추상적인
이 기사에서는 전기 자동차 및 고정 애플리케이션의 배터리 관리 시스템(BMS)의 하드웨어 측면에 중점을 둡니다. 목적은 기존 고급 시스템의 개념을 개괄적으로 설명하여 독자가 특정 응용 프로그램에 대한 BMS를 설계할 때 고려해야 할 요소를 이해할 수 있도록 하는 것입니다. 일반적인 요구사항을 간략하게 분석한 후, 배터리 팩의 몇 가지 가능한 토폴로지 구조와 BMS 복잡성에 미치는 영향을 연구했습니다. 설명을 위해 상용 전기 자동차에서 선택한 4개의 배터리 팩을 예로 들어 설명합니다. 이어서, 필요한 물리적 변수(전압, 전류, 온도 등)를 측정하는 구현 측면과 균형 문제 및 전략이 논의되었습니다. 마지막으로 안전 고려 사항과 신뢰성 측면이 논의되었습니다.
1. 소개
배터리 관리 시스템(BMS)의 복잡성은 애플리케이션에 따라 다릅니다. 휴대폰이나 전자책 리더기처럼 간단한 단일 배터리는 전압, 온도, 전류를 측정하고 충전 상태(SOC)를 추정할 수 있는 간단한 '배터리 측정기' IC로 측정할 수 있습니다. 전기 자동차만큼 복잡한 BMS는 더욱 복잡한 작업을 완료해야 합니다. 배터리 전압, 온도, 전류 등 기본 매개변수를 측정하는 것 외에도 항속 거리를 계산하기 위해 사용 가능한 에너지를 결정하려면 고급 알고리즘도 필요합니다.
이 작업은 리튬 이온 배터리 관리 시스템의 하드웨어 측면에 중점을 둡니다. 2부에서는 측정 값, 전자기 간섭, 전기 절연, 접촉기 및 이중화를 포함하여 BMS의 하드웨어 요구 사항을 소개합니다. 섹션 3에서는 BMS 토폴로지의 개요를 제공하고 단순 애플리케이션과 복잡한 애플리케이션 간의 차이점을 명확히 하며 전기 자동차 배터리 팩의 예를 제공합니다. 섹션 4에서는 물리적 가치 측정 요구 사항과 일반적인 함정을 충족하는 방법을 설명합니다. 5장에서는 균형을 논의하고 전하 균형 방법을 소개하고 비교합니다. 6장에서는 고전압 배터리 팩 작동에 따른 위험성과 대책 등 안전성과 신뢰성에 대해 중점적으로 설명하고, 절연 측정 방법 및 관련 규격을 간략하게 소개한다.
2. 배터리 관리 시스템(BMS)의 설계 요구 사항
BMS를 설계하는 것은 일련의 시스템 요구 사항을 도출할 수 있는 특정 애플리케이션 요구 사항, 시스템 환경 및 사용되는 배터리의 특성을 고려해야 하는 복잡한 작업입니다. 일반적으로 다음 BMS 구성 요소 및 기능 요구 사항이 일반적으로 관련됩니다.
온도 수집
센서 선택 및 배치:BMS 설계 시 정확한 온도 수집이 어려우며, 센서의 종류(디지털 또는 아날로그)와 배터리 팩 온도를 측정하는 위치를 고려해야 하며, 이에 따라 배터리 온도 센서의 개수가 결정됩니다. 때로는 접촉기, 퓨즈 또는 모선의 온도를 수집해야 할 때도 있습니다. 일반적으로 온도 센서와 전압 센서 사이에는 일정한 비율의 채널이 있습니다.
다양한 적용 시나리오에 대한 온도 요구 사항:온도 요구 사항은 충전, 방전, 보관이라는 세 가지 상황을 고려해야 하며 열 시상수에도 주의를 기울여야 합니다. 리튬 이온 배터리는 특정 온도 범위를 벗어나면 제대로 작동할 수 없으며, 정상 온도 범위 내에서는 높은 전류 속도로 리튬 도금이 발생할 수 있습니다. 따라서 온도, 전압, 전류를 정확하게 수집하는 것이 필요합니다. 배터리의 열용량과 열전도율은 배터리 구조 등의 요인에 영향을 받으며, 온도 센서를 잘못 배치하면 판독 오류나 열 사각지대가 발생할 수 있습니다.
