[Murata Application guide] #5 BMS(Battery Management System) 알아보기
- 작성자 : 최고관리자
- 등록일 : 23-09-25 08:41
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먼저 BMS를 설명 드리기에 앞서 간단히 배터리에 대해서 설명을 드리겠습니다.
배터리는 1차전지 혹은 2차전지로 나누어지게 됩니다. 1차전지는 말그대로 Throwaway type으로 재충전이 안되고 사용 후 버려지는 배터리를 의미합니다. 저희가 일반적으로 일상에서 사용하는 AA나 AAA타입의 배터리들이 1차전지에 해당됩니다. 그리고 2차전지는 재사용이 가능한 배터리를 의미합니다. 핸드폰, 노트북에 들어가는 배터리들은 모두 2차전지에 해당되며 전기차나 무선청소기에 들어가는 배터리들도 모두 2차전지 입니다. 그리고 앞으로 설명드릴 BMS나 ESS 등도 대부분 Li-ion의 2차전지와 연관된 애플리케이션이라고 생각하시면 됩니다.
다음으로 BMS를 설명 드리겠습니다.
BMS는 Battery Management System의 약어고 PCM은 Protection Circuit Module의 약어인데 BMS와 PCM의 차이점에 대해서 궁금하셨던 분들이 있을 수 있을 것 같습니다. 간단히 정리를 하자면 BMS는 1개 이상의 배터리가 직/병렬 연결되어있는 기기에서 BMS가 필요하고, 핸드폰과 같이 단일 배터리로 구성되어 있는 기기에서는 PCM이라고 얘기를 합니다.
그 이유는 PCM은 Protection Circuit Module의 약자로 단순히 과충전 혹은 과방전을 방지하기 위한 보호의 기능만 담당하는 방면, 다수의 배터리가 직/병렬로 연결되어 있는 기기들에서는 각 셀들을 Managing 하는 기능들이 필요하기 때문입니다.
따라서 BMS는 PCM의 기능도 포함하고 있을 뿐만 아니라 통신 기능/모니터 기능/계산 기능/셀 밸런싱 기능 등을 포함하고 있는 상위 개념이라고 생각을 해주시면 좋을 것 같습니다.
그렇다면 왜 다수의 배터리가 장착될 경우 배터리 수명 등을 관리하는 계산 기능이나 셀 밸런싱 기능이 포함된 BMS가 필요할까요?
BMS에서 가장 중요한 기능 중 하나가 셀 밸런싱 기능입니다. 만약 한 배터리 Pack에 10개의 배터리가 5개의 직렬 2개의 병렬로 연결되어 있다고 가정했을 때, 일반적으로 방전 시에는 왼쪽의 그림과 같이 각 배터리가 동등한 수준으로 방전이 되어야 합니다.
그런데 만약 오른쪽과 같이 특정한 셀에서 과도하게 방전이 된다고 가정을 한다면 해당 배터리 셀이 다른 셀들에 비해서 빠르게 수명이 다하게 되고, 그에 대한 영향으로 한 개의 배터리 모듈전체가 제 성능을 발휘하지 못함으로써 10개의 셀을 모두 사용하지 못하게 되어버립니다.
따라서 단일 셀만 사용하는 어플리케이션에서는 배터리를 관리해주는 BMS가 필요하지 않지만,복수의 셀을 사용하는 어플리케이션에서는 반드시 BMS 기능이 필요하게 되는 것 입니다.
그럼 다음으로 BMS가 사용되는 어플리케이션과 각 시장규모에 대해서 살펴보겠습니다. 현재 BMS 시장에서 가장 큰 시장은 Automotive 전기차 시장입니다. 전기차 한 대에는 수천개의 원통형 Li-ion 배터리가 들어가는데 수천개의 배터리들이 차량의 안전과 수명에 직접적으로 연관이 되어있기 때문에 BMS의 기능이 굉장히 중요하고 큰 시장입니다.
