[논문]계층적 배터리 관리 시스템 시뮬레이션 기술 개발

강현우; 안성호; 김동균

doi:10.14372/iemek.2013.8.4.213

계층적 배터리 관리 시스템 시뮬레이션 기술 개발
Development of Simulator for Hierarchical Battery Management System 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.8 no.4, 2013년, pp.213 - 218

강현우 (ETRI) , 안성호 (ETRI) , 김동균 (Kyungpook National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this research, we report on the development of simulation system for performance verification of BMS(Battery Management System) which is utilized in electric vehicles. In the industrial circles, a manufacturer of BMS typically tests their system with real battery packs. However, it takes a long time to test all functions of BMS. Here, we develop BMU(Battery Managament Unit) as an embedded board, which will be installed in electric vehicle for controlling battery packs. All other environment factors for testing BMU are developed in softwares in order to reduce the term of test. Especially, the proposed system consists of cell simulator and CMU(Cell Management Unit) simulator which simulate real battery cells and control battery cells. These simulators enable the BMU to test more battery cells. In addition, proposed system provides diagnosis program in order to diagnose and monitor the condition of BMS which makes the test of BMS more easily. In order to verify the performance of the developed simulator, we have performed the experiment with real battery packs and our simulator. Through comparing two results of experiments, we verify that developed simulator shows better performance in terms of less amount of testing duration though having high reliability.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

개발된 BMS 시뮬레이터는 다수의 배터리를 관리해야 하는 BMS를 개발함에 있어 그 테스트를 용이하게 하기 위한 것이다. 본 시뮬레이터의 정확한 동작을 진단하기 위하여 앞에서 설명한 그림 4와 같은 구조로 실험 환경을 구성하였다.
많은 수의 배터리 팩을 연결하여 효율적으로 사용하기 위해서는 전체 배터리 팩들을 모니터링 할 수 있는 상위 계층에서 전체 배터리 팩들을 관리하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 계층적 구조를 가지도록 BMS를 구성하여 많은 수의 배터리 팩들을 효율적으로 관리할 수 있는 방식을 설명하고, 이러한 계층적 구조에 적합한 BMS 시뮬레이션 방식을 제안한다.

제안 방법

우리는 BMS가 수행해야 할 기능들을 5가지로 분류하고 각각에 대해서 2~4개씩의 테스트 케이스를 구성하였다. BMS의 주요 기능은 온도에 따른 보호, 전압 및 전류에 따른 보호, SOC 기능, 통신 및 모니터링 기능 등이며, 많은 수의 배터리가 연결되었을 경우 BMU가 정상적으로 기능을 수행할 수 있는지를 실험을 통해 확인하였다. 특히, 충전, 방전 등 많은 시간이 소요되는 실험을 본 시뮬레이터를 통하여 실시할 경우 완전 충전, 완전 방전 등 8시간 이상이 걸리는 실험을 10초 이내에 실시 할 수 있어 실험 시간을 획기적으로 단축할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
CMU는 PC환경에서 구현된 SW 프로그램이며, PC에서 USB-to-CAN 인터페이스를 통하여 CAN 버스에 연결된다. CMU 에뮬레이터는 2.2에서 언급한 셀 시뮬레이터에서 생성된 데이터들을 사용할 수도 있으나, BMU의 테스트를 용이 하게 하기 위하여 사용자가 생성해낸 임의의 시나리오대로 배터리 셀들의 값들을 생성해 낼 수도 있도록 제작되었다. BMU는 CMU를 통해서만 각 배터리 셀들의 정보를 알 수 있으므로, CMU 에뮬레이터를 통해서 만들어진 다양한 시나리오의 정보들은 BMU의각 기능들을 획기적으로 빠른 시간 내에 모두 테스트할 수 있도록 한다.
예를 들어 BMS 가 가동되고 10초 후에 고 전류가 발생하여 BMU가 고 전류 보호 동작을 하는지 확인하고, 이후 정상 전류로 복귀하였을 때 BMU의 보호 동작이 종료되는 시나리오가 있다고 가정하면, 사용자가 직접 배터리 시뮬레이터를 조작하여 테스트를 진행하는 것은 많은 불편함이 따른다. 따라서 본 연구에서는 배터리 시뮬레이터에 간단한 임베디드 소프트웨어를 구현하여 사용자가 사전에 만들어둔 시나리오 파일을 입력받아 이에 맞도록 전압, 전류를 생성해 내도록 구현하였다. 또한, 사용자가 테스트 시나리오를 편집할 수 있는 PC용 프로그램을 제공하여 사용에 용의하도록 하였다.
셀 시뮬레이터는 배터리 셀의 상태를 정확하게 모사하기 위한 프로그램이다. 배터리의 용량, 사용되는 재질, 사용한 시간 등 50여 가지의 파라메터를 사용하여 얼마의 전압, 전류를 내보낼 수 있는지를 계산해준다. 본 셀 시뮬레이터는 기존의 검증된 배터리 에뮬레이터인 b#-프로젝트[3, 4]에서 사용된 것으로, b#-프로젝트에서는 임베디드 시스템 형태로 구현하여 사용하였으나, 본 연구에서는 이를 PC용으로 변환하여 사용하였다.
BMU는 CMU로부터 모든 셀들의 정보를 전달받아 이를 바탕으로 BMS의 기능들을 수행한다. 본 연구에서 하나의 BMU는 최대 22개의 CMU를 관리할 수 있도록 설계 되었다. 또한 BMU는 차량 등에 탑재되어 차량의 ECU에게 BMS의 정보를 제공해 줄 수 있도록 하기 위하여 하나의 CAN 인터페이스를 더 가지고 있다.
본 시뮬레이터의 정확한 동작을 진단하기 위하여 앞에서 설명한 그림 4와 같은 구조로 실험 환경을 구성하였다. 실제 배터리 팩과의 동작비교 및 연동 가능 유무를 확인하기 위하여 BMU에 배터리 팩과 개발된 CMU 에뮬레이터 프로그램을 모두 CAN 버스로 연결하였다. BMU는 CMU 에뮬레이터 프로그램으로부터 생성된 가상의 CMU 21개의 데이터와 실제로 연결된 배터리 팩으로부터 데이터를 받게 된다.
우리는 BMS가 수행해야 할 기능들을 5가지로 분류하고 각각에 대해서 2~4개씩의 테스트 케이스를 구성하였다. BMS의 주요 기능은 온도에 따른 보호, 전압 및 전류에 따른 보호, SOC 기능, 통신 및 모니터링 기능 등이며, 많은 수의 배터리가 연결되었을 경우 BMU가 정상적으로 기능을 수행할 수 있는지를 실험을 통해 확인하였다.
특히, 본 연구에서는 BMS 모듈이 주로 사용될 차량 환경을 고려하여 BMS의 외부 인터페이스를 CAN (Controller Area Network)으로 통일하였다. 본 연구에서 사용한 방식과 같이 구성된 시스템에서는 BMS로 전달되는 모든 정보들이 CAN 네트워크를 통해 전달되므로, 인터페이스를 CAN으로 통일한다면 BMS에 연결되는 나머지 모든 요소들을 소프트웨어로 시뮬레이션 하는 것이 가능해진다.

