1 BMS 액티브 밸런싱이란 무엇입니까?
BMS 액티브 밸런싱(Active Balancing)은 에너지 전달을 통해 고용량 개별 셀에서 저용량 개별 셀로 에너지를 전달함으로써 배터리 팩의 일관성을 확보하고 에너지 저장 시스템의 성능을 향상시키는 방식이다.
BMS 능동 밸런싱은 수동 밸런싱과 다릅니다. 패시브 밸런싱은 일반적으로 고전압 배터리의 에너지를 저항을 통해 방전시켜 저전압 배터리의 전력과 동일한 상태를 유지합니다. 이 방법은 낮은 에너지 활용 효율, 열 방출, 낮은 밸런싱 전류, 느린 효율성 등의 단점을 가지고 있습니다. 반면, 액티브 밸런싱은 나무판의 장단점을 잘라내듯이 고에너지 배터리에서 저에너지 배터리로 에너지를 전달하는 과정이다.
현재 다양한 액티브 밸런싱 솔루션이 있지만, 적용 가능한 스트링 수가 적고 전송의 한계로 인해 주류가 되지 못한 Fit Capacitor 솔루션을 제외하고, 반도체 제조사에서 설계한 트랜스포머 솔루션과 배터리 전용 DCDC 변환 칩도 있습니다. 시장에 소개되었습니다. 능동형 밸런싱의 이점은 분명합니다. 고효율, 에너지 전달, 그리고 변압기 코일 손실만 차지하는 비율이 낮습니다. 균형 잡힌 전류는 수 암페어 또는 심지어 10A 수준에 도달하도록 크게 설계할 수 있으며 균형 효과는 빠릅니다.
그러나 능동적 평형은 또한 새로운 문제를 가져옵니다. 첫째, 구조가 복잡합니다. 특히 스위치 매트릭스와 드라이버의 설계와 제어가 어려운 변압기 방식에서는 더욱 그렇습니다. 이는 또한 액티브 밸런싱 기능을 전용 IC에 완전히 통합할 수 없는 이유이기도 합니다. 둘째, 비용 문제가 있다. 복잡한 구조는 필연적으로 복잡한 회로로 이어지며 비용 증가와 고장률 증가도 불가피해 액티브 밸런싱 BMS의 추진에도 한계가 있다.
BMS의 경우 균형 기능 외에도 기본 균형 전략이 더욱 중요합니다. 배터리 셀의 일관성 차이가 특정 범위 내에 있으면 배터리 용량과 전압은 양의 상관 관계가 있습니다. 그러나 배터리의 일관성이 좋지 않은 경우, 즉 배터리가 손상된 상태인 경우에는 전력과 전압의 상관관계가 그다지 강하지 않으며, 전압 데이터만으로는 밸런스 기준을 판단할 수 없습니다. 배터리가 임계 상태 미만의 손상을 인식하지 못하고 여전히 전압 균형을 유지하는 경우 실제로 배터리에 손상을 줄 수 있으며, 특히 고전류로 인한 손상이 수동 균형보다 더 큰 능동 균형에서 더욱 그렇습니다.
액티브 밸런싱은 스트링 개수가 많고 용량이 큰 전력형 리튬 배터리 팩 애플리케이션에 적합한 반면, 패시브 밸런싱은 스트링 개수가 적고 용량이 작은 리튬 배터리 팩 애플리케이션에 적합합니다. Tesla의 배터리 일관성은 매우 좋으며 패시브 밸런싱만으로도 충분합니다. 그러나 중국의 경우 배터리 원재료와 생산 공정에서 여전히 개선의 여지가 있고, 배터리 일관성의 편차도 상대적으로 크다. 능동형 밸런싱은 전력형 리튬 배터리 팩의 적용에 더 적합합니다.
2 에너지 저장 시스템에서 BMS 능동 밸런싱의 역할
(1) 배터리 팩의 전반적인 성능을 향상시킵니다.
1. 배터리 팩의 개별 셀 불일치로 인해 발생하는 전력 불균형을 완화하고 배터리 팩의 전체 용량과 전력 성능을 향상시킵니다.
