에너지관리시스템
옵토파워㈜는
에너지 관리 시스템 부분 연구개발업체로써 Energy Storage System(ESS)에 적용이 가능한 전력변환기 제품군을 개발 완료하였으며,
Battery Management System(BMS)에 적용이 가능한 제품군도 개발 완료하였습니다.
태양광발전과 풍력발전의 신재생 에너지 시스템에서 공통적으로 발생된 전력량이 불균질하고 불규칙적이기 때문에 이를 일시적으로 저장하기 위해 배터리 에너지 저장시스템(ESS)이 필요합니다.
ESS DC-DC Regulator and Converter
Regenerative Braking Energy Storage System
배터리 관리 시스템은 배터리를 안전한 작동 영역 외부에서 작동하지 못하게 보호합니다.
표준 HEV 및 EV 에너지저장시스템(ESS)은 BMS 보드와 일련의 모듈로 구성되어 있다.
모듈에는 모듈 보드와 셀 스택을 포함하고 있으며, 일반적으로 직렬,병렬로 연결된 리튬이온(Li-ion) 셀로 구성되어 있다.
모듈 보드는 특정 셀 스택에 대한 모든 셀과 온도의 모니터링을 수행하는 동시에 CAN 인터페이스를 통해 상태를 BMS와 통신한다.
모듈을 조합하면 500A에서 600V 이상을 제공할 수 있는 배터리 팩이 생성된다.
BMS는 시스템 레벨 모니터링(팩 전류 및 전압 레벨, 시스템 안전성, 모듈을 관리하여 최적의 ESS 출력과 성능유지)을 담당한다.
배터리로 구동되는 전기자동차(하이브리드 자동차 포함)에서 파워 트레인의 주요한 구성요소 중 하나하나는 Battery Management System (BMS)이다.
이 시스템은 에너지 저장시스템(ESS)의 성능을 전체적으로 컨트롤하며 일반적인 기능(전압 및 전류 모니터링, 셀 밸런싱, 전하 상태 파악 및 전체 팩 안전성 보장 등)을 가지고 있다. 자동차 배터리 관리 시스템은 엄격한 시험과 성능관리가 요구된다. 이 요구사항들로는 반드시 실시간 작업수행, 빠른 전하 및 방전 조건에서 수행, 자동차 내에서 다른 시스템과 통신해야 하는 조건이 있다. 테스트해야 하는 주요 BMS 모듈의 기능은 다음과 같다.
BMS기능
- 전체 배터리 팩 모니터링
- 개별 셀 모니터링
- 과전압 및 저전압 보호
- 셀 밸런싱
- 유입 전류 스위칭
- 비휘발성 메모리 스토리지
- 온도 모니터링
- 배터리 상태신호 통신(CAN, Serial and etc.)
- 안전 연동 / 오류 상태 인식
일반적으로 배터리는 여러 개의 배터리 셀이 직렬, 병렬 형태로 연결되어 동작하므로 개별 배터리 셀의 상태 관리가 매우 중요하다. 따라서 배터리 관리 시스템(BMS)은 전기자동차 배터리 제어의 최적화를 통하여 주행거리 향상 과 안전성을 확보하는 역할을 한다.
배터리 관리 시스템(BMS)의 기능은 크게 두 가지로 나누어 진다.
- 열에 약한 배터리를 균등 냉각하여 항상 균일한 성능을 나타낼 수 있도록 하는 열관리 제어기술
- 배터리의 각 상태를 판단하여 최적 효율 지점에서 작동하도록 하는 배터리 충전상태(SOC: State Of Charge) 제어기술
열관리 제어기술은 시스템의 전압, 전류 및 온도를 모니터링하여 최적의 상태로 유지 관리하며 시스템의 안전한 운영을 위한 경보 및 사전 안전예방 조치를 취한다.
충전상태 제어는 배터리의 과충 전 및 과방전을 억제하여 셀(cell)간의 전압을 균일하게 제어함으로써 에너지 효율 및 배터리 수명을 연장한다.
배터리 충전상태(SOC: State Of Charge)의 변화
경보 이력관리 및 외부 진단시스템은 PC 모니터링을 통하여 이력관리 데이터의 보전 및 시스템 진단이 가능하다.
셀 균등 충전(밸런싱) 기능
셀 균등충전상태 제어 : 배터리 모든 셀을 항상 균등한 충전상태로 유지시켜주는 셀 밸런싱을 수행한다.
배터리 셀 간의 전압 차이에 대한 제어 방법은 특정 셀 군의 전압이 높은 것을 검출하게 되면 ASIC의 One-Chip 회로가 작동해서 특정 셀 군을 외부저항 회로망에 접속한다. 선택된 셀 군이 어느 정도 방전하게 되면 전압 차가 줄어들게 된다.
셀 밸런스 방식의 2가지 종류가 있다.
- 저항을 이용하여 방전시키는 수동 셀 밸런스(Passive cell balance) 방식
- 능동 셀 밸런스(Active cell balance) 방식
이 방식은 신뢰성이 높고 비용이 적게 드는 방법이지만, 방전 저항 내에서 충전에너지가 열로 손실되기 때문에 효율이 떨어진다.
이 방식은 전압이 가장 높은 셀로부터 전하를 받아 축적해서 전압이 가장 낮은 셀로 재분배한다. 전하의 축적과 재분배에는 콘덴서, 인덕터, 트랜스를 사용해서 셀을 순차적으로 변경하며 상황에 따라 전하를 축적하고 방전 또는 재분배한다. 이 방식은 수동 셀 밸런스 방식에 비해 에너지 보존(효율)면에서 우수하지만, 시스템의 비용이 비싸고 복잡하다는 단점이 있다.
충전 상태 모니터링 통신 기능
배터리 관리 시스템은 각종 변화 요소들을 종합 분석하여 남은 주행 가능 거리를 예측하고 그 정보를 상위의 차량 전자제어장치(ECU: Electronic Control Unit)에 제공한 다. 차량 내 통신은 일반적으로 ISO 표준 네트워크인 CAN(Controller Area Network)으로 차량 내 ECU들 간의 데이터 공유를 위해 전기차량의 정보시스템과 통신 시스템을 공유한다.