성능/효과

이에 따라 BMS의 구조도 기존과 같이 소수의 배터리 셀들을 관리하는 구조가 아니라 본 연구에서 제안하는 방식과 같이 대규모의 배터리들을 관리할 수 있는 구조로 진화하여야 한다. 그와 함께, BMS를 개발하는 업체가 편리하게 시스템을 개발할 수 있게 해주는 시뮬레이터는 반드시 필요할 것이며, 제안한 시스템은 BMS를 개발함에 있어 높은 편의성을 제공해 줄 수 있음을 실험을 통해 확인하였다.
두 MCU사이는 시리얼 통신으로 연결한다. 이와 같은 방법을 사용하지 않고 2개 이상의 CAN 인터페이스를 가지고 있는 MCU를 사용해도 제안하는 방법과 같은 BMS의 구성이 가능하다.
BMS의 주요 기능은 온도에 따른 보호, 전압 및 전류에 따른 보호, SOC 기능, 통신 및 모니터링 기능 등이며, 많은 수의 배터리가 연결되었을 경우 BMU가 정상적으로 기능을 수행할 수 있는지를 실험을 통해 확인하였다. 특히, 충전, 방전 등 많은 시간이 소요되는 실험을 본 시뮬레이터를 통하여 실시할 경우 완전 충전, 완전 방전 등 8시간 이상이 걸리는 실험을 10초 이내에 실시 할 수 있어 실험 시간을 획기적으로 단축할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