전압 획득
획득 채널 및 정확도:리튬 이온 배터리를 기반으로 하는 기존 BMS에는 직렬로 연결된 각 배터리에 대해 하나 이상의 전압 획득 채널이 필요하며 일부 자동차 애플리케이션에는 2차 보호 기능도 있습니다(프로그래밍 가능한 창 비교기를 통해 달성). 전압 획득 데이터의 변환 속도는 애플리케이션에 따라 다르며 일반적으로 사용되는 BMS 프런트 엔드 칩은 특정 전압 정확도와 분해능을 갖습니다.
SOC 추정에 미치는 영향:NMC 및 LFP 배터리를 예로 들면 전압 획득 정확도가 SOC 추정에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 정확도가 높을수록 SOC 추정이 더 정확해지며, 전압 데이터만 사용하여 SOC를 결정하는 것만으로는 충분하지 않을 수 있습니다.
그림 1. SOC 불확실성의 비교는 ± 1mV의 전압 정확도에 따라 달라집니다.
현재 컬렉션
수집 방법 및 센서 특성:SOC는 개방 회로 전압(OCV) 측정뿐만 아니라 쿨롱 계산 방법(전류 측정 및 적분)을 사용하여 결정할 수 있습니다. 그러나 전류 센서는 드리프트, 오프셋, 온도 오류와 같은 이상적이지 않은 특성을 갖고 있으며 다양한 측정 범위 요구 사항을 동시에 충족하고 특정 대역폭을 가져야 할 수도 있습니다.
실제 응용 분야에서 SOC를 결정하기 위해 쿨롱 계산에만 의존하는 것은 특히 저전류 조건에서 부정확합니다. 이 문제를 해결하기 위해 알고리즘과 매개변수화된 모델을 결합하여 현재 데이터를 처리하는 것이 가능하지만 이는 이 기사의 범위를 벗어납니다.
통신 요구 사항
시스템 내 통신:BMS는 통신 모드, 속도, 견고성 및 신뢰성과 같은 요소를 고려하여 전체 시스템(예: 전력 전자 장치, 에너지 관리 또는 차량 제어 장치)과 통신해야 합니다. 예를 들어, 시스템 통신을 위해 차량에 CAN 인터페이스를 제공해야 할 수 있으며, 다양한 애플리케이션이 BMS가 적응해야 하는 시스템 수준의 통신 요구 사항을 이미 결정했을 수 있습니다.
모듈 간 통신:모듈형 시스템의 경우 마스터 모듈과 슬레이브 모듈 간의 통신 방법을 정의해야 하며 이는 시스템 간 통신의 기본 요구 사항과 유사합니다. 구체적인 예는 다음 장에서 찾을 수 있습니다.
전자기 간섭(EMI) 보호
EMI가 센서에 미치는 영향:EMI는 센서의 데이터 수집에 영향을 미칠 수 있으며 모든 센서는 EMI의 영향을 받기 쉬우므로 데이터가 약간 왜곡되거나 완전히 쓸모 없게 될 수 있습니다.
EMI의 영향을 줄이기 위한 조치:영향을 최소화하려면 모터, 전력 전자 부품 및 기타 부하의 EMI 설계가 양호해야 하며 공통 모드 초크 및 차단 커패시터와 같은 적절한 EMI 필터링 장치를 사용하고 센서 측정 경로 근처에 설치할 수 있습니다.
접촉기와 관련된 요구 사항
접촉기의 기능 및 요구 사항:대부분의 배터리 팩에는 적어도 하나의 전극을 전기적으로 분리할 수 있는 기능이 필요하며, 이를 위해서는 적절한 접촉기가 필요합니다. DC 전류 차단 및 아크 소화의 특수한 특성으로 인해 접촉기는 자기 아크 소화 장치가 있어야 하며 접점 용접을 피해야 합니다.
안전 운영 조치:안전을 보장하기 위해 접촉기 스위치 작동 중에 두 끝 사이에 전위차가 없는지 확인하고 위험한 상황을 방지하기 위해 특수 회로(예: 직렬 연결된 접촉기와 저항기로 구성된 사전 충전 장치)가 필요합니다.
