Discussing Battery Management Systems (BMS)

이 글에서는 과충전을 방지하는 기능을 가진 BMS의 역할과 종류에 대한 내용을 알아보겠습니다.

주요 축전지 종류: 알카리, 리튬 이온, 니켈-카드뮴, 니켈-수소, 아연-탄소, 리튬-폴리머

축전지는 다양한 종류와 유형이 있습니다. 일반적으로 사용되는 축전지의 주요 종류는 다음과 같습니다.

알카리(AA, AAA 등): 알카리 축전지는 일반적으로 가장 널리 사용되는 축전지입니다. 일상적인 가전제품이나 전자기기에 많이 사용됩니다.
리튬 이온(Li-ion): 리튬 이온 축전지는 높은 에너지 밀도와 경량성을 가지고 있어 모바일 기기나 노트북 컴퓨터, 전동 툴 등에 주로 사용됩니다. 장기적으로도 충전 및 방전이 가능합니다.
니켈-카드뮴(Ni-Cd): 니켈-카드뮴 축전지는 고밀도로 에너지를 저장할 수 있으며, 다시 충전이 가능합니다. 주로 휴대용 전화기, 음악 플레이어, 카메라 등에 사용됩니다.
니켈-수소(Ni-MH): 니켈-수소 축전지는 니켈-카드뮴 축전지의 대안으로 개발된 것으로, 충전 용량과 수명이 더 우수합니다. 휴대용 전자기기, 디지털 카메라, 장난감 등에 사용됩니다.
아연-탄소(Zn-C): 아연-탄소 축전지는 경제적이고 일회용으로 사용되는 축전지입니다. 주로 리모컨, 시계, 손전등 등에 사용됩니다.
리튬-폴리머(Li-Po): 리튬-폴리머 축전지는 얇고 유연한 형태로 디자인될 수 있어 다양한 장치에 적합합니다. 스마트폰, 태블릿, 드론 등에 주로 사용됩니다.

이 외에도 다양한 축전지 유형이 존재하며, 각각은 특정한 용도나 특성에 맞게 설계되어 사용됩니다. 위에 나열된 축전지에 대한 충,방전 상태를 모니터링하고, 제어하기위한 장치가 요구되는데, 이때 필요한 것이 BMS(Battery Management System)입니다.

BMS (Battery Management System)의 역할과 종류

BMS는 전원실내 축전지 설비에 설치되어 있으며, BMS 장비의 통신 단자를 이용하여 수집장치로 정보를 전송합니다. 여기에 사용되는 통신 방식은 다음과 같습니다.

RS-422 : 서원전원 제품에서 사용
RS-232 : 세방 제품에서 사용
MODBUS TCP/IP : waton, IBT 제품에서 사용

UPS용은 150 ~ 157개의 셀(서원전원)또는 90개의 셀(waton), 정류기용은 20개의 셀 또는 12개의 셀(waton)이 있습니다. 각 셀에 대한 정보를 BMS가 수집을 하고 이 정보를 전기설비 수집장치에서 수신하여 전기설비 집중장치로 수집된 정보인 셀별 전압, 전류, 온도 값을 전송합니다. 즉, 축전지의 내부저항, 전체전압 및 전류의 동작 상태를 전기설비기술지원시스템으로 전송합니다. 제작사에 따라서 세방, 서원전원, IBT(2022.07월이후 설치 버전), WATON이 있습니다. BMS (Battery Management System)은 배터리의 종류, 용도, 크기 등에 따라 다양한 종류가 있습니다. 주요한 BMS의 종류는 다음과 같습니다.

단일 셀 BMS: 단일 리튬이온 배터리 셀에 적용되는 BMS입니다. 하나의 배터리 셀을 모니터링하고, 균등 충전과 방전을 수행합니다.
멀티 셀 BMS: 여러 개의 배터리 셀로 구성된 배터리에 적용되는 BMS입니다. 멀티 셀 BMS는 각 셀의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여 각 셀의 상태를 파악하고, 균등 충전과 방전을 수행합니다.
전압 BMS: 배터리의 전압만을 모니터링하는 BMS입니다. 리튬이온 배터리는 과충전과 과방전을 방지하기 위해 정확한 전압 모니터링이 필요합니다.
전압 및 온도 BMS: 배터리의 전압뿐만 아니라, 배터리의 온도까지 모니터링하는 BMS입니다. 온도 모니터링은 배터리의 안전을 위해 중요한 요소입니다.
전압, 온도 및 전류 BMS: 배터리의 전압, 온도 뿐만 아니라, 배터리의 전류까지 모니터링하는 BMS입니다. 전류 모니터링은 배터리의 용량을 파악하는 데 중요한 역할을 합니다.
대용량 BMS: 대용량 배터리, 즉 용량이 1kWh 이상인 배터리에 적용되는 BMS입니다. 대용량 BMS는 보다 정밀한 모니터링과 제어가 필요합니다.
자동차용 BMS: 자동차용 배터리에 적용되는 BMS입니다. 자동차용 BMS는 안전, 성능, 효율 등의 요소를 모두 고려하여 설계됩니다.
에너지 저장 시스템용 BMS: 에너지 저장 시스템에 사용되는 배터리에 적용되는 BMS입니다. 에너지 저장 시스템용 BMS는 장기간 보존이 가능하도록 설계되며, 에너지 저장 및 공급을 보다 효율적으로 관리합니다.

