Development of Battery Management System using Multiple Microcontroller

다중 마이크로콘트롤러를 사용한 배터리 관리 시스템의 개발

Abstract

In an electric vehicle and Energy Storage System(ESS), a large number of batteries are connected in series or parallel to obtain high voltage and current. The battery management system(BMS) is needed because battery has a characteristic that explode in overcharging and overcurrent situations due to the nature of the battery material and the battery life is dramatically reduced when the battery is overdischarged below the specified voltage. In this paper, we proposed a system that can manage a large amount of batteries through the communication of master-slave type with multiple microcontroller. We confirmed the stable operation of the proposed system through the balancing-charging and storage mode experiments.

1. 서론

지구 온난화와 탄소 배출권에 대한 제한과 원유 가격상승으로 하이브리드 자동차, 전기자동차(EV : Electric Vehicle) 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV : Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 등에 대한 개발과 수요가 증가하고 있다. 에너지 고갈과 지구 환경의 변화에 따른 문제점이 심각해지면서 유럽은 2020년, 미국과 중국은 2025년까지 자동차 연비개선, 배기가스 감축 또는 친환경 자동차 판매 목표를 제시하고 있다. 그리고 EU의 저탄소 로드맵은 2050년까지 배기가스 감축 로드맵을 마련하여 단계적 감축으로 2050년까지 80% 감축을 목표로 하고 있다. 국민의 건강과 자국 전기자동차 업체에도 도움이 되며 석유의존도를 낮출 수 있는 이유로 전기자동차로의 이동은 확대될 것이 분명하며, 노르웨이는 2025년, 영국과 프랑스는 2040년부터 내연기관 자동차 판매가 중단된다.¹

전력사용의 효율성 증대를 위하여 전력수요가 적을 때 에너지를 대용량 배터리에 저장해 놓았다가 수요가 많을 때 저장된 에너지를 사용하는 에너지 저장장치(ESS: Energy Storage System)에 대한 관심과 수요도 증가하고 있다. 에너지 저장장치를 사용하면 낭비되거나 버려지는 에너지를 최소화하여 효율적인 전력사용환경을 구축할 수 있다. 특히 풍력, 태양광, 조력 등 신재생 에너지에 대한 설비의 증가에 따른 불안정한 전력 생산에 대비하여 에너지 저장장치의 필요성은 더욱 높아진다.²

전기자동차나 에너지 저장장치의 주요 에너지 저장원으로 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철 등을 재료로 하는 충전가능한 배터리를 사용하며, 높은 전압과 전류를 얻기 위하여 이러한 장치에는 다량의 배터리를 서로 직렬-병렬 연결하여 사용한다. 배터리 재료의 특성상 과충전, 과전류의 상황에서 폭발하여 위험하고, 규정전압 이하로 과방전하면 배터리 수명이 급속히 감소되는 특성을 갖고 있어서 세심한 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)이 필요하다.^3,4 BMS는 여러개의 배터리 셀 각각의 전압을 측정하여 셀간 전압을 정밀하게 균형을 잡아주고 모든 셀이 완전 충전상태가 되도록 하며 과방전 감지기능을 통하여 과방전이 발생되지 않도록 하고, 셀의 온도가 적정한지 감시하여 에너지 저장과 사용을 안정적으로 수행하기 위한 연구개발이 행해졌다. 그리고 저전압 DC/DC 컨버터를 이용한 배터리 충전 및 관리에 대한 연구가 있었으나 비용의 과다와 부피가 크지는 문제점이 있었다.^5∼7

본 논문에서는 다량의 배터리를 직-병렬 연결하는 시스템에서 각 셀의 상태를 정확하게 측정, 관리하기 위하여 각 셀마다 저가격, 저전력 마이크로 컨트롤러를 사용하여 통신을 통한 마스터-슬레이브 형태의 배터리 관리 시스템을 제안하고, 제안한 시스템을 제작하고 실험을 통하여 개발한 시스템의 타당성을 검증하였다.