중복 요구 사항
시스템 신뢰성에서 중복성의 역할:ISO 26262 표준에 따르면 중복성은 시스템 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 배터리 전압은 일반적으로 메인 칩에 의한 정밀 측정과 보조 칩에서 제공되는 바이너리 정보라는 두 가지 방법으로 어느 정도 중복적으로 관찰됩니다.
더 높은 수준의 중복성 개념:중복성 개념은 잠금 스테핑, 메모리 오류 수정, 특수 CPU의 자체 테스트 메커니즘과 같은 상위 수준 처리에도 존재합니다.
전기 절연 요구 사항
배터리 팩 절연:배터리 팩은 일반적으로 전기 절연이 필요한 고전압 부품과 저전압 부품으로 구분되며 광학, 유도 또는 용량성 방법을 통해 달성할 수 있습니다.
열 센서 절연:또한 모든 열 센서는 배전 IT 네트워크 레이아웃의 개념과 유사하게 저전압 부품에 영향을 미치는 고전압 오류를 방지하기 위해 전기적으로 절연되어야 합니다.
잔액 요구 사항
전하 불균형의 영향:직렬로 연결된 배터리 사이에는 충전 불균형이 있을 수 있으며, 이는 시스템 성능과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있으며 일반적으로 이를 낮은 수준으로 유지하는 것이 필요합니다.
특별 적용 고려사항:다양한 애플리케이션에는 무게 제한이나 충전 전류 요구 사항과 같은 특별한 고려 사항이 있을 수 있으며 이로 인해 균형 전류가 생성될 수 있습니다. 5장에서는 균형잡기의 필요성과 실행방법을 추가적으로 소개할 것이다.
기타 요구사항
신청 관련 요구사항:응용 프로그램에는 공간, 비용, 하드웨어 기계적 강도, 무게, 전력 소비 등의 다른 요구 사항도 있을 수 있습니다. 이러한 요구 사항은 이 문서의 초점은 아니지만 고려해야 합니다.
3. BMS의 토폴로지 구조
배터리 시스템 구조 개요:시스템의 전기 사양을 충족하려면 배터리를 여러 연결 토폴로지를 사용하여 배터리 팩에 결합해야 하는 경우가 많습니다. 직렬 연결은 특정 전압 범위를 달성하고 전류를 줄일 수 있습니다. 병렬 연결을 통해 용량을 늘릴 수 있습니다. 소용량 배터리를 모듈에 병렬 연결하고 직렬 연결하거나 대용량 배터리를 직렬 연결에 직접 사용하는 등 실제 응용 분야에는 다양한 변형이 있습니다. 다양한 토폴로지는 여러 직렬 배터리가 병렬로 연결될 때 모니터링 및 밸런싱 비용이 증가하는 등 BMS의 복잡성에 다양한 영향을 미칩니다.
그림 2. 다양한 배터리 팩 토폴로지의 개략도: (a) 단일 셀; (b) 두 배터리의 병렬 연결; (c) 3개 배터리의 직렬 연결; (d) 2개 직렬 배터리와 3개 직렬 배터리의 병렬 연결; (e) 두 개의 병렬 배터리로 구성된 세 개의 모듈을 직렬 연결합니다.
표 1. 토폴로지 변형의 특성은 그림 2에 나와 있습니다.
배터리 연결 방법 및 전압 측정 채널 요구 사항을 설명하는 예를 제공하십시오. 예를 들어 m개의 직렬 연결된 배터리와 n개의 병렬 연결된 배터리의 조합에는 연결 방법마다 다른 수의 전압 측정 채널이 필요합니다.
특별 사례 토론:일부 특수 응용 분야(예: 유럽 우주국의 화성 탐사선 및 Rosetta 탐사선)에서는 크기, 무게, 전력 소비 등의 요인으로 인해 단일 셀 모니터링 및 밸런싱이 수행되지 않을 수 있습니다. 동일한 배치에서 배터리를 신중하게 선택하면 모니터링을 생략할 수 있다는 의견도 있지만, 연구에 따르면 동일한 배치에서 배터리라도 노화 동작이 다를 수 있으며 모니터링을 생략하면 위험이 발생할 수 있습니다. 그러나 특정 범위 내의 소규모 시스템 및 배터리 전압의 경우 모니터링 생략으로 인한 영향이 상대적으로 작을 수 있습니다.
