전기 자동차(EV)에서의 BMS란? 기능과 구조로 알아보는 배터리 관리 시스템

전기 자동차(EV)에 탑재되는 배터리는 차량의 성능을 좌우하는 핵심 요소입니다. 이러한 배터리를 안전하고 효율적으로 사용하기 위해 필수적인 시스템이 바로 BMS 입니다.

전기 자동차(EV)에서의 BMS란?

기능과 구조로 알아보는 배터리 관리 시스템

전기 자동차(EV)에 탑재되는 배터리는 차량의 성능을 좌우하는 핵심 요소입니다.
이러한 배터리를 안전하고 효율적으로 사용하기 위해 필수적인 시스템이 바로 BMS(Battery Management System) 입니다. BMS는 배터리의 상태를 실시간으로 모니터링하고, 셀 간 성능 차이를 제어함으로써 배터리 성능을 최대한으로 끌어내는 중요한 역할을 수행합니다.
이번 포스팅에서는 BMS의 기본 개념부터 주요 기능, 시스템 구성, 그리고 이를 구성하는 전자부품까지 간단히 정리합니다.

1. BMS의 개요

BMS(Battery Management System)는 배터리의 상태를 모니터링 · 제어하여 안전하고 장시간 사용할 수 있도록 하는 시스템입니다. 전기차에 사용되는 리튬이온 배터리는 충·방전을 반복하면서 점차 열화가 진행되며, 이는 차량 성능 저하로 이어질 수 있습니다. 또한 배터리는 여러 개의 셀로 구성되기 때문에 셀 간 성능 차이를 관리하는 것이 매우 중요합니다.
이러한 이유로, 셀 단위로 상태를 관리하고 성능 편차를 제어하는 BMS는 필수적인 시스템입니다.

2. BMS의 주요 기능

1) 모니터링 기능
BMS는 배터리 상태를 셀 단위로 감시합니다.

• 전압 계측
  각 배터리 셀 및 전체 팩의 전압을 측정하여 과충전 및 과방전을 방지합니다.
• 전류 계측
  충전 및 방전 전류를 측정하여 배터리 사용 상태를 파악합니다.
• 온도 계측
  온도 센서를 통해 배터리 온도를 모니터링하여 적정 온도 유지 및 안전성 확보에 기여합니다.

   

2) 제어 기능(셀 밸런싱)
대용량 배터리 팩은 다수의 셀로 구성되며, 각 셀은 성능 및 열화 속도가 서로 다릅니다. 이때 특정 셀이 먼저 열화되면 배터리 팩 전체의 성능 및 수명에 영향을 미칠 수 있습니다.
이를 해결하기 위해 셀 간 성능 편차를 균일화하는 기능을 셀 밸런싱(Balancing) 이라고 합니다.

3. EV시장 및 기술 트렌드

• 모터의 고출력화
• 주행거리 증가 요구
• 고속 충전 요구

4. BMS에 요구되는 성능

이러한 변화에 대응하기 위해 BMS 및 관련 전자부품에는 다음과 같은 요구사항이 있습니다.

1) 고전력 대응
배터리 전압이 상승함에 따라 BMS 회로 또한 고전압·고전력 대응이 필요합니다.

2) 고내열성
부품 소형화로 인해 발생하는 열 증가에 대응하기 위해 높은 내열성이 요구됩니다.

3) 고정밀 제어
배터리 셀 수 증가 및 고전압화로 인해 전압과 온도를 보다 정밀하게 측정·제어해야 합니다.

4. BMS의 회로 구성

BMS는 다음과 같은 요소로 구성됩니다.

 - 배터리 모듈: 복수의 배터리 셀을 연결한 모듈
 - 전압 검출(모듈): 모듈 및 각 셀의 전압을 측정
 - 모니터링 회로(BMS): 셀별로 상태를 감시하고, 셀 밸런스 조정을 수행
 - 온도 검출: 셀별로 온도를 측정
 - 제어 회로: BMS의 측정 및 밸런스 조정을 제어
 - 전류 검출: 유닛 전체의 전류를 측정
 - 전압 검출(전체): 유닛 전체의 전압을 측정
 - 정션 박스: 이상 발생 시 차단하여 배터리를 보호
 - 전압 검출(전체 지락 검지): 유닛 전체의 지락을 검지

그림1. BMS의 전체 구성

4. BMS의 구성 부품

1) 온도 계측 :  NTC 서미스터(칩 타입)

• 배터리 셀의 온도를 측정
• 소형화 및 고내열 특성

• 높은 신뢰성으로 온도 제어 정밀도 향상

배터리 온도 이상은 열화 및 화재로 이어질 수 있기 때문에 온도 센서는 매우 중요한 역할을 수행합니다.

2) 셀 밸런싱 :  칩 저항기(소형 고전력 칩 저항기)

• 셀 간 전압을 균일화하기 위해 사용
• 방전 방식으로 충전량 균일화

• 소형 고전력 설계 대응
  
  그림2. 셀 밸런스 조정으로 사용되는 부품
  
  

3) 전압 계측 : 칩 저항기(고정밀 칩 저항기) 

• 분압 방식 전압 측정
• 낮은 TCR 특성(온도 안정성)

• 고정밀 제어 가능

그림3. 전압 계측으로 사용되는 부품

4) DC/DC 컨버터 :
전도성 고분자 하이브리드 알루미늄 전해 커패시터
차량용 파워 인덕터

• 전압 변환
• 노이즈 제거

• 고전력 대응

그림4. DC/DC 컨버터에서 사용되는 부품

5) 통신 인터페이스 보호 : 칩 바리스터

• ESD 보호
• 노이즈 억제

• CAN/Ethernet 통신 안정화

그림5. 통신 I/F에서 사용되는 부품

5. 정리

BMS는 단순한 제어 회로가 아닌 배터리의 상태를 모니터링하고 제어하여 안전성과 성능을 동시에 확보하는 핵심 시스템입니다. 앞으로 전기차 시장이 확대됨에 따라 BMS의 중요성은 더욱 증가할 것으로 예상됩니다.
또한 고출력 모터, 대용량 배터리, 고속 충전 요구에 대응하기 위해 BMS 구성 부품 역시 고전력화, 고내열화, 고정밀화가 필수 조건이 되고 있습니다.
파나소닉 인더스트리는 BMS용으로 폭넓은 제품 라인업을 갖추고 있습니다(표 1). 

표1. 상품 라인업과 특징 일람