2. 시스템 제안 및 개발

다량의 배터리를 사용하는 경우에 각 셀의 상태를 정확하게 획득하여 관리할 필요가 있다. 시중에 판매되는 3종의 BMS를 구입하여 충전실험을 해본 결과 배터리 각 셀의 전압이 비슷한 경우에는 정상적으로 충전이 되고, 충전 완료시점에 밸런싱 기능이 동작하여 충전완료 전압까지 모든 셀이 안정되게 충전되었다. 그러나 셀의 전압이 불균형이 발생했을 때를 가정하여 2개의 셀을 다른 셀보다 충전상태를 낮게 인위적 방전시킨 후 정상적으로 밸런싱과 완전충전이 되는지 실험을 하였다.

Fig. 1 Examples of stock BMS

그 결과 충전이 부족하도록 인위적으로 만든 배터리를 계속 충전하는 상태에서 그렇지 않은 배터리는 충전완료 시점에 먼저 도달했지만 과충전 상태로 계속 충전되는 상태가 발생하여 폭발 위험상태에서도 여전히 충전하는 결과를 보였으며, 폭발 방지를 위하여 충전완료된 배터리를 기준으로 더 이상 충전되지 않도록 차단하여 일부배터리가 충전부족 상태에서 충전을 종료하는 상태가 되었다. 그리고 기존의 BMS장치들은 대부분 직렬로 연결된 배터리를 저항을 사용한 분압회로에 의하여 각 셀의 전압을 측정하거나 또는 최하한과 최상한 전압에서 단순히 차단하는 형태로 설계되어 있다. 그리고 직렬로 연결할 수 있는 배터리의 수에 제한을 받아 수십에서 100개 이상의 다수의 배터리를 연결하지 못하며 각 셀의 온도 감시보다는 한 두 지점의 온도를 측정하는 경우가 대부분이다.

본 논문에서는 연결할 수 있는 배터리 수에 제한없이 다량의 배터리를 연결하여 각 셀의 상태를 상시 모니터링하고 관리할 수 있는 시스템을 제안한다. 각 셀에 저전력 마이크로 컨트롤러를 장착하고 이 마이크로 컨트롤러는 각각의 셀 전압과 온도를 상시 모니터링하는 기능을 수행하며, 이 마이크로 컨트롤러를 슬레이브라 한다. 마스터 컨트롤러는 통신을 통하여 슬레이브로 명령을 보내면, 각 셀에 연결된 슬레이브에서는 배터리의 전압과 온도 정보를 통신을 통해서 마스터로 보내게 되고 마스터는 이 정보를 취합하여 각각의 배터리 상태를 상시 감시한다.

그림 2의 마스터보드는 안전을 위하여 2종의 전류센서로 전류측정을 이중화하였는데, 0.1옴의 낮은 저항양단 전압을 측정하여 전류로 환산하는 저항형 전류센서(Resistor Type Current Sensor)와 또 다른 하나는 반도체 전류센서(Semiconductor type current sensor)를 사용하여 전류를 측정하였다. 그리고 슬레이브에서 보내오는 각 셀의 전압정보의 합으로 전체전압을 알 수 있지만 마스터보드에 저항분압기를 통한 후 ADC변환을 통해 전체전압을 측정하도록 하여 전체전압측정도 이중화 하였다. 배터리는 일반적으로 정전류방식으로 충전을 하므로 충전시 일정한 전류로 충전하기 위하여 Constant Current 회로를 내장하였고, 충전전류는 마이컴에서 설정가능 하도록 하였다. 마스터는 충전시 충전전류를 설정하고, 충전 중 배터리 간 전압불균형이 설정치 이상 발생하면 어느때나 밸런싱 기능이 활성화되어 모든 배터리의 전압을 균일하게 조정한 후 다시 충전하는 기능을 수행하고, 충전 완료시점을 상시 감시하여 모든 배터리가 충전완료 상태가 되도록 소프트웨어를 개발하였다. 그리고 오랫동안 배터리를 사용하지 않을 때 공칭전압 이상의 충전 상태로 방치하면 배터리의 수명에 악영향을 주고 배터리 팽창 또는 폭발의 위험이 있으므로 보관이 필요한 경우 보관전압 설정이 가능한 보관모드(Storage mode) 기능을 통하여 설정한 보관 전압까지 모든 배터리의 전압을 동일하게 맞추는 소프트웨어도 개발하였다.