에너지 저장 시스템에서는 재료 및 제조 공정의 차이, 사용 환경 및 노후화 수준의 변화로 인해 개별 셀 간의 화학적, 전기적 특성에 일정한 차이가 있으며, 이는 용량 불일치, DC 내부 저항, 개방성 등으로 나타납니다. 회로 전압, 충전 상태(SOC) 및 기타 측면. 이러한 불일치로 인해 배터리 팩의 개별 셀 간에 배터리 용량이 고르지 않게 되어 배터리 팩의 전체 용량과 전력 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. BMS는 에너지 전달을 통해 고용량 개별 셀에서 저용량 개별 셀로 에너지 전달의 균형을 적극적으로 맞춰줌으로써 이러한 전력 불균형 현상을 완화하고 배터리 팩의 전체 용량과 전력 성능을 향상시킵니다.
예를 들어, 변압기는 하단 및 상단 밸런싱 전략을 통해 배터리 팩 내 에너지 분포의 균형을 맞추기 위해 능동 밸런싱에 널리 사용됩니다. 커패시터 및 인덕터와 같은 에너지 저장 구성 요소를 기반으로 하거나 DC-DC 변환기를 기반으로 하는 밸런싱 방법도 있습니다. 에너지를 소비하지 않는 이러한 밸런싱 방법은 주로 커패시터, 인덕터 또는 DC-DC 변환기를 통해 개별 셀 간 또는 개별 셀과 전체 배터리 팩 간에 에너지를 전달합니다. 에너지를 소비하는 밸런싱 구조에 비해 더 복잡하지만 에너지 활용 효율이 더 높고 에너지 전달이 유연하며 배터리 팩의 전반적인 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.
2. 배터리 팩의 각 개별 셀의 상태를 감지하여 밸런싱 방법을 사용하여 개별 셀 간의 전압이나 충전 상태를 특정 범위 내로 유지합니다.
BMS 액티브 밸런싱 시스템은 각 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 등 주요 매개변수를 지속적으로 모니터링하여 배터리의 작동 상태를 평가합니다. 개별 배터리 간의 전압이나 충전 상태의 차이가 감지되면 밸런싱 방법이 활성화됩니다. 예를 들어, 양방향 순방향 DC-DC 컨버터를 밸런싱 주 회로로 사용하면 고전압 측에서 저전압 측으로 에너지가 전달될 때 4개의 스위칭 트랜지스터가 특정 구동 신호 전도 타이밍에 따라 작동하여 양방향 에너지 전달을 달성합니다. 유닛의 저전압측(U1)에서 고전압측(U2)으로, 고전압측(U2)에서 유닛의 저전압측(U1)으로 연결함으로써, 유닛 배터리 간의 전압이나 충전 상태를 일정 범위 내로 유지시켜 줍니다.
동시에 전체 밸런싱 시스템의 핵심인 마이크로컨트롤러 제어 회로는 CAN 버스를 통해 전압 획득 모듈을 제어하여 배터리 모듈의 각 개별 셀의 전압을 수집합니다. 배터리 정보가 요약되어 밸런싱 계획을 개발하는 데 사용됩니다. 스위치 어레이는 밸런싱이 필요한 셀을 선택하는 데 사용되며, 밸런싱 명령은 밸런싱 제어 회로로 전송되어 배터리 팩의 각 개별 셀 상태가 합리적인 범위 내에 있는지 확인합니다.
(2) 배터리 팩의 수명 연장
1. 배터리 셀 간의 일관성 발생을 억제하고 배터리 분산이 배터리 팩 수명에 미치는 영향을 줄입니다.
배터리 셀 간의 불일치는 사용 시간이 증가함에 따라 점차 누적되어 배터리 셀 간의 전기량 불균형을 형성하며, 이는 배터리 팩의 전체 용량 및 전력 성능에 영향을 미칠 뿐만 아니라 배터리 수명을 제한합니다. 팩. BMS는 에너지 전달을 통해 고용량 개별 셀에서 저용량 개별 셀로 에너지 전달의 균형을 적극적으로 유지함으로써 셀 간 일관성 발생을 억제합니다.