다음으로는 익숙하지 않으시겠지만 UPS라는 시장인데 Uninterruptible Power Supply의 약어로 “무정전 전원 공급 장치” 라고 얘기합니다. 최근에는 송수신되는 데이터의 양도 많아지고 클라우드와 같이 데이터 관리의 중요성이 높아지고 있는데, 이러한 데이터 관리 시스템에 갑자기 정전이 발생할 경우 모든 데이터가 손실될 가능성이 있습니다. 따라서 전기가 갑자기 끊켰을 경우를 대비해서 무정전전원공급장치가 일시적으로 전기를 공급해줌으로써 전원이 복구될 때까지의 시간을 확보하는 애플리케이션 입니다.
그 다음으로는 Renewable Energy System으로 환경 에너지를 활용한 에너지 시스템 시장입니다. 과거부터 태양에너지나 풍력 등을 활용한 전기에너지를 실생활에서 많이 활용하고 있는데 이러한 발생된 에너지를 배터리에 저장해 놓았다가, 전기가 필요할 때 사용할 수 있기 때문에 ESG등이 주목받고 있고 요즘 굉장히 각광받는 애플리케이션입니다. 해당 애플리케이션에 대해서는 뒤에서 ESS를 설명 드리며 조금 더 보충 설명 드리도록 하겠습니다.
추가적으로 BMS의 중요성과 함께 주목 받고 있는 ESS(Energy Storage System) 시장을 부수적으로 설명 드리겠습니다. 현재의 전기공급 체계를 보면 일반적으로 사용자들이 어느 정도의 전기를 사용할지 예측을 할 수 없기 때문에, 대부분의 에너지를 석탄/석유/가스 등과 같은 화석 원료들을 사용하여 예상되는 최대 전력 소요량보다 15% 정도 더 생산한다고 합니다. 하지만 이렇게 생산된 여분의 전기 에너지들은 별도로 보관해 놓을 수 없기 때문에 추가 생산된 에너지의 대부분이 버려지게 됩니다. 따라서 화석 연료가 점점 고갈되어가고 있는 현재 조금이라도 더 에너지를 효율적으로 사용하고 환경을 보호하기 위해서 에너지를 보관하고 관리할 수 있는 ESS 시장이 주목받고 있습니다.
그렇다면 Global BMS 시장의 규모 및 성장성은 어떨까요?
2021년도 기준 BMS 시장은 약 7조원 수준이었는데 2024년에는 13조원 수준으로 2배 정도의 빠른 성장이 예상됩니다. 이렇게 빠르게 발전하고 있는 BMS 제품에는 어떠한 무라타 제품이 사용되고 있는지 살펴보겠습니다!
가정용, 기업용 BMS의 블록도는 다음과 같습니다. 크게 Battery monitoring and control(BMC), cell monitoring and balancing(CMB), battery pack, battery protection unit(BPU)로 구성되어 있습니다.
BMC는 신호처리회로(Micro Controller+Flash Memory), DC전원회로(PMIC), CAN I/F으로 나누어집니다. 그리고 BMC 회로에는 먼저 범용품의 Capacitor인 MURATA GRM 시리즈 및 어쿠스틱 노이즈를 억제시켜주는 ZRA시리즈의 수요가 있습니다.
EMI부분에서는 power supply 회로부에 사용되는 power inductor인 DFE, LQM시리즈와 낮은 dcr 특성에 의한 전류 loss를 억제시켜주는 BLE, BLM시리즈의 수요가 있습니다.
또한 CANBUS 인터페이스의 common mode 노이즈 제거에 특화된 DLW시리즈의 수요가 있을있을 것 예상되고, 그 외에 thermistor, 코인배터리, 전류센서 등 다양한 Murata 제품의 수요가 있으므로 많은 관심 부탁드리겠습니다!
지금까지 BMS에 대해서 알아보았습니다! 다음에 더욱 알찬 정보로 다시 찾아오겠습니다! ????
* 출처
- 한국무라타전자 매거진, https://koreamuratablog.tistory.com
- 무라타, https://murata.com
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