특히, 본 연구에서는 BMS 모듈이 주로 사용될 차량 환경을 고려하여 BMS의 외부 인터페이스를 CAN (Controller Area Network)으로 통일하였다. 본 연구에서 사용한 방식과 같이 구성된 시스템에서는 BMS로 전달되는 모든 정보들이 CAN 네트워크를 통해 전달되므로, 인터페이스를 CAN으로 통일한다면 BMS에 연결되는 나머지 모든 요소들을 소프트웨어로 시뮬레이션 하는 것이 가능해진다. 이는 BMS를 개발하고 테스트를 함에 있어 획기적인 시간의 단축을 가능하게 한다.
개발된 BMU는 두 개의 MCU로 구성되어 있으며 각각의 MCU들은 하나의 CAN 통신 포트를 가지고 있다. 본 연구에서 제안하는 방식과 같이 BMS를 구성하기 위해서는 BMS의 상위 장치라고 할 수 있는 차량의 ECU와 통신할 수 있는 CAN 인터페이스가 필요하며, 하부 장치인 CMU의 정보를 수집할 수 있는 CAN 인터페이스가 필요하다. 왜냐하면 CMU에는 많은 수의 배터리 팩들이 연결되어 있어 주기적으로 많은 양의 메시지를 생성해 내기 때문에 이들 데이터가 차량 전자 장치간의 통신에 영향을 주지 않기 위해서 이다.
앞으로 배터리 관리 시스템의 응용 분야는 더욱 다양해지고 그 수요도 지속적으로 증가할 것이다. 이에 따라 BMS의 구조도 기존과 같이 소수의 배터리 셀들을 관리하는 구조가 아니라 본 연구에서 제안하는 방식과 같이 대규모의 배터리들을 관리할 수 있는 구조로 진화하여야 한다.
본 연구에서 개발한 방식과 같이 CAN을 사용하여 배터리들의 정보를 BMS로 알려주는 방식은 소수의 업체들에서만 사용이 되고 있으나 응용 계층의 통신 규약이 정해져 있지 않다. 이는 BMS 산업의 확대를 위해서 향후 연구가 계속되어야 할 것이다.
앞으로 배터리 관리 시스템의 응용 분야는 더욱 다양해지고 그 수요도 지속적으로 증가할 것이다. 이에 따라 BMS의 구조도 기존과 같이 소수의 배터리 셀들을 관리하는 구조가 아니라 본 연구에서 제안하는 방식과 같이 대규모의 배터리들을 관리할 수 있는 구조로 진화하여야 한다. 그와 함께, BMS를 개발하는 업체가 편리하게 시스템을 개발할 수 있게 해주는 시뮬레이터는 반드시 필요할 것이며, 제안한 시스템은 BMS를 개발함에 있어 높은 편의성을 제공해 줄 수 있음을 실험을 통해 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기 자동차 등과 같은 분야에서 Li (리튬) 계열의 배터리 셀이 활용되고 있는 이유는?	오늘날 전기 자동차 (Electric Vehicle), ESS (Energy Storage System) 등과 같이 이차 전지를 주요 에너지원으로 사용하는 응용들이 점차 증가하고 있다. 특히 전기 자동차 등과 같은 분야에서는 고용량, 고밀도의 에너지를 요구함에 따라 기존의 납축전지를 사용하지 않고 Li (리튬) 계열의 배터리 셀을 활용하고 있다. 이러한 Li 계열의 배터리 셀들을 안전하고, 효율적으로 사용하기 위해서는 이들 배터리 셀들을 체계적으로 관리해야 하고, 배터리들의 사용 연한을 보장하기 위한 기술이 반드시 필요하다[1].
	산업계에서 BMS를 제작하는 업체가 늘어나고 있는 배경은?	한편, 하이브리드용 전기 자동차의 보급 등과 함께 BMS의 수요가 늘어남에 따라 산업계에서는 BMS를 제작하는 업체들이 늘어나고 있다. BMS를 제작하는 업체의 경우 BMS의 개발 및 생산 후 신뢰성 평가 단계에서 실제 배터리에 장착 후 테스트를 필요로 하는 경우가 발생한다.
	배터리 팩에서 발생하는 전압 및 전류 값을 모사하는 형태란?	이들 배터리 시뮬레이션은 배터리 팩에서 발생하는 전압 및 전류 값을 모사하는 형태로 제작된다. 즉, BMS에 실제 배터리를 연결하지 않고 배터리 시뮬레이션을 연결하여 실제 배터리와 유사한 전압 및전류 값을 BMS에 전달해주는 형태이다. 이러한 배터리 시뮬레이션 기술은 전압, 전류 값 등을 BMS 에 전달해야 하므로, 정확한 전압, 전류 값 등을 생성해 낼 수 있는 하드웨어 기술이 중요한 요소이다.

참고문헌 (6)

J. Chatzakis, K. Kalaitzakis, N.C. Voulgaris, S.N. Manias, " Designing a New Generalized Battery Management System," IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol. 50, No. 5, pp.990-999, 2003.

상세보기
C.H. Park, S.J. Kim, H.S. Hwang, H.G. Lee, "Development of a battery management system(BMS) simulator for electric vehicle(EV) cars," Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 6, pp.2484-2490, 2012 (in Korean).

원문보기 상세보기
P.H. Chou, C. Park, J. Park, K. Pham, J. Liu, "B#: a Battery Emulator and Power Profiling Instrument," Proceedings on ACM ISLPED'03, 2003.
X. Xiao, X. Liu, "A Li-ion Battery Management System Based on MCU and OZ8920," Procedia Engineeing, Vol. 29, pp.738-743, 2012.

상세보기
M. Coleman, C.B. Zhu, C.K. Lee, W.G. Hurley, "A combined SOC estimation method under varied ambient temperature for a lead-acid battery," Proceedings on Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2005.
http://www.ece.uci.edu/bsharp/

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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