집적회로(IC) 관련
기본 모니터링 기능을 갖춘 IC:배터리 안전 작동의 기본 모니터링 기능을 달성하기 위해 반도체 제조업체는 다양한 ASIC(주문형 집적 회로)을 제공합니다. 단일 셀을 사용하는 소형 전자 장치의 경우 전압, 전류 및 온도를 모니터링하고 SOC를 추정할 수 있으며 충전 조정기와 같은 기능도 포함할 수 있는 "연료 게이지" IC가 있습니다. 예를 들어 TI의 "bq27220" 및 Maxim의 관련 IC가 있습니다.
고전력 및 에너지 수요 시스템용 IC
모듈화 및 기능 할당:전력 및/또는 에너지 요구 사항이 높은 애플리케이션의 경우 배터리 팩은 여러 배터리로 구성되며 관련 IC는 여러 배터리를 동시에 모니터링하고 밸런싱 기능을 제공할 수 있습니다. 시스템에는 SOC 추정 및 전력 예측 알고리즘과 같은 복잡한 기능을 담당하는 중앙 모듈(BMS 마스터)이 있습니다. 프런트엔드 IC 모듈(BMS 슬레이브)은 신호 획득 및 필터링과 같은 기본 기능을 담당합니다.
그림 3. 전기 자동차 애플리케이션을 위한 일반적인 BMS 구조.
다양한 IC 예 및 균형 조정 방법:예를 들어, TI의 bq76PL536A, MAX11068 및 LT6802G-2는 수동 밸런싱을 제공하는 반면, AMS의 AS8506C는 수동 밸런싱 토폴로지에 사용될 수 있으며 능동 밸런싱 기능도 제공합니다. 일부 IC에는 후속 제품이 있으며, 전압 모니터링 신뢰성을 향상시키기 위해 2차 보호 IC를 사용할 수 있습니다. 완전히 중복된 BMS를 사용하면 신뢰성이 향상되지만 비용이 많이 듭니다.
통신 및 데이터 전송
프런트 엔드 IC 연결 방법:프런트엔드 IC는 일반적으로 데이지 체인을 통해 연결될 수 있으며 IC마다 인터페이스 방법이 다릅니다. MAX11068은 I2C 포트를 통해 연결되고, TI의 bq76PL536A는 다중 인터페이스를 제공하며, LT6802G-2는 SPI 버스를 통해 연결됩니다(추가 디지털 아이솔레이터 필요).
시스템 통신 방법:시스템에서는 일반적으로 동일한 PCB의 IC를 연결하기 위해 저가형 마이크로컨트롤러를 사용하고, 다른 PCB의 모듈과 BMS 메인 모듈은 필드버스(CAN 등)를 통해 연결한다.
실제 사례
미쓰비시 i-MiEV:배터리는 나사로 연결된 여러 모듈과 88개의 각형 배터리로 구성됩니다. 모듈의 PCB에는 모니터링 IC와 온도 센서가 포함되어 있으며 배터리 팩 하우징에는 여러 구성 요소가 포함되어 있습니다. BMS 메인 모듈은 차량 뒷좌석 아래에 위치하며 내부 CAN 버스를 통해 통신합니다. 다른 배터리에 비해 내부 공간이 더 넓은데, 이는 공냉식의 부작용일 수 있습니다.
그림 4. (a) Mitsubishi i-MiEV 배터리 팩; (b) 폭스바겐 e-Up 배터리 팩; (c) 스마트 포투 전기 구동 배터리 팩. 참고: 크기 조정 방법은 다릅니다.
그림 5. (a) Tesla Model S 배터리 모듈의 평면도; (b) 폭스바겐 e-Up 배터리 모듈, 6s2p 모듈, 평면도.
스마트 포투 일렉트릭 에디션:배터리는 냉각 시스템을 갖춘 90 시리즈 연결된 파우치 배터리로 구성되며 기본 모니터링 작업은 bq76PL536A와 유사한 TI의 IC로 완료됩니다. 각 PCB에는 여러 모니터링 IC와 마이크로 컨트롤러가 포함되어 있으며 BMS 메인 모듈은 배터리 케이스 내부에 위치하며 통합성이 뛰어나고 케이블이 적습니다.
