Battery-BMS, PCM

BMS (Battery Management System)?

리튬 게열의 배터리 경우 다양한 사용환경 및 배터리 내부저항 등의 이유로 직, 병렬 연결된 셀들이 각각 용량, 전압, 내부저항 등에 차이가 나게 되고 이런 불규칙적인 상태가 지속되면 고장의 원인이 된다. BMS는 말 그대로 배터리를 관리해 주는 매니저다.

BMS의 특징, 하는 일

1) 과충전 보호기능: 과충전으로 인한 과열로부터 전지를 보호하기 위하여 정해진 충전전압보다 높은 전압으로 충전되는 것을 방지함.

2) 과방전 보호기능: 과방전으로 인한 전지의 손상을 방지하기 위하여 정해진 방전 중지 전압 이하로 방전되는 것을 방지함.

3) 과전류 보호: 기기 오류로 인하여 전지에 비 정상적인 전류의 흐름이 있을 경우 방전을 차단하여 전지를 보호함.

4) 단락 보호: 전지의 외부 단락으로 인하여 다량의 전류가 흐를 경우 순간적으로 충전을 차단하여 전지를 보호함.

5) 배터리의 전압 밸런스: 배터리 셀 전압을 정밀하게 측정하여 배터리 상태를 예측한 후 배터리의 전압을 균일하게 보호함.

* BMS는 배터리 팩으로부터 분리되어 통풍되는 곳에 설치를 해야 한다. BMS는 셀 밸런싱 시 전류를 저항을 통한 열로 날려주는 구조를 가지고 있다. BMS가 통풍되지 않는 곳에 설치되어 있을 때,  FET(TR-고 전력용, Field Effect Transistor)가 고열로 파괴될 수 있다.

PCM (Protection Circuit Module) ?

리튬 계역 2차 전지에는 리튬 코발트, 리튬 망간, 리튬 니켈, 리튬 인산철 배터리 등이 있다. 이런 리튬 계열의 배터리들은 과충전이나 과열, 또는 외부 충격으로 인하여 폭발할 가증성이 있다.

반면 배터리를 너무 많이 방전시켜 배터리의 전압이 정해진 방전 중지 전압 이하로 내려갈 경우 음극이 파손되어 배터리의 성능을 저하 시킨다.

셀(Cell) 당 충전 전압이 4.5V를 넘을 경우 전해질이 분해되어 가스가 발생하게 되거나, 안전밸브에 압력을 가함으로써 셀 간의 압력을 높이는 원인이 된다. 따라서 셀에서 전해질이 누출하게 된다. 즉, 폭발의 위험성을 유발하는 원인이 된다. 반면 배터리를 과방전 시킬 경우 음극이 파손되어 배터리의 성능을 저하 시킨다.

이러한 위험을 막기 위하여 리튬 계열의 배터리에는 꼭 배터리 보호회로(PCM)를 부착하여 사용하여야 한다.

PCM 과 BMS의 차이점

PCM이 주로 작은 배터리 셀 단위로 사용되는 것과 달리 BMS는 여러개의 셀을 직,병렬로 연결할 때 꼭 필요한 셀 밸런싱 기능을 가지고 있다. 배터리 셀은 배터리 공장에서 배터리 셀을 생산할 때부터 셀 내부 물질의 용량, 전압, 내부저항이 똑같지 않고 약간의 차이가 난다. 이런 셀을 아무 장치 없이 바로 직,병렬로 연결하게되면 그 중 제일 약한 셀이 영향을 받아 전압을 내지 못할 뿐 아니라 전체 배터리의 수명을 단축 시킨다.

기타 참고

1912년G.N. Lewis의 리튬전지 연구를 시작으로 1970년대 초에 최초의 비충전 리튬전지가 상용화 되었다. 1980년대에도 개발은 계속되었지만 안정성의 문제를 해결하지 못하였다.

리튬은 금속 중에서 가장 가볍고, 우월한 전기 화학적 위치를 고수하고 있으며 대용량의 에너지를 제공한다. 재충전 전지의 전극을 리튬 금속으로 사용하면 높은 전압과 풍부한 용량을 제공받을 수 있으며 결과적으로 대단한 에너지밀집체(密集體)다.

1980년대 이후 수 많은 연구를 통해 리튬의 결정체 들로부터 무차별적인 열의상승에 주의해야 한다는 결손요인을 발견하게 되었고, 1991년 휴대폰에 장착되어 있던 Li-Ion  전지가 폭발하면서 사람의 얼굴에 튀어 화상을 입힌 후에 대량의 재충전 리튬전지가 일본에 보내지는 Re-call 이 발생되기도 하였다.

그후, 리튬 금속 고유의 불안정성 때문에 Li-Ion  Cobalt Dioxide(LiCoO2 같은 화학물질에서 나온 리튬을 쓰는 비금속 리튬전지로 연구의 형태가 전환 되었다. 비금속 리튬은 리튬금속 보다 에너지밀도(密度) 면에서는 약간 낮으나 안전하였고 충·방전 시 확실한 예방조치를 취할수있었다.

Li-Ion의 에너지 밀도는 적어도 Ni-CD의 2배 이상이고 부하(負荷) 전류량(電流量)도 상당히 높다. 사실, Li-Ion은 방전 특성면에서 Ni-CD와 상당히 유사하게 작용하며 쉽게 방전되지 않는 특성을 갖는다.

Li-Ion 전지의 특성상 충방전 시의 최대치는 제한 되어야하며 cell의 온도는 모니터되어야 한다. 그러므로 각 Li-Ion 전지팩은 충전 시 각 셀의 적정 전압을 제한하고 방전 시 cell 전압이 너무 낮게 떨어지는 것을 보호하는 PCM(Protection Circuit Module)을 갖추게 되었다. 이러한 예방 조치로 인하여 과충전으로 인한 리튬 금속의 석출 가능성이 배제 되었다.

기본적인 Li-Ion의 형태는 2가지로 Coke형과 Graphite형으로 구분되며 대부분의 제조사에서 채택되고 있다. Graphite Li-Ion Cell은 거의 모든 휴대폰과 노트북, 컴퓨터, 캠코더 등의 주요 파워소스로서의 역할을 할 것으로 기대 하고 있고제조사들은 끊임없이 변화하고있는 Li-Ion 전지의 화학적 성질을 향상 시키려 노력중이다.

이안기술도 장차 이 분야에 진출하기 위하여 끊임 없이 연구를 계속하고 있다.