평형 상태 분석 및 평형 알고리즘

이상적인 배터리 팩에서는 모든 개별 셀이 동일한 용량을 갖고 항상 동일한 SoC를 갖습니다. 이는 배터리 팩의 SoC이기도 합니다. 배터리 팩의 SOC가 100%인 경우 모든 셀의 SOC도 100%이므로 추가 충전이 제한됩니다. 배터리 팩의 SOC가 50%인 경우 모든 개별 셀은 또한 50% SoC 배터리 팩이 0% SoC이면 모든 셀도 0% SOC이며 모두 추가 방전을 제한합니다. 모든 셀의 용량이 동일하더라도 SOC가 다르면 배터리 팩의 균형이 맞지 않습니다.

직렬로 연결된 6개의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩입니다. 각 직사각형은 배터리 셀을 나타내고 높이는 용량을 나타내며 수직 위치는 SoC를 나타냅니다. (a) 동일한 용량, 밸런스, (b) 동일한 용량, 언밸런스, (c) 다른 용량, 상단 밸런스, (d) 다른 용량, 중간 밸런스. 셀 2가 100% SoC이면 추가 충전이 제한됩니다. 따라서 배터리 팩은 100% SoC입니다. 다른 배터리를 위한 공간은 아직 더 많지만 그렇게 하면 두 번째 배터리가 과충전되므로 더 이상 충전할 수 없습니다. 배터리 팩이 50% SoC일 때 각 셀의 SoC 범위는 약 30%~70%입니다. 배터리 #4가 0% SoC이면 추가 방전이 제한됩니다. 따라서 배터리 팩의 SoC는 0%입니다. 다른 배터리에는 아직 충전량이 더 남아 있지만 그렇게 하면 배터리 #4가 과방전되므로 방전할 수 없습니다. 두 개의 서로 다른 셀 그리드는 배터리 팩의 용량을 제한하며, 상단에는 #2, #4가 있습니다. 하단에.

특정 순간에 배터리 팩의 불균형 상태(SoI)는 배터리 팩에서 가장 많이 충전된 셀 SoC와 가장 적게 충전된 셀 SoC 간의 차이입니다. 예를 들어, 가장 많이 충전된 배터리의 SoC가 75%이고 가장 적게 충전된 배터리의 SoC가 70%인 경우 문자열의 SoI는 5%입니다. 개별 셀의 SoC가 동일한 배터리 팩의 경우 SoI는 0%입니다.

배터리 팩의 평형 상태(SoB)는 100%에서 SoI를 뺀 값입니다. 배터리 팩의 SoI가 5%인 경우 SoB는 95%입니다. 위의 논의에서 상자는 각 개별 셀의 SoC 범위를 나타내는 데 사용되었습니다. 이 표현이 그다지 좋지 않은 경우 배터리 팩 SoC를 포함하는 배터리 전압 및 SoC 수준에 대한 다음 그래프를 통해 이 개념을 더 명확하게 전달할 수 있습니다.

동일한 용량과 균형이라는 이상적인 조건에서 직렬 연결된 배터리 팩의 모든 셀은 동일한 용량을 가지며, 주어진 시간에 SoC는 동일합니다(그림 {{0}}). 배터리 팩이 충전되거나 방전될 때 모든 셀 전압은 일정하게 유지됩니다. 각 셀의 SoC는 배터리 팩의 SoC와 동일합니다. 예를 들어 배터리 팩의 SoC가 50%인 경우 각 셀의 SoC도 50%입니다. 위 곡선은 SoC의 OCV 및 NMC 리튬 이온 배터리에만 해당된다는 것을 알 수 있습니다. 세 개의 배터리 셀 모두 이 곡선을 따릅니다. 하단 곡선은 배터리 셀의 SoC와 배터리 팩의 SoC를 나타내며, 이 경우 1:1-a 비율로 0%에서 100%까지 직선입니다. 50% SoC에서 직렬로 연결된 3개의 배터리 셀의 개략도는 두 그림의 중앙에 있는 수직선에 해당합니다. 배터리 팩이 가득 차면 모든 셀은 100% SoC가 됩니다. 단일 배터리 셀에는 충전 제한이 없습니다. 모두 동시에 충전됩니다. 마찬가지로, 배터리 팩이 비어 있으면 모든 셀의 SoC는 0%입니다. 단일 배터리는 방전을 제한할 수 없으며 모두 동시에 방전을 제한합니다. 배터리 팩의 용량은 각 배터리 셀의 용량(이 예에서는 10시간)과 동일합니다. 즉, 각 셀의 전체 용량을 사용할 수 있습니다. 따라서, 배터리 팩의 평형 상태는 100%(배터리 팩의 완전한 평형을 나타냄)이고, 불균형 상태는 0%(불균형이 없음을 나타냄)이다.

