배터리 팩에 대한 이해(Analysis of Battery Pack, Battery System)

"배터리?"

 

 

"배터리"라고 하면 보통 배터리 Cell에 대해 떠올리기 쉽습니다.

 

상기 이미지처럼, 1개의 배터리를 "Cell" 이라고 부르죠

 

하지만 실제로 배터리 셀 1개만 가지고, 어떤 제품의 전원으로 사용하는 경우는 거의 없습니다.

 

용량이 너무 작기때문인데요

 

따라서, 배터리 셀을 직렬/병렬 연결하여 큰용량, 큰에너지로 사용하는 경우가 많습니다.

 

전기차에는 워낙 대규모로 들어가는 관계로 "배터리 팩(PACK)" 이라고 부르는데요

 

이 배터리 팩에 대해 한번 정리해보겠습니다.

 

출처 :  https://www.ufo-battery.com/what-is-lithium-ion-battery-pack

배터리 셀 여러개를 묶어, 모듈이라고 부릅니다. 이런 모듈들이 여러개 합쳐지면 1개의 팩이 되는데요

 

[최소단위] : Cell -> [중간단위] : Module -> [최대단위] : Pack

 

으로 정리해주시면 됩니다.

 

출처 :  https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-12706-4_4

 

예를들어, 배터리 팩이 30P300S(30병렬 300직렬) 시스템 구조인것이 있다고 생각해보면

 

팩이 모듈 10개로 구성되어있다고 하는 경우, 각 모듈당 30P30S 직렬연결로 구성됩니다.

 

 

▶ 참고

 

※ "1P300S를 30병렬로 연결해도 되지 않냐?"

 

 라고 생각하시겠지만, 병렬연결은 모두 모듈내에서 맥시멈으로 채워넣어야합니다.

 

그 이유는, 배터리 전압 센싱 관점에서 찾을 수 있는데요

 

병렬연결이 되어있는 경우, 30개의 병렬이라고 하면 전압센서가 1개만 존재해도 됩니다. 

 

병렬연결된 세로 한줄(30P1S)라인은 센서 1개로 스위치를 껏다키는 형식으로 제어가 가능하기 때문인데요, 이렇게하면 300개의 센서만 있으면 됩니다. 

 

1P300S로 30병렬인 경우에는, 모듈 내부에 각각 센싱라인을 부착하여, 9000개의 센서가 필요합니다.

 

 

​ 

"실제 배터리 팩"

 

 

 

 

여러분들이 가장 흥미 있으실, 테슬라 모델S의 배터리팩을 기준으로 한번 살펴보겠습니다.

 

배터리 팩은 간단하게 보면 이렇게 구성되어있습니다.

 

 

 "배터리 팩 구성"

 

 

- 배터리 상/하부 하우징 (배터리 케이스)

- 배터리 언더커버 프로텍터(배터리 하부 충격방지 보호용)

- 냉각 플레이트(언더커버 위쪽/배터리 하부 냉각층)

- BMS(Battery Management System) : 배터리 시스템 제어기

- 배터리 마운팅 볼트

- 배터리 모듈(Cell들을 모은것)

- PRA(Power Relay Assembly) : 배터리 제어용 릴레이/퓨즈를 모아놓은 것

- 고전압커넥터

- Safety Plug

- 배터리 냉각 시스템 : 냉각 유로 및 냉각 펌프/칠러

 

출처 : https://qnovo.com/peek-inside-the-battery-of-a-tesla-model-s/

 

① 배터리 모듈(BMA)

 

하기 이미지는 테슬라 모델S의 배터리팩으로, 빨간 네모박스 부분이 바로 모듈(BMA, Battery Module Assembly)입니다.

 

육안으로 대강 보기에는 약 16개의 모듈로 볼 수 있겠네요

 

테슬라는 기존 18650 원통형 배터리에서 21700 배터리를 현재 사용하고 있으며, 약 7000개정도의 배터리 셀을 이용하는것으로 알려져있습니다. 

 

16모듈이며, 셀당 72병렬 구조를 가지고 있으니 직렬수는 96입니다. (72P96S)

 

따라서, 모듈당 72P6S (72병렬, 6직렬) 시스템이라고 보면 되겠네요

 

배터리 전압 센서는 96개 전후로 추정됩니다.

 

해당팩은 85kWh로, 85,000/7000 = 셀당 약 12Wh부근의 에너지를 가지고 있으며, 용량은 3.4Ah정도 입니다.

 

출처 :  https://qnovo.com/peek-inside-the-battery-of-a-tesla-model-s/

 

 

② 배터리 마운팅, 냉각수 In/out let

 

상기이미지의 우측 하단에 호스가 연결된것이 보이는데요, 이 부분은 냉각수가 주입되는 호스라고 보시면 됩니다.

 

배터리 쿨링을 위해 냉각수가 들어가는 부분이 있으면, 나오는 부분도 있어야겠죠??

 

상기 이미지만으론 보이지 않으나, 호스그림이 하나 더 숨은곳에 있을것으로 생각됩니다.

 

또한 중간에 주황색으로 있는것은, 배터리 마운팅으로 생각되는데요

 

배터리 팩이 자동차 바디 자체에 연결되기 위해 배터리 팩 자체를 관통하는 볼트라고 보시면 됩니다.

