기반으로 합니다.

리튬 이온 배터리의 방전 주기는 리튬 이온이 -극에서 +극으로 이동하여 전자가 +극에서 -극으로 반대 방향으로 이동하도록 유도합니다. 이를 통해 배터리 단자와 전기 부하에 에너지를 전달할 수 있습니다. 리튬 배터리 단자의 전압 레벨과 전류 출력은 이동하는 리튬 이온의 수에 따라 달라집니다. 전압 레벨이 낮아지기 시작하면 이동 가능한 리튬 이온의 수가 감소하므로 전류가 감소합니다.

리튬 배터리의 충전 주기는 이와 반대 방식으로 작동하는데, 리튬 배터리 단자에 전압을 유도하면 리튬 이온이 전해질을 가로질러 이동하는 것을 역전시켜 -극에서 다시 결합하게 됩니다. 최신 리튬 배터리는 +극을 위한 다양한 층간 화합물로 만들 수 있으며, 가장 일반적인 것은 리튬 이온(Li-ion), 리튬 이온 폴리머(LiPo), 리튬 철 인산염(LiFePO₄)입니다. 리튬 배터리의 -극은 흑연인 경우가 많습니다. 그러나 다양한 양극, 음극, 전해질 소재와 기술을 사용하여 더 우수한 성능의 배터리를 개발하기 위한 실험과 노력이 계속되고 있습니다.

리튬 배터리의 우수한 반응성을 고려할 때, 충전 및 방전 시 배터리의 온도, 전류, 전압 특성을 모니터링할 필요가 있습니다. 배터리에 대한 적절한 모니터링 및 제어가 이루어지지 않으면 리튬 배터리 셀이 ‘더 안전하거나’ 더 안정적인 리튬 화합물로 만들어졌다고 하더라도 열 폭주 상태에 이를 수 있습니다. 이러한 폭주는 셀 전극이나 하우징을 손상시켜 배터리 셀에 불이 붙거나 폭발할 수 있는 통제되지 않은 화학 반응을 일으킬 수 있습니다.

많은 리튬 배터리 시스템은 더 높은 전압 레벨에 도달하기 위해 직렬로 연결된 여러 개의 리튬 배터리 셀과, 더 높은 전류 출력 레벨을 달성하기 위해 병렬로 연결된 여러 개의 리튬 배터리 셀로 구성됩니다. 제조 공차, 리튬 배터리의 일관되지 않은 노화, 그 밖에 여러 요인을 고려할 때, 배터리 전압과 전류 특성 간의 불일치로 인해 다양한 성능 저하 또는 배터리 손상이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 배터리 셀이 다른 리튬 배터리 셀과 직렬 또는 병렬로 연결되어 있고 사양에 맞게 작동하지 않을 경우, 해당 셀은 부하로 작용할 수 있습니다. 이로 인해 배터리 소모 전류가 저하되는 한편, 다른 셀의 전압은 안전 임계값 이하로 떨어질 수 있습니다.

이러한 불일치 때문에, 두 개 이상의 셀이 있는 리튬 배터리에서는 셀 밸런싱 기술이 중요한 역할을 합니다. 배터리 모니터링, 제어, 그리고 셀 밸런싱 기능을 통합한 시스템을 일반적으로 배터리 관리 시스템(BMS)이라고 합니다. 리튬 배터리 기술이 발전하고 널리 사용됨에 따라 리튬 배터리 시스템의 안전성, 성능, 수명을 향상시키기 위해 BMS 기술도 발전했습니다(그림 1).

_{그림 1. 리튬 배터리 기술을 위한 배터리 관리 시스템(BMS)의 상위 수준 다이어그램. (출처: Qorvo)}

새로운 리튬 배터리 시스템 동향

정원용, 건설용, 모빌리티 및 산업용 전동식 공구 분야에서는 가솔린 및 유선 전기 시스템이 해당 시장을 한 세기 이상 지배해 왔습니다. 하지만 리튬 배터리 기술의 발전으로 모빌리티에서부터 장비, 생활 필수품에 이르는 거의 모든 분야에서 배터리로 작동하는 전동 공구가 형세를 역전했습니다. 이러한 사례로는 배터리 전원을 이용하는 전정기, 송풍기, 전기톱, SDS 드릴, 스쿠터, 전기 자전거, 오토바이/모페드(moped), 콘크리트 톱, 휴대용 용접기 등을 들 수 있습니다. 이러한 배터리 전기 시스템은 일반적으로 20V, 40V, 60V, 80V 전압을 사용하도록 제작되며, 앞으로는 더 높은 전압의 제품이 인기를 끌 것으로 보입니다.

