HV BMS operational manual 정리 (1)

[23 박현도]

안녕하십니까 HV 팀원 박현도입니다.

그동안 귀차니즘으로 인해 미루고 미뤄왔던 BMS 작동 매뉴얼에 대한 글을 오늘부터 써보려고 합니다.

물러날 곳이 없다!

BMS를 제대로 사용하기 위해서는 배선 매뉴얼/작동 매뉴얼/소프트웨어 매뉴얼/서미스터 확장 매뉴얼 등을 잘 숙지해야 합니다.

따라서 이 글을 읽으시는 분들은 카페에 있는 배선 매뉴얼이나(shout out to 이강산), 후에 올라갈 다른 매뉴얼 설명글과 함꼐 읽으시면 더욱 도움이 되리라고 생각합니다.

또한 글에 빼먹은 부분이나 오역 및 내용 오류가 존재할 가능성이 있습니다. 따라서 BMS를 처음 다루는 분들이라면 원문과 비교해가며 읽는 것을 추천드리며 내용에 대한 태클은 언제나 환영입니다. 바로 시작하겠습니다.

<작동 개요>

BMS는 기본적으로 여러 센서를 모니터링하여 배터리 팩을 보호하고 다양한 출력을 사용하여 배터리의 충전 및 방전을 제어합니다.

BMS와 배터리 등등

작동 개요입니다. BMS와 배터리 팩, 전류 센서, 모터 등등이 연결되어 있는 모습입니다. 구체적인 설명은 뒤에 나오니 흐름만 대충 보고 넘깁시다.

<BMS 설정>

배선과 소프트웨어에 관한 부분은 각 매뉴얼을 참고하면 됩니다.

BMS를 설정하거나 설정을 변경했을 때, 혹은 외부 하드웨어를 변경했을 때는 전체 설정을 테스트하여 제대로 작동하는지 확인을 해야합니다. 확인이 필요한 기본적인 것들은 다음과 같습니다.

1. 테스트로 인해 배터리팩이 즉각적인 피해를 입을 가능성이 있는지 확인.

2. 셀 전압이 올바르게 측정되는지 확인. 오류 위험이 있으므로 멀티미터를 이용하여 전압 재확인.

3. 전류 센서가 올바른 값을 나타내는지(배터리팩으로 들어가는 전류가 음수/나가는 전류가 양수) 확인.

4. 충전 활성화/방전 활성화 시 또는 charger safety relay가 작동할 때 cutoff가 제대로 되는지 확인. 특히 첫번째 사이클(첫 완충 및 첫 방전)을 면밀히 모니터링.

5. 충전 및 방전 제한이 있는 경우 장치들이 실제로 그 제한을 준수하는지 확인.

배터리의 상태 및 안전과 관련한 내용답게 매뉴얼이 시작하자마자 나옵니다. 특히 전류센서(홀센서)는 중간중간에도 그 중요성을 강조하는 멘트가 나오는 것으로 보아, 매우 신중한 테스트와 관리가 필요할 듯 합니다.

<Orion BMS 2의 작동 방식>

여기서부터 operational manual이라는 제목에 맞는 내용이 본격적으로 시작됩니다.

[설정 변경 및 업로드]

BMS를 작동하려면 프로그래밍이 필요합니다. 전체 설정 모음을 battery profile이라고 합니다. profile은 BMS용 유틸리티 프로그램을 사용하여 개인용 컴퓨터에서 편집된 뒤 CANBUS를 통해 BMS에 업로드됩니다. 최종 사용자가 설정을 수정하거나 보는 것을 방지하기 위해 선택적으로 프로필을 비밀번호로 BMS에 잠글 수 있습니다. 설정을 업로드하고 다운로드하려면 Ewert Energy Systems에서 판매하는 CANdapter(CAN-USB 어댑터)를 사용해야 합니다. 배터리 프로필을 BMS에서 다시 다운로드하여 편집할 수도 있다고 합니다. CANdapter는 학회실에 있는 것을 사용하면 됩니다. (나중에 사진 추가)

[기본적인 데이터 수집]

BMS는 다양한 센서로부터 데이터를 수집하여 계산과 의사 결정에 사용합니다. 수집하는 데이터에는 다음과 같은 것들이 있습니다.

- 셀 전압:

각 셀의 전압의 경우 셀 전압 탭 커넥터의 전압을 감지하여 약 30mS마다 측정됩니다. BMS는 한 탭 와이어에서 다음 탭 와이어까지의 전압 차이를 측정하여 셀의 전압을 측정합니다. 버스바 보상(busbar compensation)(버스바로 인해 전압에 차이가 생기는 것에 대한 보정을 의미하는 것 같습니다.)이 구성되지 않은 경우 BMS는 셀 전압에 대한 실제 측정 값을 표시하고 사용합니다(그렇지 않으면 보상된 값이 사용됩니다).