예를 들어 능동형 밸런싱 기술을 채택하면 일관되지 않은 개별 셀로 인해 일부 배터리가 조기 노화되는 것을 방지할 수 있습니다. Shenzhen Kelie Technology Co., Ltd.에서 "능동형 밸런싱 및 무선 전송"이라는 핵심 기술 기능을 사용하여 개발한 BMS 제품은 각 개별 배터리의 에너지를 정확하게 모니터링하고 개별 배터리 간의 효율적인 에너지 전달을 적극적으로 달성하여 배터리 간 에너지 균형이라는 목표를 달성할 수 있습니다. 개별 배터리를 사용하여 배터리 성능을 크게 향상시키고 배터리 셀 간의 일관성 발생을 억제하며 배터리 분산이 배터리 팩 수명에 미치는 영향을 줄입니다.
2. 배터리 시스템의 가용 용량을 늘리고 사이클 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다.
BMS 액티브 밸런싱 기술은 에너지 전달을 통해 배터리 셀 간의 용량 불균형 문제를 효과적으로 제거하여 전체 배터리 팩의 성능을 향상시킵니다. 전통적인 밸런싱 칩과 비교하여 Kelie가 독립적으로 개발한 양방향 DC-DC 액티브 밸런싱 칩을 채택한 혁신적인 임베디드 고급 지능형 알고리즘은 에너지 전달을 통해 배터리 팩에서 생성된 차이를 빠르고 효과적으로 보상하여 배터리 일관성을 보장하고 서비스 수명을 연장합니다. 배터리 팩 고장 사이의 평균 시간을 단축하고 전체 제품 수명 주기의 경제적 이점을 효과적으로 개선합니다. 장기 주기 테스트 데이터에 따르면 이 능동형 밸런싱 기술은 배터리 시스템의 가용 용량을 10% 이상 늘리고 주기 수명을 20% 이상 향상할 수 있으며 직렬 연결이 많을수록 개선 효과가 더 중요하다는 것을 보여줍니다.
3 BMS 액티브 밸런싱의 작동 원리
(1) 평형계의 구성
BMS 능동형 밸런싱 시스템은 주로 직렬 배터리 모듈, 12V 배터리 팩, 스위치 어레이, 밸런싱 주 회로, 전압 획득 회로 및 마이크로 컨트롤러 제어 회로로 구성됩니다.
1. 스위치 배열:
스위치 어레이는 배터리 셀 게이팅 스위치와 배터리 극성 게이팅 스위치로 구성되어 균형이 필요한 셀의 게이팅을 달성할 수 있습니다. 예를 들어, 7-셀 시리즈 연결 배터리 팩의 경우 다양한 배터리를 선택할 수 있는 특정 스위치 조합이 있습니다. 배터리 1과 배터리 2를 선택하는 경우를 예로 들면, 배터리 1이 선택되면 스위치 K1, K2, KP3, KP4가 켜지고 다른 스위치는 꺼지며 특정 충전 및 방전 회로가 형성됩니다. 배터리 2를 선택하면 스위치 K2, K3, KP1, KP2가 켜지고 다른 스위치는 꺼지며 해당 충전 및 방전 회로가 형성됩니다. 홀수 셀 게이팅은 배터리 1의 게이팅 스위치 조합을 의미할 수 있으며, 심지어 셀 게이팅은 배터리 2의 게이팅 스위치 조합을 의미할 수도 있습니다.
2. 균형 잡힌 주 회로:
양방향 에너지 전달을 달성하기 위해 양방향 순방향 DC-DC 변환기를 채택합니다. 이 토폴로지는 주로 변압기 T, 2개의 샘플링 저항 R1 및 R2, 2개의 필터링 커패시터 C1 및 C2, 클램핑 커패시터 C3, 필터링 인덕터 L 및 4개의 스위칭 트랜지스터 Q1~Q4를 포함합니다.
(2) 작업 모드
1. 에너지는 단일 장치의 저압 측에서 고압 측으로 전달됩니다.
2. 에너지는 단일 장치의 고전압 측에서 저전압 측으로 전달되며, 이는 4단계로 구분됩니다. 에너지 전달 및 방출은 스위치 튜브의 전도 및 분리를 통해 이루어집니다.
1단계: 시간 t1부터 t2까지 스위칭 튜브 Q2와 Q3이 켜집니다. 이때, 입력전류 I1은 변압기의 고전압측 권선과 동일한 단자로 흐르고, 출력전류 I2는 변압기의 저압측 권선과 동일한 단자로 흘러나온다. 고전압 측 U2는 저전압 측 U1과 인덕터 L에 동시에 에너지를 전달합니다.