Fig. 2 Diagram of Master board

일반적으로 ADC를 사용할 경우 마이콤에 안정된 전압을 공급하고 ADC칩의 Ref단자에 일정한 기준전압(이 전압이 ADC의 최대값이 됨)을 연결한 후 ADC의 입력채널에 측정하고자 하는 입력전압을 가하는 방식을 사용한다. 그러나 배터리를 마이콤의 전원으로 사용하면서 이 전압을 측정하고자 하는 경우에는 배터리의 전압이 항상 변하여 위의 일반적인 방법을 적용하기 힘들다. 개발한 슬레이브 보드는 변하는 배터리의 전압을 마이콤 내장 ADC의 기준전압(Ref 전압)으로 설정하고, ADC입력단자에는 1.235V의 일정한 기준전압원(Reference Voltage Source)을 연결하여 항상 1.235V를 디지털로 변환하도록 하였다. 배터리의 전압(즉, ADC Ref전압) 변화에 대해 ADC입력단자에 연결된 일정한 전압을 디지털화화여 상대적으로 배터리 전압을 측정할 수 있도록 개발하였다.

그림 3은 슬레이브 보드의 구성도이며, 그림 4는 마스터와 슬레이브의 통신결선을 나타내었으며 PC에서도 모니터링이 가능하도록 하였다.

Fig. 3 Diagram of slave board

Fig. 4 Connection of Master and Slave boards

슬레이브 보드는 정확한 배터리 정보를 취득하기 위해 마이콤 내장 ADC를 내장하고, 안정적인 동작을 위하여 워치독 타이머 기능과 브라운 아웃 Fig. 3 Diagram of slave board 리셋 기능이 가능해야하고, 배터리의 전원을 사용하여 동작하므로 전력 소모가 적은 초저전력 마이크로 컨트롤러를 선정하였다. 취득한 배터리의 정보를 마스터로 보내기 위하여 통신 데이터양이 최소가 되도록 정수형 8비트(0∼255) 1개의 데이터로 변환할 필요가 있다.

\(\begin{align}\mathrm{ADC}_{\mathrm{value}}=\frac{\left(2^{\mathrm{ADCBIT}}-1\right) \times \mathrm{V}_{\text {ref }}}{\mathrm{V}_{\mathrm{BAT}}}\end{align}\)       (1)

\(\begin{align}\mathrm{V}_{\text {measure }}=\left(\frac{63171}{\mathrm{ADC}_{\text {value }}}\right) \times 2\end{align}\)       (2)

V_COM = V_measure - 180       (3)

여기서, V_BAT는 측정하고자 하는 배터리의 전압, ADCBIT는 ADC의 분해능으로 10이고, V_ref는 기준전압원(Reference Voltage Source)으로 1.235V이며, ADC_value는 ADC 후 디지털 값이며, V_measure는 측정한 전압값을 정수형으로 표현한 값이며, V_COM은 255를 넘지 않는 8비트 정수형 전압 정보로서 마스터로 통신하는 정수형 전압값이다. 예를 들어 측정하고자하는 배터리의 전압을 3.52V로 가정하면, V_measure는 정수형으로 352가 되며, V_COM값 172를 마스터로 송신하며, 마스터는 통신을 통해 받은 전압정보인 172에서 180을 더하여 352라는 값을 환산하여 3.52V라는 것을 알 수 있게 된다. 실제로는 ADC 후 바로 디지털값의 결과로 ADC_value를 얻게 되므로 식 1은 연산에 사용되지는 않고, ADC_value를 식 2에 대입하여 전압을 바로 계산할 수 있으며, 소수점 및 long 연산이 아닌 16비트 정수형(unsigned int형:0∼65535)만으로 계산이 가능해 프로그램 처리시간을 줄일 수 있다.

