산업 및 상업용 에너지 저장 시스템은 배터리 시스템(BMS 포함), 에너지 관리 시스템(EMS), 전력 제어 시스템(PCS), 공조 시스템, 화재 방지 시스템, 모니터링 및 경보 시스템 등으로 구성되며, 이 중 BMS와 EMS는 에너지 저장 시스템의 핵심 제어 장치로서 각각 배터리 관리와 에너지 관리에 중요한 역할을 담당합니다. 이들의 기능, 성능 및 소프트웨어와 하드웨어의 호환성은 에너지 저장 시스템의 안전한 사용과 투자 수익에 직접적인 영향을 미칩니다.
배터리 관리 시스템(BMS)시스템 내 센싱 기능을 담당하여 배터리 저장 시스템을 모니터링하고 제어함으로써 안전성, 안정성 및 성능을 보장합니다.
에너지 관리 시스템(EMS)시스템 내 의사결정을 담당하며, 일반적으로 리튬 배터리 에너지 저장 발전소를 위해 구축된 통합 에너지 관리 시스템(규제 및 제어 기능 포함)을 지칭하여 실시간 모니터링 및 진단을 구현합니다.
전력 변환 시스템(PCS)시스템 실행을 담당하는 이 장치는 에너지 저장 설비의 핵심 구성 요소로서 배터리의 충전 및 방전을 제어하고 전력망이 없을 때 AC 부하에 직접 전력을 공급하기 위해 AC/DC 변환을 수행합니다.
배터리 관리 시스템(BMS)
BMS의 정식 명칭은 배터리 관리 시스템(Battery Management System)으로, 배터리 에너지 저장 시스템을 관리하는 데 사용되는 하위 시스템을 의미합니다.
기능
BMS는 주로 모니터링 모듈, 제어 모듈, 통신 모듈 등으로 구성됩니다. 주요 기능은 배터리 전압, 전류, 온도, SOC(충전 상태) 등 배터리 상태를 실시간으로 모니터링하고 제어하는 것입니다. 또한, BMS는 배터리를 보호하고 제어하여 배터리의 안전과 수명을 보장합니다.
배터리의 과충전 및 과방전을 방지하여 배터리의 수명을 연장하고 배터리 사용 효율을 향상시키기 위함입니다.
뿐만 아니라, BMS는 데이터 분석 역할도 수행합니다. 배터리의 SOC(잔여 배터리 용량)와 SOH(배터리 건강 상태)를 계산하고 분석하여 배터리 상태를 모니터링하고, 이상 징후가 감지되면 즉시 보고하여 사용자가 배터리 이상 발생 사실을 조기에 알 수 있도록 합니다.
계층적 인식 아키텍처
대부분의 BMS 시스템은 3계층 아키텍처를 가지고 있습니다.
1. 최하위 계층: 슬레이브 BMU. 이 계층의 주요 기능은 배터리 셀 전압 및 온도 측정이며, 배터리 균등화 전략 실행을 담당합니다. 정보 수집은 통신 링크를 통해 2단계 계층과 이루어지며, 일반적으로 CAN 또는 데이지 체인 통신을 사용합니다.
2. 중간 계층: 주 제어 BCU는 클러스터 전압, 전류 및 클러스터 절연 정보 수집, 배터리 팩 보호용 접촉기 제어, 1단계 BMU로부터의 정보 수집, 배터리 상태(SoX) 추정 등의 주요 기능을 수행합니다. 수집된 정보는 일반적으로 CAN 또는 이더넷을 사용하는 통신 링크를 통해 3단계와 전달됩니다.
3. 상위 레벨: 배터리 클러스터 관리를 위한 일반 제어 레벨입니다. 이 레벨의 주요 기능은 하위 레벨 BCU에서 전송된 정보를 수집, 저장 및 표시하는 것, 실시간 경보 기능, 주 차단기의 제어 및 접점 피드백 기능, PCS, EMS 및 로컬 모니터링 시스템과의 실시간 통신 기능 등을 포함합니다.
기술 요구사항
자동차용 배터리 BMS와 비교했을 때, 에너지 저장 BMS는 구조가 더 복잡합니다.
우선 배터리 용량과 등급이 다르며, BMS 관리 방식의 전원 공급 등급이 높을수록 직렬 및 병렬 연결에 더 많은 배터리가 필요합니다.
BMS는 계통 연계에 대한 요구 사항이 더 높습니다. 계통과의 연결에 대한 요구 사항이 더 까다롭습니다. 파워 배터리는 배터리와 차량의 전자 시스템에 연결되므로 기술적 요구 사항이 더 낮습니다.
시장
BMS 시장에는 크게 차량 제조업체, 전력 배터리 제조업체, 그리고 독립 BMS 생산업체 세 가지 유형의 기업이 참여하고 있습니다. 차량 제조업체와 배터리 제조업체는 자체 연구 개발 또는 BMS 공급업체와의 협력 개발 형태로 사업을 진행합니다. BYD, 닝더 타임즈, 궈쉬안 가오커, AVIC 리튬 전력 배터리 등 국내 주요 전력 배터리 제조업체들은 대부분 BMS+PACK 모델을 채택하여 배터리 팩과 BMS 패키지를 함께 제공합니다. 독립 BMS 생산업체는 현재 상당수 존재하며, 다양한 산업 분야에 BMS 제품을 공급하고 있습니다.