단계 2: 시간 t2부터 t3까지, 스위치 Q2와 Q3은 꺼지고, I2는 스위치 Q1과 Q2의 바디 다이오드에 의해 지속되고, IT2는 점차 감소하고, IQ1은 점차 증가하며, 인덕터 L에 저장된 에너지와 잔류 자기 에너지 저전압 권선의 저전압 측으로 방출됩니다.
3단계: 시간 t3부터 t4까지, 스위치 Q1이 턴온되고, 스위치 Q1에 의해 I2가 지속되며, 인덕터 L에 저장된 에너지가 저전압측 U1으로 방출된다.
4단계: 시간 t4부터 t5까지 스위치 Q1이 꺼지고 I2는 스위치 Q1의 바디 다이오드에 의해 지속되며 인덕터 L에 저장된 에너지는 저전압측 U1로 계속 방출됩니다. 그 중 2단과 4단은 Q2와 Q3이 도통 중일 때 Q1이 저전압 권선을 단락시키는 것을 방지하기 위해 모두 데드존 스테이지입니다. 스위치 Q4는 클램핑 커패시터 C3과 직렬로 연결되고, 액티브 클램핑 및 변압기 자기 리셋을 위해 스위치 Q3의 양단에 병렬로 연결된다.
4 에너지 저장 시스템에서의 BMS 능동 밸런싱 적용 현황
(1) 시장 참여 기업
현재 에너지 저장 시스템에서 BMS의 적극적인 균형을 맞추는 시장 참여자는 자동차 제조업체, 전력 리튬 배터리 제조업체, 독립 BMS 제조업체 등 세 가지 주요 유형이 있습니다.
자동차 제조업체가 생산하는 BMS 설치 용량은 전체의 약 21.3%를 차지하고, 전력 리튬 배터리 공장에서 생산하는 BMS 설치 용량은 약 45.4%, 전문 BMS 제조업체는 약 33.3%를 차지합니다. 자동차 제조사와 배터리 제조사가 여전히 중요한 위치를 점하고 있지만, 기술 발전과 분업화 추세에 따라 전문 BMS 제조사들이 강세를 보이며 상용차 분야에서 독보적인 위치를 점하고 있으며, 에너지 분야에 큰 영향력을 미칠 것으로 예상됩니다. 저장분야.
예를 들어, CATL과 BYD는 전력 리튬 배터리 분야에서 상당한 시장 점유율을 보유하는 동시에 에너지 저장 BMS 시장에도 어느 정도 영향력을 갖고 있습니다. General Motors, Tesla, BYD, Huating Power 및 기타 자동차 제조업체뿐만 아니라 BYD, Samsung, CATL, Xinwangda, Desai Battery, Tuobang Co., Ltd., Beijing Plaid 등의 배터리 제조업체도 에너지 저장 장치에 적극적으로 참여하고 있습니다. BMS 시장. 또한 Hangzhou Gaote Electronics, Xieneng Technology, Sci Tech Electronics 등 전문 BMS 제조업체도 에너지 저장 BMS 분야를 지속적으로 탐색하고 있습니다.
(2) 기존 문제
1. 중국의 에너지 저장 BMS는 표준이 불완전하고 통일된 제어 전략이 없어 상대적으로 늦게 시작되었습니다. 프레임워크 표준이 마련되어 있지만 회사마다 고전압 박스 및 에너지 저장 배선 하니스에 대한 요구 사항이 다르기 때문에 설치 및 시운전 비용이 많이 들고, 여러 가지 결함이 발생하며, 에너지 저장 시스템의 운영 및 유지 관리가 어려워집니다. 국가 관련 부서에서는 BMS 산업을 더욱 규제하고, 배터리의 안전과 서비스 수명을 보장하며, 표준화와 확장을 통해 에너지 저장 시스템의 비용을 절감할 것으로 예상되는 산업 관련 표준을 제정하고 있습니다.
2. 능동형 밸런싱 기술의 신뢰성은 여전히 더욱 향상되어야 하며, 비용도 더욱 절감되어야 합니다. 현재 능동균형의 구조는 복잡하고 비용도 수동균형보다 훨씬 높다. 예를 들어, DC-DC 충전 및 방전을 위해 변압기를 사용하는 일반적인 능동 밸런싱 방법은 구조가 복잡하고 스위치 매트릭스 및 드라이버의 설계 및 제어가 어렵기 때문에 능동 밸런싱 기능을 전용 IC에 완전히 통합하는 데에도 제한이 있습니다. 더욱이 복잡한 구조는 필연적으로 회로의 복잡화로 이어지며, 비용 증가와 고장률 증가도 불가피해 액티브 밸런싱 BMS의 추진에도 한계가 있다.
