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EV/HEV 성능에 있어서 중요한 배터리 관리와 커넥터

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글/Bill Schweber, Mouser Electronics 자유기고가

전기차(EV/HEV) 설계에 관여하고 있는 전자 엔지니어들은 시장에 나와 있는 배터리 기술을 사용할 수 밖에 없는데, 이러한 배터리 기술은 대개가 리튬이온을 기반으로 한 변형적인 소재들이다. 그런데 이들 기술은 배터리 팩을 구성하는 다수의 셀 어셈블리를 관리하는 것이 중대한 해결 과제이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 다음과 같은 목적에서 BMS(battery management system: 배터리 관리 시스템)를 사용한다:
•개별 셀과 전체 배터리 어셈블리를 손상으로부터 보호한다.
•배터리 수명을 길게 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해서는 일련의 기능들을 사용해야 한다. 이러한 기능들로는 셀 보호, 충전 제어, 충전 상태 계산, 건전도 계산, 셀 밸런싱을 포함한다. 이 글에서는 이러한 BMS 기능 중의 하나인 셀 밸런싱에 대해서 살펴본다. 셀 밸런싱은 EV/HEV 디자이너가 해결해야 할 중대한 과제 중의 하나이다.
전체적인 EV/HEV 디자인에 있어서 모든 BMS 문제는 서로 분리되어 있는 것이 아니고 어느 정도까지는 상호 연관되어 있다(그림 1). 그러므로 배터리 조건 또는 상태가 변화하는 것에 따라서‘리플 효과’가 발생되며 이 문제를 다루기 위해서 사용되는 것이 BMS이다. BMS 아키텍처의 한 가지 목표는 이러한 세부 기능들을 최대한 분리시키는 것이다. 그러면 각기 기능을 독립적으로 최적화할 수 있고 그렇게 해서 전체적으로 최적화된 디자인을 달성할 수 있다.
대부분의 엔지니어링 의사결정과 마찬가지로, 특정한 목표를 달성하기 위해서 단 하나의‘옳은’방법이란 있을 수 없다. 각기 기법마다 크기, 패키징, 대체 가능한 부품, 무게, 데이터 무결성, 시스템 신뢰도, 비용 등의 측면에서 장단점을 가지고 있다. 또한 달성하고자 하는 목표에 따라서 의사결정이 달라진다. 이를테면 거리를 극대화하거나, 배터리 팩 수명을 극대화하거나, 개별 셀의 취약성을 견딜 수 있도록 하거나, 안전성을 높이고자 하는 것에 따라서 의사결정이 달라질 것이다. 그러므로 ‘최선’의 솔루션은 해당 디자인의 우선순위가 무엇이냐에 따라서 결정될 것이다.

그런데 한 가지 불가피한 점은, 다중셀 배터리 체인은 생산 조건이나 동작 조건에 따라서 셀들 사이에 작은 차이가 있을 수 있다는 것이다(특히 대형 배터리 팩에서는 온도 차이가 클 수 있다). 이러한 차이는 충전/방전 사이클을 거칠 때마다 커짐으로써, 약한 셀은 점점 더 약해져서 마침내 고장이 나게 되고, 그러면 대형 배터리 팩이 성급하게 결함을 일으키게 만든다...(중략)