배터리로 작동하는 공구와 모빌리티 시스템의 성공은 자연스럽게 더 높은 성능으로 이어지며, 이를 위해서는 이들 기기에 전원을 공급하는 리튬 배터리 시스템의 전압 레벨, 용량, 전류 용량을 늘려야 합니다. 하지만 리튬 기술의 셀 전압 레벨 제한 때문에 더 높은 전압 레벨에 도달할 수 있는 유일한 방법은 직렬 연결되는 리튬 셀의 수를 늘리는 것입니다. 리튬 셀에서 너무 많은 전류를 끌어오거나 리튬 셀에 너무 많은 전류를 쏟아붓는다면 셀이 손상되고 치명적인 고장을 일으킬 수 있습니다. 전류 출력/입력 용량을 늘리면 병렬로 연결되는 리튬 셀의 수가 증가합니다. 따라서 리튬 배터리 시스템의 전체 용량을 높이려면 더 많은 수의 병렬 직렬 셀 또는 훨씬 더 높은 용량의 리튬 배터리 셀이 필요할 수 있습니다.

리튬 배터리 시스템의 과제를 해결하는 지능형 BMS

전기 자동차(EV)와 전기 백업 발전기에서부터 자율 이동 로봇(AMR)에 이르는 다양한 애플리케이션에 사용되는 배터리 전기 시스템의 성능을 향상시키기 위한 리튬 배터리 시스템이 개발되고 있기 때문에, 이러한 더 높은 전압 레벨, 용량 및 전류 입출력 배터리 시스템을 지원할 수 있는 BMS 기술의 발전도 필요합니다.

마이크로컨트롤러 유닛(MCU)과 셀 밸런싱 기술을 통합한 코보(Qorvo)의 지능형 BMS(PAC22140/PAC25140)는 기존 BMS에서 자연스럽게 진화한 제품입니다(그림 2). 기존 BMS는 배터리를 모니터링하고 온도 또는 전압 수준이 허용할 수 없는 임계값에 도달하면 충전을 차단하는 단순한 기능을 수행했습니다. 새로운 BMS 칩은 가장 일반적인 리튬 배터리 기술을 포함하여 10 시리즈(10S) ~ 20S 리튬 이온, 리튬 폴리머 및 LiFePO4 배터리 팩을 모니터링할 수 있습니다. 코보의 새로운 BMS는 전원 관리, 전류/전압/온도 감지, 충전/방전 FET용 구동 회로, 보호 퓨즈 기능을 갖춘 플래시 프로그래머블 MCU(Arm® Cortex®-M0)를 포함하고 있습니다. 또한 이 지능형 BMS 제품은 내장형 UART/SPI, I2C/SMBus를 포함하고 있으며, 심지어 CAN 통신을 지원하는 제품도 있습니다.

_{그림 2. 통합 MCU 및 셀 밸런싱을 갖춘 Qorvo 지능형 BMS의 기능 세트 (출처: Qorvo)}

사용자가 새로운 BMS 칩을 평가하고 프로그래밍 및 제어 측면을 숙지할 수 있도록, 코보는 이들 칩을 위한 평가 키트(PAC22140EVK1 및 PAC25140EVK1)를 제공합니다.

이들 평가 키트는 새로운 지능형 BMS 디바이스를 평가하기 위한 완벽한 하드웨어 솔루션으로서, 엔지니어가 이 디바이스의 모든 신호와 MCU 및 내부 주변 장치에 전원을 공급하는 데 필요한 모든 회로에 액세스하여 솔루션을 개발할 수 있게 해줍니다(그림 3).

_{그림 3. 10S 리튬 배터리 팩용 지능형 BMS를 개발하는 데 사용되는 Qorvo PAC22140EVK1 평가 키트 (출처: Qorvo)}

리튬 배터리 전기 시스템의 인기와 유용성이 나날이 높아짐에 따라 전압, 용량 및 전류 성능의 한계 역시 계속해서 높아지고 있습니다. 직렬 연결되는 셀의 수가 증가하고 사용자 성능에 대한 기대치가 높아짐에 따라 이들 새로운 배터리 전기 시스템은 최신 지능형 BMS 기술을 통해 적절하게 관리하고 셀 밸런스를 맞춰야 합니다. 코보의 새로운 지능형 BMS 기술은 보다 효율적인 셀 밸런싱, 모니터링 및 보호 기능을 제공하여 현재의 리튬 배터리 기술을 보강하는 새로운 BMS 솔루션을 개발하는 데 도움이 됩니다.