폭스바겐 e-업:배터리에는 다수의 전압 측정 라인을 통해 배터리 및 측정 IC(MAX11068)에 연결된 냉각 시스템이나 서비스 차단 장치가 없는 여러 직렬 모듈, 중앙 집중식 BMS 모듈, 다수의 균형 잡힌 저항기 및 변환 없는 마이크로컨트롤러가 포함되어 있습니다. 신호.
테슬라 모델 S:배터리는 다수의 18650 배터리로 구성되며 여러 모듈로 나누어 본드 와이어로 연결됩니다. BMS는 TI의 bq76PL536A-Q1을 사용하여 모니터링되고 전압은 용접 와이어를 통해 측정됩니다. 다른 배터리와 비교하면 폭스바겐 e-업의 낮은 집적도, 스마트 포투의 높은 집적도 등 집적도가 다르다.
4. HV 배터리 시스템 측정 기술 개요
측정 기술의 중요성:측정 기술은 SOC, SOH, SOF 등과 같은 상태 변수를 결정할 수 있는 배터리 관리 시스템의 핵심 구성 요소입니다. 일반적으로 배터리 시스템의 배터리 전압, 총 전압, 총 전류 및 온도와 같은 변수를 측정합니다. 이러한 상태 변수는 과충전이나 과방전과 같은 손상으로부터 배터리 시스템을 보호하고 배터리 시스템의 활용을 최적화할 수 있습니다.
센서 요구 사항:섹션 2에 자세히 설명된 대로 비용, 대역폭, 정확도, 측정 범위 및 크기를 포함하여 배터리 저장 애플리케이션을 기반으로 센서에 대한 일반적인 요구 사항을 결정합니다.
전류 측정
측정 방법 분류:전류 수집 장비는 전기 연결과 절연이라는 두 가지 기본 센서 기술로 구분됩니다. 일반적으로 사용되는 션트 저항 전류 감지는 전기적 연결 유형에 속하며 홀 센서는 절연 유형의 예입니다.
센서 기술 외에도 배터리 팩의 위치도 고려해야 합니다. 여러 개의 전환 가능 스트링이 포함된 배터리 시스템의 경우 각 스트링에는 전력 불균형을 추적하는 전류 모니터링 장치가 장착되어 있어야 합니다.
션트 저항 측정
측정 원리 및 특성:저저항, 고정밀 저항, 고정밀 전압 측정 시스템을 결합하여 전류를 측정합니다. 저항은 전류 경로에 위치하며 전류가 통과하면 전력 손실과 온도 상승이 발생합니다. 저항기를 선택할 때는 손실과 적절한 전압 강하 생성 필요성 사이의 균형을 맞춰야 합니다. 고정밀도로 측정할 때는 저항기의 온도 계수와 장기 안정성도 고려해야 합니다.
이 방법은 DC 및 AC 전류를 측정하는 데 사용할 수 있으며 단순성, 선형성 및 높은 대역폭의 장점이 있습니다. 그러나 측정 범위는 전압 측정의 정확도에 따라 제한됩니다.
로우사이드와 하이사이드 측정 비교
로우사이드 측정은 배터리의 양극 단자와 부하 사이에 위치한 저항기를 나타냅니다. 장점은 입력 공통 모드 전압이 낮고 많은 수의 전류 감지 증폭기를 사용할 수 있다는 것입니다. 이 회로는 간단하고 비용 효율적이지만 접지 경로를 방해하고 고부하 전류 바이패스를 감지할 수 없습니다.
하이사이드 측정은 부하와 배터리의 음극 또는 접지 사이에 위치한 저항기를 의미합니다. 접지 경로 간섭을 방지하고 단락을 감지할 수 있다는 장점이 있지만 증폭기 출력의 레벨 변환이 필요하고 증폭기가 높은 공통 모드 전압을 견딜 수 있어야 합니다.
비접촉식 전류 센서(홀 센서 등)
측정 원리 및 장점:홀 효과 기반 홀 센서와 같이 전류에 의해 생성된 자기장을 전류 경로 저항을 증가시키지 않고, 추가 전도 손실 없이, 전기 절연 이점을 제공하고, 신호 조절을 위한 추가 광커플러나 디지털 절연체가 필요 없이 측정을 위해 사용합니다.