BMS (Battery Management System)의 역할과 기능

BMS의 주된 역할은 축전지의 과충전을 방지하는 것입이다. 수집되는 정보는 축전지 온도, 전압, 전류, 저항 등 값이며, 전기설비기술지원시스템의 수집장치는 BMS의 상태를 수집하여 각 신호제어사업소의 기계실에 위치한 집중장치로 보냅니다. 설치된 BMS는 회사별로는 세방전지, 서원전원, WATON, IBT입니다. BMS (Battery Management System)는 리튬이온 배터리 등의 축전지를 모니터링하고 제어하는 시스템입니다. BMS의 역할은 다음과 같습니다.

상태 모니터링: BMS는 배터리의 전압, 전류, 온도 등을 지속적으로 모니터링하여 배터리의 상태를 파악합니다. 이 정보는 배터리의 상태를 확인하고, 배터리가 안전하게 운전되도록 제어하는 데 중요합니다.
충전 및 방전 제어: BMS는 배터리의 충전 및 방전 과정을 제어합니다. 충전 시에는 전압과 전류를 조절하여 배터리를 안전하게 충전하고, 방전 시에는 배터리의 상태를 모니터링하여 과방전을 방지하고 배터리의 수명을 연장합니다.
균등 충전: 배터리는 사용 중에 일부 셀의 전압이 다르게 나타나는 경우가 있습니다. 이를 해결하기 위해 BMS는 균등 충전을 수행하여 배터리 내의 각 셀의 전압을 동일하게 유지합니다.
안전 제어: BMS는 배터리의 안전을 보장하기 위해 과전류, 과온도, 과충전, 과방전 등의 위험 상황을 감지하고 이를 방지합니다. 또한, 배터리에 이상이 발생한 경우 즉시 경고를 발생시켜 조치를 취할 수 있도록 합니다.
데이터 저장 및 분석: BMS는 배터리의 운전 데이터를 저장하여 분석합니다. 이를 통해 배터리의 사용량, 충전 횟수, 사용 시간 등을 파악하여 배터리의 예상 수명을 예측하고, 최적의 운전 조건을 설정할 수 있습니다.
통신 기능: BMS는 다른 시스템과 통신하여 데이터를 전송하거나, 명령을 수신하는 기능을 수행합니다. 이를 통해 배터리의 운전 정보를 모니터링하고, 제어할 수 있습니다.

서원전원의 BMS 제품 종류 및 통신 방식

서원전원의 BMS 제품은 3가지 종류로 구분됩니다. 첫 번째는 구형모델이며, 두 번째는 신형모델로 2017.12.31.이후에 설치된 것은 모두 신형 모델입니다. 세 번째는 최신형 모델로 2021.10.05.이후에 설치된 것으로 퀀텀솔루션에서 제작한 모델입니다. 구형 모델은 전기설비기술지원시스템의 수집장치와 통신하기 위하여 인터페이스 보드를 추가로 설치하여야 합니다. 그러나, 구형 모델은 현재 인터페이스 보드를 추가하여도 통신이 불가한 상태입니다. 최신형 모델은 이전 모델과는 다르게 전체 셀 정보를 전송합니다. 각각 전송되는 셀 정보 개수는 다음과 같습니다.

UPS용 BMS : 157개 셀 정보 전송
정류기용 BMS : 20개 셀 정보 전송

BMS 모델의 통신 인터페이스 부재로 인한 전기설비기술지원시스템과의 불가한 통신 문제 해결을 위한 대응 필요성

남원역에 설치된 BMS 모델은 통신 인터페이스 보드도 없으며, 통신을 위한 포트가 존재하지 않는 것입니다. 따라서, 이 모델은 전기설비기술지원시스템과 통신이 불가합니다. 현재 제작 업체와 협의하여 통신 진행하려면, 업체 담당자와 연결하여 대응하는데 시간이 많이 걸리는 상황입니다. 2023년 5월 현재 위에 논의된 BMS 모델은 철거가 되었으며, IBT BMS 모델로 교체되었습니다. 타 회사의 모델로 변경되면서 통신 인터페이스가 가능해졌으며, 전기설비기술지원시스템으로 BMS에서 수집한 정보를 화면에 표시하고 있습니다.