그림 5는 개발한 마스터보드와 표시부로서 마스터 마이크로 컨트롤러와 충전 전류 감지 및 과전류방전 차단을 위한 전류센서, 정전류 충전부 등으로 구성되어 있으며, 표시부는 각 셀의 전압 및 온도, 셀 중에서 최대최소 전압 및 온도를 갖는 셀의 번호와 그 값을 표시하도록 하였다. 실험과 동작 상태를 확인하기 위하여 표시부를 장착하여 실험하였지만 실제 사용시에는 표시부가 필요하지 않다.

Fig. 5 Master Board and display part

그림 6은 슬레이브 보드로서 저전력 마이크로 컨트롤러, 밸런싱을 위한 부하저항, 기준전압원, 온도센서 연결용 3핀 커넥터 및 통신을 위한 광결합기(Opto coupler)로 구성되어 있다.

Fig. 6 Slave board

3. 실험결과

그림 7과 같이 제안한 시스템을 설계하고 제작하여 13개의 배터리 셀에 장착하였다. 물론 더 많은 슬레이브 보드를 연결하면 100개 이상의 배터리의 경우에도 적용이 가능하다. 사용한 배터리는 KOKAM에서 제조한 것으로 55Ah의 용량을 가지며, 공칭전압(Nominal voltage) 3.7V, 최대충전전압은 4.2V이다.

Fig. 7 Developed BMS

배터리 관리 시스템이 갖추어야할 기본 기능인 충전시 안정되게 모든 배터리를 충전전압까지 충전하는 밸런싱 충전 실험과 보관모드 작동시 모든 배터리가 보관전압에 도달하도록 관리하는 기능에 대해 실험하였다.

그림 8은 8개의 셀을 임의로 방전상태를 만들어서 충전 완료전압을 4.20V로 설정하여 실험한 결과이다. 각 배터리의 전압차가 발생한 비정상적인 상태를 가정하여, 비정상 상태 설정값을 0.04V로 하고 상시모니터링을 통하여 설정값 이상 배터리의 전압차가 발생하면 자동으로 밸런싱 동작을 통하여 모든 셀이 0.02V이내로 밸런싱이 완료된 후 충전을 하여 모든 셀이 안정적이며 완전히 충전되는 것을 볼 수 있다.

Fig. 8 Experiment of balancing-charging mode

그림 9는 배터리를 오랫동안 보관해야할 상황을 가정하여 공칭전압 이하로 보관모드실험을 행한 결과이다. 모든 배터리는 설정한 보관전압 3.52V까지 안정되게 도달한 것을 볼 수 있다.

Fig. 9 Experiment of storage mode

배터리의 모니터링 정보는 PC를 통하여 4초단위로 획득하였으며, 10옴의 밸런싱 저항을 사용하여 55Ah라는 큰 용량의 배터리를 밸런싱하는데 시간이 오래 걸렸는데, 밸런싱 저항값을 낮추고 높은 Watt의 저항 사용과 저항에서의 빠른 방열을 위한 냉각팬설치로 더 빠른 밸런싱이 가능하다.

4. 결론

본 연구는 전기자동차, 에너지저장장치 등 배터리를 사용하는 시스템에 필수적으로 사용되는 배터리관리시스템에서 다량의 배터리를 안정적이고 효율적으로 관리하기 위한 시스템을 제안하고 개발하였다. 저가의 저전력 마이크로 컨트롤러를 사용하고 master-slave 형태의 통신을 통하여 모든 배터리를 정밀하게 모니터링이 가능하여 특정 배터리의 불량 검출 및 안정적인 배터리의 관리가 가능하다. 충전모드 및 보관모드 실험을 통하여 제안하고 개발한 배터리관리시스템의 하드웨어 동작과 소프트웨어 알고리즘의 타당성을 확인하였다. 전기에너지 저장을 위하여 배터리를 사용하는 시스템이 점차 늘어나고 있고, 다량의 배터리에 대한 효율적인 모니터링과 안전하게 관리할 필요가 있는 다양한 시스템에 활용이 가능할 것이다.