3. 에너지 저장 BMS 알고리즘은 이제 막 시작되었으며 진행 상황, 알고리즘 수렴 및 견고성 평가에는 여전히 개선의 여지가 있습니다. 특히 배터리 경고 알고리즘은 에너지 저장 시스템에서 매우 중요하지만, 중국 업계에서는 아직까지 공백 상태에 가깝습니다. 전반적으로 에너지저장 분야 BMS 산업은 BMS 생산업체가 다양하고 제품 품질이 고르지 못한 등 전반적인 수준이 낮다. 일부 기업에서는 에너지 저장 시스템에 대한 이해가 부족합니다. 이로 인해 BMS는 전체 에너지 저장 시스템의 구성 요소 고장 순위에서 항상 높은 순위를 차지합니다.
5 에너지 저장 시스템의 BMS 능동 밸런싱 개발 동향
(1) 액티브 밸런싱 기술이 미래 트렌드로 자리 잡다
에너지 저장 시스템에 대한 성능 요구 사항이 지속적으로 개선됨에 따라 능동형 밸런싱 기술의 장점이 점점 더 두드러지고 있습니다. 이는 배터리 팩의 일관성을 효과적으로 향상시켜 에너지 저장 시스템의 전반적인 성능을 향상시킬 수 있습니다. 실제 응용 분야에서 능동형 밸런싱 기술은 고에너지 배터리에서 저에너지 배터리로 에너지를 전달하여 나무판의 장단점을 잘라내는 것처럼 배터리 팩의 에너지 균형을 달성할 수 있습니다. 이 기술은 효율이 높고 손실이 낮을 뿐만 아니라 균형 잡힌 전류가 크고 결과가 빠릅니다. 따라서 능동형 밸런싱 기술은 에너지 저장 배터리 관리 시스템에 널리 적용되어 향후 개발 추세가 될 것입니다.
(2) 핵심부품 국산화
국내 BMS 산업 발전은 핵심 부품의 국산화에 초점을 맞춰야 한다. 현재 중국의 에너지 저장 BMS는 상대적으로 늦게 시작되었으며 주요 부품은 수입에 의존하고 있어 비용이 증가할 뿐만 아니라 공급이 불안정할 위험도 있습니다. 중국 BMS 산업의 경쟁력을 강화하려면 독자적인 연구 개발 역량을 강화하고 핵심 부품의 국산화를 달성하는 것이 중요합니다. 예를 들어 CICC(China International Capital Corporation)가 발표한 연구 보고서에서는 배터리 관리 칩의 국산화율이 개선될 여지가 크고 현지 제조업체는 상당한 비즈니스 기회에 직면해 있다고 지적했습니다. 국내 다운스트림 시장 공간의 성장과 현지 다운스트림 제조업체의 점유율 증가로 인해 현지 배터리 관리 칩 제조업체는 새로운 기회를 맞이할 것으로 예상됩니다.
(3) 제품 통합 개선
앞으로는 배터리 상태 알고리즘과 클라우드 기반 빅데이터의 결합이 주류가 될 것이며, BMS에도 인공지능 알고리즘이 널리 적용될 것이다. 이를 통해 시스템의 신뢰성과 보안이 향상됩니다. 예를 들어, Xi'an Xingyuan Borui New Energy Technology Co., Ltd.가 적용한 "에너지 저장 변환기 및 에너지 저장 시스템"에 대한 특허는 설계를 단순화하고 시스템의 복잡성과 구성 요소 수를 줄이며 설계를 크게 줄입니다. 비용과 통합의 어려움. 동시에 제어 장치의 설계를 통해 장치가 지능적으로 전력을 할당할 수 있어 에너지 저장 시스템의 작동 효율성이 향상됩니다. 기술이 지속적으로 발전함에 따라 BMS의 제품 통합은 지속적으로 개선되어 에너지 저장 시스템 개발을 더욱 강력하게 지원할 것입니다.