홀 센서는 집적 회로로 구매하여 전류 경로에 배치할 수 있으며 출력을 필터링해야 합니다. 홀 센서가 포함된 페라이트 링으로 구성되고 전기 절연을 제공할 수 있는 완전한 모듈도 사용할 수 있습니다.
센서 특성 및 제한 사항:가장 큰 단점은 일반적으로 수십 kHz를 초과하지 않는 제한된 대역폭과 보상해야 하는 출력 신호의 온도 드리프트입니다. 배터리 시스템에 더 높은 대역폭이 필요한 경우 션트 저항 측정을 사용해야 하며 홀 센서는 비싸고 부피가 큽니다.
전압 측정
배터리 팩 전압 측정의 차별화:리튬이온 배터리 팩에서는 각 배터리의 전압을 측정하는 것과 배터리 팩의 총 전압을 측정하는 것을 구별할 필요가 있습니다. 두 가지의 전압 범위는 서로 다르며, 모든 배터리 전압의 합은 총 전압과 동일해야 하며 이는 합리성 판단의 기준으로 사용될 수 있습니다.
배터리 전압 측정:일반적으로 통합 BMS 프런트 엔드 칩으로 완성됩니다. 시중에 나와 있는 칩에 연결할 수 있는 배터리 수는 다양하며, 보조 감시 IC를 통해 이중화 및 시스템 신뢰성도 향상시킬 수 있습니다.
배터리 팩 전압 측정:전압 분배기, 임피던스 변환기, 필터 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함한 별도의 측정 장치로 완성됩니다. 전압 분배기는 배터리 팩의 전압을 적절한 범위로 낮추는 데 사용되며, 안전을 보장하기 위해 여러 개의 저항기와 후속 회로를 보호하기 위한 제너 다이오드가 필요할 수 있습니다. 동시에 측정된 전압을 얻기 위해 임피던스 변환기, 필터 및 ADC가 사용됩니다.
온도 측정
온도 센서의 일반적인 유형 및 원리:일반적인 온도 센서에는 정전류 하에서 전압 강하를 측정하여 온도를 측정하는 NTC(부정 온도 계수) 유형과 PTC(정 온도 계수) 유형이 있습니다. 저항은 온도에 따라 달라지며 특정 온도 범위 내에서 사용할 수 있지만 비선형 문제가 있습니다.
센서 사용 시의 문제점 및 해결 방법:비선형성으로 인해 온도 계산을 교정하려면 디지털 처리 체인에 조회 테이블이 필요합니다. 사용하기 더 편리한 디지털 인터페이스를 사용하는 일부 센서도 있지만 배터리 팩의 고전력 경로 근처에 센서를 배치할 때는 EMI 문제에 유의해야 합니다. 금속 PTC 및 열전대와 같은 다른 측정 방법은 더 높은 정확도와 더 넓은 온도 범위를 제공할 수 있지만 전자적 복잡성이 더 높습니다.
데이터 전송
다양한 통신 버스의 특성 및 적용 시나리오:BMS 모듈 간, BMS와 전체 시스템 간 통신이 필요합니다. CAN 버스는 유연성과 소음 저항성을 갖추고 차량 환경에서 일반적으로 사용됩니다. LIN 버스는 상대적으로 단순하지만 속도가 느리고 유연성이 낮으며 차동이 아니기 때문에 비용 요구 사항이 높은 시나리오에 적합합니다. SPI, I2C 및 OneWire 버스와 같은 기타 단거리 통신 인터페이스는 간섭이 발생하기 쉬운 장거리 모듈 간 통신에 적합하지 않습니다. CAN 버스 속도가 충분하지 않거나 실시간 결정적 기능이 필요한 경우 FlexRay 버스 또는 이더넷을 사용할 수 있습니다.