세방전지의 BMS 제품 종류와 특징

세방전지의 BMS 제품은 3가지 종류로 구분됩니다. 첫 번째는 UPS용에 주로 사용되며, 두 번째와 세 번째는 정류기에 사용됩니다. 일부는 첫 번째를 정류기로 사용하는 곳도 있습니다. 세방전지의 BMS(Battery Management System) 종류는 여러 가지가 있을 수 있지만, 일반적으로는 다음과 같은 종류가 있습니다.

Passvie BMS: 가장 간단한 형태의 BMS로서, 배터리 모듈 내부에 일련의 저항과 더불어 zener 다이오드 등을 사용하여 과충전 및 과방전을 감지하고 제어합니다. 하지만 이러한 방식은 정확성이 떨어지고, 안전성도 높지 않습니다.
Active BMS: 주로 차량, 배 등 큰 규모의 세방전지에서 사용되며, 전류 및 전압을 측정하여 과충전, 과방전, 과전류 등의 상황을 감지하고, 모니터링 및 제어하는 방식입니다. 안전성이 높으며, 정확한 모니터링이 가능합니다.
Hybrid BMS: Passive BMS와 Active BMS의 장점을 결합한 형태의 BMS입니다. Passive BMS의 단순함과 Active BMS의 정확성 및 안전성을 동시에 갖춘 방식으로, 보다 경제적이고 안전한 BMS입니다.
Wireless BMS: 배터리 모듈 간의 데이터를 무선으로 송수신하여 모니터링 및 제어하는 BMS입니다. 배선이 필요 없으므로 설치가 간편하며, 배터리 모듈의 이동이 자유로워 설계 유연성이 높습니다.

WATON BMS 제품과 MODBUS 프로토콜: 효율적인 전기설비 수집 및 통신 방식

WATON의 BMS 제품은 가야역 전원실에 단품으로 설치되어 있습니다.(2019년 9월 기준) 전기설비 수집 장치와의 통신은 MODBUS TCP/IP 통신이며, MODMUS 통신은 일반 랜 통신과 동작 방식 면에서 동일하다고 생각하면 됩니다. 랜 케이블로 데이터 수집 장치의 L2 스위치에 연결되며, BMS 장치에 연결된 랜 케이블을 확인할 수 있고, BMS의 IP는 192.168.0.204입니다. MODBUS는 시리얼 통신 프로토콜 중 하나로, 산업 자동화 및 제어 시스템에서 많이 사용됩니다. MODBUS 통신 방식에는 크게 3가지 종류가 있습니다.

MODBUS RTU (Remote Terminal Unit): RS-232 또는 RS-485와 같은 시리얼 통신을 사용하며, 바이너리 형식으로 데이터를 전송합니다. MODBUS RTU는 기본적으로 8비트의 데이터를 사용하며, CRC 체크섬을 사용하여 데이터의 오류를 감지합니다.
MODBUS ASCII (American Standard Code for Information Interchange): ASCII 문자열을 사용하여 데이터를 전송하는 방식입니다. RS-232를 사용하며, 데이터의 시작과 끝을 나타내는 특수 문자를 사용하여 프레임을 구성합니다.
MODBUS TCP (Transmission Control Protocol): 이더넷 기반의 통신 방식으로, MODBUS RTU 또는 MODBUS ASCII를 TCP/IP 프로토콜로 포장하여 전송합니다. MODBUS TCP는 인터넷을 통해 멀리 떨어진 장치 간 통신에 적합합니다.

마무리

MODBUS는 클라이언트-서버 구조로 작동합니다. 클라이언트는 서버에 요청을 보내고, 서버는 요청을 처리한 후에 응답을 보냅니다. 요청과 응답은 일정한 형식을 따릅니다. 요청 메시지에는 기능 코드, 데이터 주소 및 데이터 길이 등의 정보가 포함되어 있으며, 응답 메시지에는 요청에 대한 결과 데이터가 포함됩니다.

MODBUS TCP 클라이언트-서버 구조에서 서버는 여러 클라이언트와 접속되는 구조가 아닌 1대1 대응 방식의 구조입니다. 일반적인 방식의 TCP/IP 통신 방법의 클라이언트-서버 방식으로 통신을 1대 N으로 설정하여 코딩했을 경우, 난처한 일이 발생할 수 있음을 유의해야 합니다.

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