리튬이온 배터리 관리회로(BMS) 설계와 보호회로 이해

리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 안정적인 성능으로 다양한 산업에 활용되고 있습니다. 하지만 이러한 성능을 안정적으로 유지하기 위해서는 리튬이온 배터리 관리회로(BMS) 설계와 보호회로 이해가 반드시 필요합니다. 

 

 

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리튬이온 배터리와 BMS의 기본 개념

리튬이온 배터리 구조와 특성

리튬이온 배터리는 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성되며 충전과 방전 과정에서 리튬 이온이 양극과 음극 사이를 이동합니다. 높은 에너지 밀도, 긴 수명, 낮은 자가 방전률 덕분에 휴대기기부터 전기차까지 폭넓게 사용됩니다.

BMS(Battery Management System)의 정의

BMS는 배터리가 안전하게 작동하도록 관리하는 핵심 제어 시스템입니다. 전압·전류·온도 측정, 셀 밸런싱, SOC 계산 등 다양한 기능을 수행하여 배터리의 수명과 안정성을 유지합니다.

 

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BMS가 필요한 이유

과충전·과방전 방지 기능

리튬이온 배터리는 특정 전압 범위를 벗어나면 화재나 폭발 위험이 발생합니다. BMS는 허용 범위를 벗어날 경우 충·방전을 차단하여 안전성을 보장합니다.

셀 밸런싱의 필요성

셀 간 전압 차이가 커지면 배터리 팩 전체 성능이 저하됩니다. BMS는 능동·수동 밸런싱 기능을 사용해 모든 셀을 균일하게 유지합니다.

 

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리튬이온 배터리 관리회로(BMS) 설계 핵심 요소

전압 센싱 구조

셀별 전압을 측정해 과충전 여부를 판단합니다. AFE(Analog Front End) IC가 주로 사용되며 TI, Analog Devices 등 제조사의 제품이 널리 쓰입니다.

전류 측정 방식(Shunt, Hall)

• Shunt 방식: 저항을 통과하는 전압강하로 전류 측정
• Hall 방식: 비접촉 측정으로 절연 및 안정성 우수

온도 센서와 열 관리

NTC, PTC 센서를 사용하여 셀 온도를 지속적으로 감시합니다. 열폭주를 방지하기 위해 팬 제어, 절연 패드 설계 등이 필요합니다.

MCU·AFE 구성 이해

AFE가 데이터 수집을 담당하고 MCU가 제어 로직을 수행합니다. 두 장치는 SPI, I2C 등으로 통신하며 고신뢰성 설계가 요구됩니다.

 

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보호회로(PCM)와 BMS의 차이

보호회로의 기본 동작 원리

PCM(Protection Circuit Module)은 최소한의 보호 기능만 제공합니다. 과전압, 과전류, 단락을 감지하면 MOSFET을 통해 회로를 차단하는 형태입니다.

BMS와 PCM의 적용 분야 차이

구분	PCM	BMS
기능	기본 보호	보호 + 모니터링 + 제어
사용 분야	보조배터리, 소형 기기	EV, ESS 등 고출력

 

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BMS 설계 시 고려해야 할 위험 요소

열폭주와 보호 전략

열폭주는 셀 온도가 급격히 상승하여 더 큰 열 반응을 일으키는 위험한 현상입니다. 온도 센서 다중화, 절연재 사용, 보호회로 redundancy가 필요합니다.

FET 선택 기준

Rds(on), 전류 용량, 열 분산 성능 등을 고려해야 합니다. 전기차용 BMS는 고전류 조건에서의 온도 상승 데이터를 반드시 검증해야 합니다.

 

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BMS 회로의 실제 설계 절차

스펙 정의 → 회로 설계 → PCB 구성

설계 초기에 배터리 셀 수, 전압 범위, 통신 방식(CAN, UART)을 정의합니다. 이후 전압/전류 센싱 회로, MCU 회로를 구성하며 EMI/ESD 대책을 적용합니다.

펌웨어 로직 설정

SOC 계산 알고리즘, 보호 로직, 셀 밸런싱 조건 등을 MCU에 프로그램합니다. 정확한 보호 타이밍을 구현해야 사고를 예방할 수 있습니다.

 

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산업별 BMS 적용 사례

전기차(EV)

고전압 배터리팩을 제어하기 위해 고정밀 AFE와 CAN 통신이 필수입니다.

ESS(에너지 저장장치)

긴 수명과 안전성이 중요해冗長 설계(Redundancy) BMS가 주로 사용됩니다.

소형 전자기기

저전압 기반이지만 PCM과 간단한 BMS가 결합된 형태가 보통입니다.

 

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테스트 및 검증 프로세스

셀 밸런싱 테스트

셀 전압 차이를 인위적으로 만든 뒤 BMS가 균형을 맞추는 속도와 정확성을 측정합니다.

과전류·단락 실험

실제 기준은 KISA, 국제 표준(IEC 62133)을 기반으로 합니다. 표준 참고: KISA 공식 사이트 AWS 공식 페이지

 

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FAQ

1. BMS는 PCM과 완전히 다르나요?

네. PCM은 기본 보호 기능만 수행하지만 BMS는 제어·통신·모니터링까지 포함한 고급 시스템입니다.

2. 셀 밸런싱은 왜 필요한가요?

셀 간 전압 차이가 증가하면 배터리 전체 용량이 줄어들기 때문입니다. 배터리 수명에도 큰 영향을 줍니다.

3. BMS 설계는 직접 할 수 있나요?

가능하지만 고전압·고전류 환경은 위험하므로 전문 엔지니어링 경험이 필요합니다.

 

 

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리튬이온 배터리 관리회로(BMS) 설계와 보호회로 이해는 안전성 확보를 위해 반드시 필요한 지식입니다. BMS는 단순 보호 기능이 아니라 배터리 성능과 수명을 좌우하는 핵심 시스템입니다. 정확한 센싱, 안정적인 회로 구성, 철저한 검증 과정을 거쳐야 안전한 배터리 시스템을 구축할 수 있습니다.