배터리 관리 시스템

배터리 관리 시스템(영어: Battery Management System, BMS)은 충전지, 특히 여러 개의 셀로 구성된 배터리 팩을 안전하고 효율적으로 관리하기 위한 전자 회로 시스템이다. BMS는 배터리가 미리 설정된 안전 작동 범위 내에서 작동하도록 제어하고, 배터리의 전압, 전류, 온도 등 다양한 상태를 정밀하게 모니터링한다.^[1] 또한, 수집된 데이터를 바탕으로 충전 상태, 건강 상태 등을 연산하여 외부 장치에 보고하고, 배터리 팩 내부 셀 간의 전압 불균형을 해소하는 셀 밸런싱 기능을 수행한다.

초기의 BMS는 과충전 및 과방전 방지를 위한 단순한 보호 회로에 가까웠으나, 리튬 이온 배터리의 보급이 확대되면서 배터리의 복잡한 화학적 특성을 정밀하게 제어하고 최적의 성능을 유지하기 위한 스마트 시스템으로 발전했다. 오늘날 BMS는 전기자동차, 에너지 저장 시스템, 무인 항공기, 노트북 컴퓨터, 스마트폰 등 충전식 배터리를 사용하는 거의 모든 현대 전자기기에서 배터리의 수명과 안전을 보장하는 핵심적인 부품으로 자리 잡았다.^[2]

BMS의 필요성

특히 리튬 이온 배터리와 같은 현대의 고에너지 밀도 배터리는 작동 가능한 전압과 온도의 범위가 매우 제한적이다. 이 범위를 벗어나면 배터리 성능이 급격히 저하되거나, 최악의 경우 열폭주 현상으로 인해 화재나 폭발로 이어질 수 있다. BMS는 이러한 위험을 방지하는 필수적인 안전장치이다.^[3]

• 안전성 확보: 과충전, 과방전, 과전류, 과열 등 위험한 상황을 사전에 감지하고 차단하여 사용자와 시스템을 보호한다.
• 성능 최적화: 배터리가 최대의 성능을 낼 수 있는 전압 및 온도 범위 내에서 작동하도록 제어하고, 셀 밸런싱을 통해 사용 가능한 전체 용량을 극대화한다.
• 수명 연장: 배터리에 스트레스를 주는 요인(깊은 방전, 고온 충전 등)을 최소화하여 배터리의 화학적 노화를 늦추고 전체 수명을 연장시킨다.
• 정확한 정보 제공: 사용자나 상위 제어 시스템에 배터리의 잔여 용량과 수명에 대한 신뢰성 있는 정보를 제공하여 시스템 운영의 예측 가능성을 높인다.

주요 기능

BMS는 배터리의 안전성, 성능, 수명을 극대화하기 위해 다음과 같은 복합적인 기능을 유기적으로 수행한다.

모니터링

BMS는 배터리의 물리적, 전기적 상태를 실시간으로 측정하고 추적한다. 이를 위해 다양한 센서가 사용된다.

• 전압: 배터리 팩의 전체 전압, 그리고 직렬로 연결된 모든 개별 셀의 전압을 ADC(아날로그-디지털 변환기)를 통해 정밀하게 측정한다.
• 온도: 배터리 팩 내부의 주요 지점에 서미스터나 열전대 같은 온도 센서를 부착하여 셀의 온도를 측정한다. 셀의 온도 분포를 파악하는 것은 열 관리와 안전에 매우 중요하다.
• 전류: 배터리 회로에 삽입된 션트 저항 또는 홀 효과 센서를 이용해 배터리로 유입되거나(충전) 유출되는(방전) 전류의 크기와 방향을 정확하게 측정한다.^[4]
• 절연 저항: 고전압 배터리 팩과 차량의 차체(섀시) 사이의 절연 상태를 감시하여 누설 전류로 인한 감전 사고를 예방한다.

보호

BMS는 모니터링된 값이 설정된 임계값을 벗어날 경우, 릴레이나 MOSFET 스위치를 제어하여 배터리를 회로에서 분리시키는 보호 동작을 수행한다. 주요 보호 기능에는 과전압, 저전압, 과전류, 온도 및 단락 보호가 포함된다.^[5]

셀 밸런싱

배터리 팩 내 셀 간의 전압 불균형을 해소하여 전체 팩의 용량과 수명을 극대화하는 기능이다.

• 수동적 밸런싱: 상대적으로 전압이 높은 셀의 초과 에너지를 저항을 통해 열로 소모시키는 방식. 회로가 간단하고 저렴하지만 에너지 효율이 낮다.^[6]
• 능동적 밸런싱: 전압이 높은 셀의 에너지를 커패시터, 인덕터 등을 이용해 전압이 낮은 셀로 재분배하는 방식. 에너지 효율이 높지만 회로가 복잡하고 비용이 비싸다.^[6]

열 관리

BMS는 냉각 팬, 액체 냉각 시스템, 히터 등을 제어하여 배터리가 최적의 온도 범위(보통 15~35°C)에서 작동하도록 적극적으로 관리한다. 이는 특히 고출력 충·방전이 빈번한 전기자동차에서 매우 중요한 기능이다.

통신

BMS는 CAN, LIN 등 표준화된 통신 프로토콜을 사용하여 차량 제어 장치(ECU), 충전기 등과 배터리 상태 정보를 교환한다.^[5]

알고리즘 및 연산

BMS는 센서로부터 측정한 데이터를 바탕으로 직접 측정할 수 없는 내부 상태를 추정하는 정교한 알고리즘을 내장하고 있다.

충전 상태 추정

SoC는 배터리의 남은 용량을 의미한다.

• 개방 회로 전압 (OCV) 측정법: 배터리의 안정된 상태 전압을 OCV-SoC 테이블과 비교하여 SoC를 추정한다.
• 쿨롱 계수법: 전류를 시간에 따라 적분하여 사용된 전하량을 계산하는 방식.
• 칼만 필터: 여러 모델을 결합하고 노이즈를 고려하여 통계적으로 최적의 상태를 추정하는 알고리즘으로, 높은 정확도를 제공한다.^[7]

건강 상태 추정

SoH는 배터리의 노화 정도를 나타내는 지표로, 신품 대비 현재의 최대 충전 가능 용량 또는 내부 저항의 증가율로 표현된다. BMS는 충·방전 사이클, 내부 저항 변화 등을 추적하여 SoH를 추정한다.

토폴로지

BMS의 하드웨어 구성 방식은 배터리 팩의 요구사항에 따라 달라진다.

• 중앙 집중형: 하나의 마스터 컨트롤러가 모든 셀을 직접 관리하는 구조. 소형 팩에 비용 효율적이지만 셀 수가 많아지면 배선이 복잡해진다.
• 분산형: 각 셀(또는 소그룹)마다 슬레이브 보드를 부착하고, 이들이 마스터 컨트롤러와 통신하는 구조. 대형 팩에 적합하며 확장이 용이하다.
• 모듈형: 중앙 집중형과 분산형의 특징을 절충한 방식으로, 유연성과 확장성이 뛰어나 가장 널리 사용된다.^[5]

응용 분야

BMS는 충전식 배터리가 사용되는 거의 모든 분야에 적용된다.

• 자동차: 전기자동차, 하이브리드 자동차 등 고전압 배터리 팩 관리.
• 에너지 저장 시스템: 그리드급 ESS의 배터리 모듈 관리.
• 소비자 가전: 노트북 컴퓨터, 스마트폰, 전동 공구 등.
• 산업 및 항공우주: 무정전 전원 장치, 무인 항공기, 인공위성 등.