BMS (Battery Management System : 전기자동차 배터리 관리 시스템)

BMS & Modules : 테스트 - 밸런싱 - 시뮬레이션

한국내쇼날인스트루먼트

개요

하이브리드 전기 자동차(HEV)와 전기 자동차(EV) 산업의 빠른 성장은 새로운 기회를 만들어 내고 제품 테스트에 무수한 가능성을 창출해 내고 있다. 자동차 파워 트레인의 주요한 구성요소 중 하나는 Battery Management System과 BMS가 수용하는 모듈이다. 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.

표준 HEV 및 EV 에너지 저장 시스템의 아키텍처는 BMS 보드와 일련의 모듈로 구성되어 있다(그림 1). 모듈에는 모듈 보드와 셀 스택을 포함하고 있으며, 일반적으로 직렬 및/ 또는 병렬연결의 리튬이온(Li-on) 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, 모든 모듈을 관리하여 최적의 ESS 출력과 성능 달성)을 담당한다.

<그림1> 에너지 저장 시스템 아키텍처

시스템 요구사항

Bloomy Controls사는 배터리 관리 시스템과 HEV 및 EV 업체들이 모듈을 테스트할 수 있는 모듈형의 혼합 신호 고성능 테스트 시스템을 개발했다.

자동차 배터리 관리 시스템은 엄격한 테스트 요구사항을 가지고 있다. 이 요구사항들로는 반드시 실시간 작업수행, 빠른 전하 및 방전 조건에서 수행, 자동차 내에서 다른 시스템과 통신해야 하는 조건이 있다. 테스트해야 하는 주요 BMS와 모듈의 일부 기능은 다음과 같다.

ㆍ전체 배터리 팩 모니터링

ㆍ개별 셀 모니터링

ㆍ과전압 및 저전압 보호

ㆍ셀 밸런싱

ㆍ유입 전류 스위칭

ㆍ비휘발성 메모리 스토리지

ㆍ온도 모니터링

ㆍ시스템 통신 (CAN, Serial, 기타)

ㆍ안전 연동 / 오류 상태 인식

시스템 하드웨어

BMS & Module 테스트 시스템은 Bloomy Controls Universal Test System 플랫폼에 구축되었으며 내쇼날인스트루먼트의 PXI 데이터 수집 및 모듈형 계측기, 높은 용량의 배터리 팩 시뮬레이션을 위한 프로그래밍 가능한 파워 서플라이와 통합했다. 이와 같은 통합은 계측시스템에 확장 인터페이스를 제공하므로, 여러 유형의 BMS와 모듈 보드는 핵심계측 시스템을 복제하지 않고도 테스트가 가능하기 때문에, 전체 테스트 시스템 개발 시간과 비용을 줄여준다. 표준 계측 하드웨어는 다음을 포함한다.

ㆍPXI 섀시와 임베디드 컨트롤러

ㆍ직렬로 연결된 3-출력 파워서플라이(셀 시뮬레이션의 경우 직렬로 10개까지 가능)

ㆍ71/2-Digits DMM: /-10nV ~ 1000V, 1pA 민감도로 전류 입력

ㆍ64-채널 멀티플렉서

ㆍ고속 아날로그 및 디지털 I/O

ㆍ듀얼 포트 고속 CAN 인터페이스

ㆍ고전압 프로그래밍 가능한 파워 서플라이

배터리 관리 시스템 보드를 테스트할 때 확인해야 하는 중요한 여려 기능들이 있다. 이 기능들에는 전체 팩 전압 및 전류 모니터링 회로, 온도 모니터링 및 컨트롤, 연동 및 안전 컨트롤이 포함된다. 또한 BMS 테스트 시스템은 전체 팩 전압을 시뮬레이션하는 데 사용하는 절연된 듀얼 40V 프로그래밍 가능한 파워 서플라이(최고 600VDC까지 수용 가능)가 포함되어 있다. 추가적으로 아날로그 전압 출력은 전류 션트와 기타 트랜듀서를 시뮬레이션하는 데 사용한다. 시스템은 오류 조건을 시뮬레이션 하여 안전한 메커니즘으로 작동시키고 UUT가 연관 릴레이를 스위칭 하도록 한다. 고속 측정은 PWM 신호와 타이밍 신호를 모니터링하고 안전 회로의 반응 시간을 확인하는데 사용된다.

Li-Ion 셀 시뮬레이션

BMS 테스트 시스템은 직렬로 연결된 내쇼날인스트루먼트의 PXI-4110 프로그래밍 가능한 DC 파워 서플라이를 활용하여 모듈 보드 테스트에서 셀의 팩을 시뮬레이션 한다. 이 서플라이는 낮은 파급, 빠른 반응 및 높은 분해능을 갖추고 있기 때문에 본 어플리케이션에 적합하다. 서플라이의 절연된 /- 20V 구간은 함께 묶여 팩을 형성한다. 최대 10개의 서플라이가 함께 연결되어 최대 20개의 셀로 된 팩을 형성함으로써, 셀 당 1A에서 최고 4.2V까지 출력이 가능하다. 밸런싱 테스트 동안 서플라이의 16-비트 리드백 분해능은 외부 센서 없이 서플라이를 사용하여 각 셀의 전류측정이 가능하다.

시스템 소프트웨어

BMS 테스트 시스템은 내쇼날인스트루먼트의 TestStand와 LabVIEW 플랫폼으로 구축된 어플리케이션을 이용한다. 주 운영 모드에는 두 가지가 있는데, 하나는 제조이고 다른 하나는 엔지니어링이다. 표준 운영에는 최소한의 운영자 조작이 필요하다. 고정물의 안전용 덮개를 열고 테스트를 시작하면 UUT 바코드 시리얼 넘버를 스캐닝하고 고정물을 닫는다. 테스트가 완료되면 테스트 결과가 나타나며 테스트 데이터가 파일에 로깅되며 실패한 테스트는 기술자에게 알리기 위해 조명 처리된다. 엔지니어링 모드는 엔지니어가 R&D 환경에서 사용할 수 있는 시스템의 모든 기능을 제공한다. 이 기능을 통해 엔지니어는 수동으로 모든 시스템 전압과 전류를 읽으며 파워 서플라이를 컨트롤하고 릴레이를 작동시키며 UUT와 통신한다.