현재 중국의 BMS 산업 선도 기업들은 뚜렷한 우위를 점하고 있습니다. 특히 2022년 중국 신에너지 배터리 BMS 설치 용량에서 상위 10개 제조업체의 점유율은 76.1%에 달했습니다. 그중 상위 3개 기업은 BYD, 닝더 타임스, 테슬라로, 모두 자동차 제조업체이자 배터리 제조업체이며 각각 26.4%, 16.9%, 9%의 점유율을 차지했습니다. 독립 BMS 제조업체의 점유율은 상대적으로 낮으며, 중국 최대 독립 BMS 제조업체인 리신넝은 점유율 4위를 기록했지만 전체 점유율은 6.7%에 불과했습니다.
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1. 더 높은 신뢰성
각 배터리 유닛마다 자체적인 모니터링 및 제어 시스템이 탑재되어 있기 때문에 분산형 BMS의 신뢰성이 높습니다. 하나의 배터리에 문제가 발생하더라도 다른 배터리들은 정상적으로 작동할 수 있으며, 시스템 전체 성능에 큰 영향을 미치지 않습니다.
2. 유지보수 및 업그레이드가 용이함
분산형 BMS는 구조가 비교적 단순하여 각 배터리 셀이 독립적으로 작동할 수 있으므로 유지보수 및 업그레이드가 비교적 용이합니다. 배터리 유닛에 문제가 발생하면 전체 시스템을 중단하지 않고 해당 유닛만 직접 교체하여 유지보수 및 업그레이드를 진행할 수 있습니다.
3. 더욱 강화된 유연성
분산형 BMS의 모니터링 및 제어 시스템은 각 배터리 유닛에 분산되어 있어 시스템의 유연성이 뛰어납니다. 전체 분산형 시스템의 복잡성을 고려할 필요 없이 실제 수요에 따라 배터리 셀을 늘리거나 줄일 수 있습니다.
에너지 관리 시스템(EMS)
EMS(에너지 관리 시스템)는 전체 에너지 저장 시스템에서 차지하는 비중은 크지 않지만, 매우 중요한 핵심 구성 요소입니다. 일반적으로 리튬 배터리 저장 발전소에 설치된 통합 에너지 관리 시스템의 규제 및 제어를 의미합니다.
조직
에너지 관리 시스템은 여러 부분으로 구성되어 있으며, 그 구성 요소는 아래와 같습니다.
1. 모니터링 및 데이터 수집: 에너지 관리 시스템은 센서 및 계측 장비를 통해 에너지 저장 시설의 에너지 생성, 저장 및 소비를 실시간으로 모니터링합니다. 배터리 충방전 상태, 온도, 전압, 전류 등 다양한 데이터를 수집할 수 있습니다.
2. 데이터 분석 및 최적화: 에너지 관리 시스템은 첨단 데이터 분석 기술을 활용하여 수집된 데이터를 처리하고 분석함으로써 에너지 시스템의 작동 상태와 성능을 파악합니다. 데이터 분석을 통해 에너지 시스템의 잠재적 문제점을 식별하고 충전 및 방전 전략 조정, 에너지 이용 효율 최적화 등의 최적화 방안을 제시할 수 있습니다.
3. 에너지 스케줄링 및 제어: 에너지 관리 시스템은 실시간 에너지 수요 및 시스템 운영을 기반으로 에너지를 지능적으로 스케줄링하고 제어할 수 있습니다. 수요 예측, 전기 요금 상황, 계통 부하 등의 요소를 고려하여 에너지 저장 설비의 충전 및 방전 작업을 합리적으로 계획함으로써 에너지의 효율적인 이용과 절약을 실현할 수 있습니다.
4. 고장 감지 및 안전 보호: 에너지 관리 시스템은 배터리 과방전, 과충전, 온도 이상 등 에너지 저장 시설의 고장 상태를 적시에 감지하고 경보를 울려 에너지 저장 시설의 안전한 운영을 보장합니다. 또한, 배전망 시스템과 연동하여 에너지 저장 시설의 원격 제어 및 보호도 가능합니다.
운영 전략 최적화 및 제어 전략 설계가 핵심입니다.
최적화된 운영 전략과 제어 전략을 설계하는 것은 EMS 제품의 핵심이자 어려운 과제입니다.
에너지 저장 장치의 충방전 특성, 충방전 비용, 에너지 저장 활용 이점 등을 고려하고, 전력망 배분 제어 요구 사항을 충족하는 전제 하에 최적화된 운영 및 제어 전략을 설계하면 에너지 저장 시스템 운영의 경제적 이점을 높이고 다양한 기술 지표를 개선할 수 있습니다.
EMS 제품은 일반적으로 에너지 저장 시스템과 상위 정보 시스템 사이의 가교 역할을 합니다.
에너지 저장 시스템은 EMS를 통해 계통 연계 스케줄링, 가상 발전소 스케줄링, "공급원-계통-부하-저장" 상호 작용 등에 참여할 수 있습니다.
EMS 제품과 전력망 스케줄링 등은 긴밀하게 연계되어 있으며 기능적으로 유사점이 있기 때문에, 기업은 전력망 운영 특성을 이해하고 전력망 측 정보 기술 기업이 보유한 지식과 노하우를 심층적으로 분석하여 재사용 능력을 구축함으로써 일정 수준의 이점을 확보할 수 있습니다.