용량은 동일하지만 처음의 SoC가 다른 경우(그림 {{0}} 참조), 배터리 하나는 충전을 제한하고(이 예에서는 배터리 1) 다른 배터리는 방전을 제한합니다( 이 예에서는 배터리 3). 따라서 배터리 팩의 용량이 감소했습니다. 위 곡선은 세 가지 유형의 리튬 이온 배터리에 대한 전압과 충전 간의 관계를 보여줍니다. 곡선의 모양은 동일합니다. 그들은 왼쪽(장치 #1의 SoC가 더 높음) 또는 오른쪽(장치 #3의 SoC가 더 낮음)으로만 이동합니다. 아래쪽 곡선은 3개 셀의 "SoC 및 배터리 팩 SoC"입니다(이 경우 1:1이 아님). 3개 셀의 용량이 동일하기 때문에 기울기도 동일하다는 점 참고해주세요. 그들은 단지 왼쪽이나 오른쪽으로 움직입니다. 스트링이 0% SoC(플롯의 왼쪽 끝)에 있으면 셀 #3이 비어 있고 방전이 비활성화됩니다. 다른 두 배터리는 여전히 높은 전압(배터리 2의 경우 3.38V, 배터리 1의 경우 3.6V)과 충전량(배터리 2의 경우 20% SoC, 배터리 1의 경우 40% SoC)을 갖습니다. 하지만 이 충전은 3번 셀을 방전할 수 없기 때문에 불가능합니다. 배터리 팩의 SoC가 50%(그래프 중앙의 수직선)일 때, 셀 1의 SoC는 70%, 셀 2의 SoC는 70%입니다. 50%이고, 셀 3의 SoC는 30%입니다.

배터리 팩이 100% SoC(그림 오른쪽 끝)에 있으면 셀 #1이 가득 차서 충전이 비활성화됩니다. 다른 두 배터리의 전압은 더 낮으며(배터리 2의 경우 3.87V, 배터리 3의 경우 3.75V) 여전히 더 많은 충전을 수용할 수 있습니다(배터리 2의 경우 80% SoC, 배터리 3의 경우 60% SoC). 하지만 이 공간은 1번 배터리가 과충전되지 않으면 충전이 불가능하기 때문에 사용할 수 없습니다. 각 배터리는 제한된 SoC 범위 내에서 작동합니다. • 배터리 # 1의 SoC는 충전을 40%~100% 범위로 제한합니다. 유닛 2의 SoC 범위는 20%~80%입니다. 배터리 3용 SoC, 0%~60% 범위의 방전 제한. 모든 배터리의 SoC 범위 내 델타는 전체 범위에서 60%입니다. 즉, 단위 용량의 60%만 스트링에 사용할 수 있고 40%는 불균형으로 인해 사용할 수 없습니다. 즉, 배터리 팩의 평형 상태는 60%이고 불균형 상태는 40%입니다. 각 배터리 셀의 용량은 10시간인데, 배터리 팩의 용량은 6시간(10시간의 60%)에 불과하다.

배터리 팩의 셀 용량이 다른 경우(실제로 그렇습니다), 배터리 팩은 단일 셀의 SoC 수준에서만 균형을 맞출 수 있습니다. 다른 곳에서는 배터리의 SoC 수준이 다릅니다. 이 시점부터 배터리 팩을 충전하거나 방전하면 배터리의 SoC가 달라집니다. 그런 다음 배터리 팩이 원래 SoC 수준으로 돌아오면 모든 셀의 SoC가 재조립됩니다. 그림 3-13에서 위쪽 곡선은 세 개의 배터리 셀의 전압과 충전 사이의 관계를 나타냅니다. 이 곡선은 동일한 일반적인 모양을 가지고 있습니다. 너비만 변경됩니다. 용량이 높으면(셀 1) 곡선이 더 넓어집니다. 용량이 낮으면 곡선이 좁아집니다(셀 #3). 하단 곡선은 배터리 셀 3개의 SoC와 배터리 팩의 SoC를 나타냅니다. 세 셀의 용량이 다르기 때문에 기울기가 다르다는 점에 유의하세요. 배터리 팩으로 들어오거나 나가는 전류를 고려하면 저용량 배터리의 SoC는 고용량 배터리의 SoC보다 빠르게 변경됩니다.

이 예에서는 다음과 같습니다.

배터리 팩이 0% SoC(그래프의 왼쪽 끝)에 있을 때 셀 #3은 비어 있으며 방전될 수 없습니다. 다른 두 셀은 여전히 ​​충전되어 있고(셀 1은 40% SoC, 셀 #2는 20% SoC), 셀 1은 3.5V, 셀 2는 3.38V이며, 셀 #1과 셀 #2 사이의 SoC 차이는 다음과 같습니다. #3은 40%로, 배터리 팩의 불균형 상태가 40%라는 의미입니다.

배터리 팩이 50% SoC일 때(그래프 중앙의 수직선), 세 배터리의 SoC는 50%이므로 전압은 3.65V로 동일합니다.

SoB는 100%이고 SoI는 0%입니다.