5. 배터리 잔량
배터리 SOC의 차이가 발생하는 이유:직렬 연결된 배터리에서는 생산 차이와 작동 및 환경 조건(예: 온도)이 다르기 때문에 배터리 간에 불균형이 발생할 수 있습니다. 이러한 요인으로 인해 초기 조건, 노화 및 자체 방전율이 달라져 SOC, 용량 및 저항 값의 편차가 발생할 수 있습니다. 이 섹션에서는 주로 SOC와 용량의 차이에 중점을 두고 내부 저항의 차이는 다루지 않습니다. 연구에 따르면 초기 용량과 부하가 동일한 배터리라도 사용 후 용량의 차이가 발생하는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 초기 용량이 동일하고 수명 종료 기준으로 남은 용량이 80%인 18650 배터리의 주기 수명은 1000-1500회입니다. 동시에, 40°C에서 보관된 상업용 소프트 팩 배터리와 같이 다양한 배터리의 자체 방전율에는 차이가 있으며, 자체 방전 저항은 10kΩ에서 14kΩ 사이입니다.
그림 6. (a) 불균형 배터리 셀의 이유, [57]에 근거한 수치; (b) 다양한 평형 방법의 분류는 표시된 비소산 방법의 이름과 같이 에너지 전달 방향을 나타냅니다.
균형의 필요성:SOC, 용량, 내부 저항의 차이로 인해 배터리 팩의 가용 에너지가 감소할 수 있는데, 이는 밸런스 회로를 통해 해결할 수 있습니다.
잔액 방법 개요
하드웨어 구현:문헌에서는 다양한 토폴로지 구조, 제어 방법(예: 능동/수동) 또는 상용 가용성으로 분류될 수 있는 회로 밸런싱을 위한 다양한 하드웨어 구현 방법을 설명합니다.
상업용 애플리케이션의 균형 조정 방법:대부분의 상용 배터리 팩은 배터리 양쪽 끝에 있는 병렬 밸런싱 저항기를 통해 제어되는 수동 밸런싱 시스템을 사용합니다. 이 방법은 작은 밸런스 전류(약 100mA)와 배터리 용량의 변화 없이 SOC 변화 문제만 해결할 수 있습니다. 이는 BMS의 에너지 소산이나 배터리와 모니터링 회로 사이의 케이블 직경에 의해 제한될 수 있습니다. 각 배터리 또는 배터리 병렬 조합에는 저항 값이 30Ω -40Ω(배터리 전압 4.2V로 가정)인 전환 가능한 밸런싱 저항기가 있으며, 각 배터리는 387mW -430mW 사이의 전력을 소비합니다.
다양한 용량 문제를 해결하는 방법:다양한 용량 문제를 해결하려면 전력 전자 장치를 사용하여 배터리 간에 에너지를 재분배하는 더 복잡한 방법이 필요합니다. 그러나 이러한 방법에는 복잡한 제어 알고리즘과 고가의 인덕터가 필요합니다. 관련 BMS IC 제품이 있지만 상용 자동차 배터리 팩에는 널리 사용되지 않았습니다.
6. 안전d 신뢰성
위험 감소의 전반적인 목표:BMS의 주요 목적 중 하나는 배터리 팩의 리튬 이온 배터리 작동과 관련된 위험을 줄이는 것입니다.
그림 7. 배터리 전압 획득 프런트 엔드의 등가 회로 모델로 감지 라인 오류의 감지 가능성을 보여줍니다.
특정 안전 조치
고전압 안전:배터리 팩의 고전압 안전성은 절연 모니터링 및 연동 회로를 통해 보장되며, 이는 오염이나 결로로 인한 아크 위험을 줄일 수 있습니다. 동시에 BMS 하드웨어 설계는 PCB 및 커넥터의 연면 거리와 전기적 공간거리를 보장하기 위해 관련 표준을 따라야 합니다.
전기 절연:다른 제어 장치 또는 보조 전원과의 인터페이스에서 높은 배터리 전압으로부터 전기적 절연을 보장하려면 "향상된 절연" 표준을 충족하는 절연 장비를 사용할 수 있습니다. 기존의 광커플러가 사용되지만 이제는 "디지털 절연기"가 더 나은 IC 성능을 갖습니다.
화재 예방 조치:배터리 팩 내부에 온도 센서를 배치하고 위험한 온도에 대응합니다. 센서가 없는 온도 감지 방법(예: 전기화학적 임피던스 분광법)과 새로운 온도 측정 방법을 사용하여 화재 위험을 줄일 수도 있습니다.