- 전류:
배터리팩에 들어오고 나가는 전류를 홀 센서를 이용하여 감시합니다. 홀 센서는 측정된 전류량을 2개의 0~5v 아날로그 전압으로 변환합니다. 한 채널은 작은 전류에 대한 높은 정확성을 위해 더 작은 전류를 측정하는데 사용되고, 다른 채널은 더 큰 전류를 측정하는데 사용됩니다. 이 두 아날로그 전압은 BMS에 의해 측정되고 BMS가 다양한 계산에 사용하는 전류량 값으로 변환됩니다.

아래의 표는 큰 전류를 측정하는 채널의 피드백 전압이 실제 측정된 전류와 어떤 관계를 가지고 있는지 보여줍니다(500A 센서 기준). 한 지점을 예시로 들어보자면, 센서에 500A의 전류가 측정되었을 시 4.5V의 전압으로 변환된다는 사실을 알 수 있습니다.

그렇다고 합니다

Orion BMS와 함께 판매되는 전류 센서는 최대 1000A를 측정할 수 있습니다. BMS는 2개의 센서를 병렬로 연결하여 최대 2000A까지 측정하도록 구성할 수 있으나, 1000A까지가 권장됩니다. 또한 BMS와 함께 판매되는 전류 센서는 최대 정격 전류의 120%까지 측정할 수 있으나, 정확도는 떨어지게 됩니다.

DHAB S/133

올해 차에 들어갈 전류센서(홀센서)입니다. 중심 부분으로 HV케이블이 지나갑니다. 채널1은 -75~+75A의 전류를, 채널2는  -750~+750A의 전류를 측정할 수 있습니다. 우리 차의 구동시스템 부품들의 최대 전류는 350A이므로 전류 한도에 대한 걱정은 전혀 할 필요가 없습니다.

- 온도:

BMS는 본체에 직접 연결된 최대 8개의 서미스터(온도센서)를 이용하여 배터리 팩 전체의 평균 온도를 결정합니다(모든 셀 하나하나에 서미스터를 연결하는 것이 아니라면, 전체 온도는 대략적인 온도로 구해지게 됩니다). 우리의 배터리 팩은 28s13p 구성입니다. 규정상 20% 이상의 셀의 온도를 감시해야 하므로, 73개 이상의 셀에 서미스터를 설치해야 합니다. 따라서 서미스터 확장모듈의 사용이 필연적이며, 관련한 내용은 확장모듈 매뉴얼을 참고하면 됩니다.

서미스터 확장모듈

서미스터는 ambient temperature thermistor(주변 온도 서미스터)로 지정될 수도 있으며, 이는 주변의 온도를 감지하고 그에 따라 냉각팬을 가동시키는 역할을 할 수도 있습니다.

- 전체 팩 전압:

개별 셀의 전압을 합산하여 계산합니다. 이 방식은 이전 버전의 BMS의 방식과 다르며 더 정확하다고 하는데, 이전 버전의 것을 사용한 적이 없으므로 무시해도 될 듯 합니다.

- 절연:

BMS에는 기본적으로 절연을 감지하는 센서가 존재합니다. 배터리 팩과 섀시 사이 절연을 감시하며, 특히 input power ground (BMS Main I/O connector의 pin 12)와 cell tap 1-(negative)사이의 절연을 감시합니다. 아마 배선 매뉴얼에 커넥터에 대한 자세한 설명이 나와있을겁니다. 절연 센서에 대한 더 자세한 내용은 아래의 “Isolation Fault Detection" 섹션을 참조하라고 하네요.

- 기타 입력들: 

BMS에는 BMS의 세 가지 모드(Always On, READY power, CHARGE power)를 결정하는 전원 공급을 감지하는 기능도 있습니다.

또한 BMS는 다양하게 활용될 수 있는 3개의 다목적 입력도 가지고 있습니다.

이 다음부터는 충전과 관련된 내용이 본격적으로 이어지기 때문에 이번 글은 여기에서 끊는 것으로 하겠습니다. 

매뉴얼의 시작부분인지라 가장 기본적인 내용만 설명한 데다가 글 자체도 긴 편이 아니었는데, 생각보다 쓰는 시간이 오래걸렸네요.. 역시 팀장님 말씀대로 글을 쓰는 습관을 들이는 것이 중요한 것 같습니다.

빠른 시일 안에 2편으로 돌아오겠습니다.

[22 이강산]