 

배터리 마운팅 볼트는 혹시나, 배터리 팩이 오작동에 의해 쇼트가 나서 전기가 통하는 상태가 되더라도, 운전자는 반드시 보호되어야하므로

 

배터리 모듈과는 절연상태가 (전기적으로 연결되지 않은) 될 수 있는 위치에 존재해야합니다.

 

출처 :  https://electrek.co/2018/03/26/nissan-leaf-battery-pack-replacement-program/

 

③ 냉각수 In/out let, BMS wire harness

 

이번에는 Nissan Leaf의 배터리팩입니다.

 

오른쪽에 동일한 커넥터 모양이 두개인것으로 보아, 냉각수 IN/OUTlet 인것으로 보이고

 

왼쪽에 사각형 친 부분의 흰색 커넥터는 CAN통신을 위한 와이어로 보입니다. (BMS wire harness)

 

배터리팩은 엄청나게 많은 배터리셀들의 집합이기에, 이것을 제어하기 위해 BMS(배터리 매니지먼트 시스템)을 사용하는데요

 

BMS는 각각의 셀/모듈들을 제어하기 위해 CAN통신으로 데이터를 주고 받습니다.

 

따라서 각 모듈/셀들의 센싱라인들은 결국 거치고 거쳐서, BMS에 도달하게 됩니다.

 

 

출처 :  https://www.youtube.com/watch?v=-z4o8y2RR2A

 

④ 서비스 플러그(Service plug), 버스바(Bus-bar)

 

Nissan Leaf는 배터리 모듈 중간에 공간을 두고, PRA나 버스바, 서비스 플러그를 둔것 같은데요

 

왼쪽의 흰색 커넥터 부분이 "서비스 플러그(Service plug)"입니다.

 

이것은 고전압배터리의 릴레이와 같은 역할을 하는데, 정비를 하시는 분들이 400V 이상의 전압에 노출되면 큰일이 나겠죠?

 

혹시나 차에서 메인릴레이가 융착되어, 시동을 꺼도 배터리는 통전되어 있는 경우를 대비해서

 

서비스 플러그가 존재합니다.

 

이 서비스플러그만 뽑게되면 배터리는 더이상 동작을 하지 않게됩니다. 배터리 동작을 위한 물리적인 ON/OFF 스위치라고 보시면 될것 같습니다.

 

오른쪽 사각형은 버스바로 보이는데요

 

배터리 모듈들 간에도 직렬연결이 필요하죠. 이것을 버스바로 연결해줍니다.(주황색 절연 플라스틱 내부는 금속 철판입니다.)

 

고전압와이어를 쓸 수 있음에도 버스바(Bus-bar)를 사용하는 이유는, 일단 값이 싸기 때문이기도하고

 

차량 하부 충격에도 문제가 없기위해 모듈간 연결부품이 땅에 닿지 않도록, 와이어는 사용하지 않는 편입니다.

 

출처 :  https://www.greencarcongress.com/2017/09/20170906-leaf.html

 

⑤ 고전압 커넥터(High voltage connector)

 

그리고 요 부분이 바로 고전압 커넥터(High Voltage Connector)입니다.

 

배터리를 충전/방전할때 고전압/고전류가 흐를 수 있도록 설계된 케이블입니다.

 

이것을 실제 차량 하부에서 보면 이렇게 생겼습니다.

 

출처 :  https://www.youtube.com/watch?v=U2b9b2gyzz8

출처 :  https://www.diyelectriccar.com/threads/nissan-leaf-bms.167626/

 

⑥ BMS(Battery Management System)

 

마지막으로, BMS 입니다.

 

위에서 설명한 BMS Wire harness(흰색 커넥터)가 꽂혀있는게 보이시죠??

 

센싱/제어를 위한 모든 라인들은 BMS로 연결되어 있습니다.

 

닛싼 리프 배터리팩에서 어디다 꽁꽁 숨겨놨는지 찾다가 결국 팩 귀퉁이에 있는걸 찾았네요..ㅋㅋㅋ

 

 

 

 

 

출처 :  https://qnovo.com/inside-the-battery-of-a-nissan-leaf/

 

CAN통신용 커넥터는 아마 눈에보이지 않는 이 부분(노란 박스)에 존재할 것으로 추측됩니다.

 

CAN통신용 커넥터는, 배터리 셀/모듈의 센싱라인을 BMS로 얻어오는것도 중요하지만, 차량의 다른 제어기들과 BMS도 지속적으로 통신을 해야합니다.

 

인버터,컨버터,모터...etc 수많은 제어기들과 지속적으로 통신을 해야하죠

 

이것을 위해, 배터리 외부와도 BMS가 통신할 수 있도록 만들어 놓은 커넥터를 의미합니다.

 

 

"마침"

 

 

배터리 팩은 각 차량 회사들마다 각자의 노하우(Know-how)들이 담겨있어, 일괄적으로 해석하기는 어렵지만

 

대표적으로 꼭 들어가야 하는 몇가지를 부품단위로 한번 알아 보았습니다.

 

더욱 깊숙한 부분은, 회사에서도 공개를 안하는 편이라 개인정비사들이 분해해놓은 영상과 이미지들을 가지고 한번 정리를 해보았네요

 

도움이 되셨으면 좋겠습니다.

 

감사합니다. :)