접촉기 및 퓨즈:접촉기를 사용하여 퓨즈와 조정하면서 시스템에서 배터리 팩을 분리합니다. 퓨즈 선택 시 두 가지의 작동 특성과 배터리 팩 내의 기생 용량 및 인덕턴스가 미치는 영향을 고려하십시오.
배터리의 내부 안전:BMS는 작동 전 저온 리튬 도금 및 과방전을 피하고 지정된 온도 범위 내에서 배터리가 충전되도록 해야 합니다. 동시에 진단 알고리즘을 사용하여 내부 단락을 감지할 수 있습니다.
그림 8. 절연 측정: (a) IT 연결부의 절연; (b) 절연 측정의 개략도.
BMS 하드웨어 설계 관련 문제
센서 결함 감지:BMS 하드웨어 및 소프트웨어 구현이 점점 복잡해짐에 따라 소프트웨어 오류 및 센서 오류가 발생할 가능성도 높아집니다. 예를 들어, 배터리 전압 감지 시 케이블 결함은 전압 측정만으로는 쉽게 감지할 수 없지만 배터리 밸런싱 시스템이나 전류원 회로를 통해 감지할 수 있습니다.
센서 유효성 검사:진단 알고리즘을 통해 센서 결함 등 기타 결함을 감지할 수 있으며, 배터리 전기적 동작을 통해 센서 신호의 유효성을 확인할 수 있습니다.
절연 측정
절연 측정의 중요성과 시스템 구조:전기자동차 또는 부분 전기자동차의 고전압 시스템은 일반적으로 IT 네트워크로 구축되며 첫 번째 결함을 감지해야 합니다. 절연 저항을 측정할 때는 정전용량이 측정을 방해할 수 있으므로 시스템의 정전용량 및 저항 특성을 고려해야 합니다.
일반적인 측정 방법:일반적인 방법에는 루프 코일을 사용하여 공통 모드 전류를 측정하고 스위치와 저항기를 통해 시스템과 섀시 사이의 전위를 변경하여 절연 저항을 계산하는 것이 포함됩니다. 더 간단하거나 더 복잡한 다른 방법도 소개됩니다.
절연 측정 표준:절연 측정에는 측정 방법 및 최소 절연 저항 요구 사항에 대한 관련 표준 사양이 있습니다. 표준마다 측정 방법, 저항값, 측정 시간에 차이가 있습니다.
7. 요약
일반 요구 사항 및 설계 고려 사항:이 기사에서는 일반적인 요구 사항부터 시작하여 구현 고려 사항을 제공하는 등 BMS 하드웨어의 일반적인 개념을 소개합니다. 설계 프로세스에는 가능한 한 많은 매개변수가 포함되어야 하지만 요구사항은 대상 장치의 요구 사항에 따라 설정되어야 합니다. 다양한 애플리케이션의 요구 사항은 매우 다양하며 이러한 요구 사항은 배터리 팩 설계 고려 사항의 좋은 출발점이 됩니다.
BMS 토폴로지:배터리 시스템 구조는 BMS 토폴로지에 영향을 미치며 일부 애플리케이션은 무게나 복잡성을 줄이기 위해 특별한 모니터링 방법을 사용합니다. 예를 들어 섹션 3.3에서 비교한 4개의 상업용 전기 자동차 배터리는 비슷한 애플리케이션(예: CAN 통신 사용)으로 인해 몇 가지 공통점이 있습니다. ), 그러나 통합 및 내부 커뮤니케이션이 다릅니다.
물리적 가치 측정:4장에서는 필요한 물리적 값의 수집 및 전송 방법에 대해 자세히 소개합니다. 측정 요구 사항이 다르면 애플리케이션 제약 조건과 요구 사항에 따라 다양한 방법을 선택해야 합니다.
균형 문제:5장에서는 직렬 배터리의 충전 불균형에 대한 이유와 보상 방법을 설명하며, 현재 가장 일반적으로 사용되는 방법은 수동 밸런스입니다.
안전성과 신뢰성:섹션 6에서는 수명을 보장하고 고전압 위험으로부터 사용자를 보호하기 위한 배터리 작동 범위 준수를 포함한 안전 측면에 대한 개요를 제공합니다. 절연 모니터링을 위한 표준 방법을 소개하고 배터리를 보호할 때 시스템 수준 위험을 고려해야 할 필요성을 언급합니다.