배터리 팩이 100% SoC(다이어그램의 오른쪽 끝)일 때 셀 #3은 가득 차서 충전할 수 없습니다. 다른 두 셀은 여전히 ​​더 많은 충전을 수용할 수 있습니다(셀 1은 60% SoC, 셀 2는 80% SoC). 셀 1은 3.82V, 셀 2는 3.9V입니다. 1번 배터리와 3번 배터리의 SoC 차이는 40%로, 배터리 팩의 불균형 상태가 40%라는 뜻이다.

배터리 팩의 균형을 맞추기 위해 BMS는 배터리 전압을 확인하여 어떤 배터리가 균형이 맞지 않는지 확인합니다. 그러나 OCV와 SoC의 곡선은 직선이 아니기 때문에 두 배터리 간의 전압 차이는 충전량 차이에 정비례하지 않습니다. 주어진 불균형의 경우 직렬로 연결된 두 배터리 간의 전압 차이는 여러 요인에 따라 달라집니다. 불균형 정도: 불균형 정도가 클수록 전압 차이도 커집니다. 배터리 팩의 SoC: OCV 및 SoC 곡선의 모양으로 인해 전압 차이는 낮은 SoC 수준과 높은 SoC 수준에서 더욱 두드러집니다. 배터리 화학: LFP 배터리의 경우 SOC에서는 SoI에 관계없이 배터리 전압이 거의 동일합니다. 전압 차이는 SoC가 로우 레벨과 하이 레벨일 때만 중요해집니다. 이 그래프는 두 배터리와 스트링 SoC 사이의 전압 차이와 이들 사이의 SoC 불균형 정도를 보여줍니다. 예를 들어, 10% 곡선은 한 장치의 SoC가 다른 장치의 SoC보다 10% 높을 때 사용됩니다. NMC 장치의 경우 5% 미만의 SoC를 제외하고는 1%의 불균형을 감지하기 어렵습니다(그림 3.18 (a)). 약 35% SoC를 제외하고 10% 불균형은 쉽게 감지할 수 있습니다. LFP 장치의 경우 SoC가 10% 미만이고 95% 이상일 때 1% 불균형을 쉽게 감지할 수 있습니다(그림 3.18 (b)). 다른 곳에서는 거의 눈에 띄지 않습니다. SoC가 50%이면 심각한 불균형의 30%만 감지할 수 있습니다. 따라서 LFP 배터리는 전력 애플리케이션에 매우 적합하지만 LFP 배터리를 사용한 완충 배터리는 실제로 중간 균형을 달성하는 것이 불가능합니다. 델타 전압이 너무 낮은 영역에서 배터리 팩의 밸런싱을 시도하는 것은 의미가 없을 뿐만 아니라 역효과를 낳을 수도 있습니다. 다른 요인이 불균형보다 배터리 단자 전압의 차이에 더 큰 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

자체 방전 전류의 차이는 배터리 불균형의 직접적인 원인입니다. 자체 방전이 높은 배터리의 SoC는 자체 방전이 낮은 배터리의 SoC 감소 속도가 더 빠릅니다. 시간이 지남에 따라 각 배터리 셀의 SoC 수준이 차별화되고 불균형 상태가 증가합니다. 모든 배터리는 최소 속도로 자체 방전되지만, 일부 배터리는 특히 다른 온도에서 다른 배터리보다 빠릅니다(그림 {{0}} (a)). 최악의 시나리오는 일부 배터리는 실온에 있고 다른 배터리는 뜨거운 상태인 경우(예: 충전기 옆에 설치되어 있는 경우) 발생합니다. 가장 차가운 배터리의 자체 방전 전류는 0.000023C이고, 가장 뜨거운 배터리의 자체 방전 전류는 0.00017C입니다.

섭씨 0.00015도의 차이입니다. 이 차이로 인해 현의 불균형은 매달 11%씩 증가하게 됩니다. BMS는 배터리 간 자가방전 전류의 변화를 보상하기 위해 자가방전 전류가 가장 낮은 배터리로부터 균형 잡힌 전류를 얻습니다. 이 균형 전류는 이 배터리와 자체 방전이 가장 높은 배터리 간의 자체 방전 전류 차이와 정확히 같습니다. 그림에 표시된 예에서 BMS는 자체 방전 전류가 낮은 셀에 추가 방전 전류를 제공하여 각 셀이 동일한 150μA 전류로 방전되도록 보장하는 방법을 참고하세요. 또는 BMS는 차이를 보상하기 위해 가장 높은 자체 방전 전류로 배터리를 충전할 수 있습니다.

밸런싱 알고리즘은 전압 밸런싱을 기반으로 합니다. 배터리가 밸런스 설정 값에 있을 때만 배터리 전압 판독값을 기준으로 밸런싱됩니다. SoC 기반(예측): 예상 배터리 SoC 수준을 기반으로 언제든지 균형을 맞출 수 있습니다.