- 배터리 관리 시스템 (BMS)이 필요한 이유는 무엇입니까?
- 배터리 관리 시스템 (BMS) 설계 고려 사항
- BMS의 구성 요소
- BMS 데이터 수집
- 셀 전압 및 온도 측정을위한 멀티 플렉스 아날로그 프런트 엔드 (AFE)
- 배터리 상태 추정
7 일 일 년 1 월 2013 년 보잉 787 비행기는 그 정비사 주목 화염 동안 유지 보수를 위해 주차 된 전력으로 전자 비행 시스템을 사용하는 보조 전원 장치 비행 (리튬 배터리 팩)에서 나오는 연기. 노력은 불을 넣어 찍은, 그러나 십일 나중에이 문제 이전에 16에 해결 될 수 번째 다른 배터리 고장이 일본 공항에 비상 착륙을 발생 전일본 공수가 운영하는 787 비행에서 발생 1월. 이 두 번의 치명적인 배터리 고장으로 인해 Boeing 787 Dreamliners 비행이 무기한 접지되어 제조업체의 명성이 훼손되어 막대한 재정적 손실이 발생했습니다.
미국과 일본의 일련의 공동 조사 결과, B-787의 리튬 배터리 팩은 CT 스캔을 통해 8 개의 리튬 이온 셀 중 하나가 손상되어 단락을 일으켜 화재로 열 폭주를 유발하는 것으로 나타났습니다. 리튬 이온 배터리 팩의 배터리 관리 시스템이 단락을 감지 / 방지하도록 설계 되었다면이 사고를 쉽게 피할 수있었습니다. 몇 가지 설계 변경 및 안전 규정 이후 B-787은 다시 비행하기 시작했지만 제대로 취급하지 않으면 리튬 배터리가 얼마나 위험한지를 증명하는 증거로 여전히 사고가 남아 있습니다.
15 년이 지난 오늘날 우리는 수천 개는 아니더라도 수백 개로 포장 된 동일한 리튬 이온 배터리를 사용하는 전기 자동차를 보유하고 있습니다. 정격 전압이 약 300V 인이 거대한 배터리 팩은 차량에 장착되어 작동 중에 최대 300A (대략적인 수치)의 전류를 공급합니다. 여기서 모든 사고는 큰 재앙으로 끝날 것이므로 배터리 관리 시스템이 항상 EV에서 강조되는 이유입니다. 따라서이 기사에서는이 BMS (배터리 관리 시스템) 에 대해 자세히 알아보고 디자인과 기능을 이해하여 훨씬 더 잘 이해할 수 있습니다. 배터리와 BMS는 밀접한 관련이 있으므로 전기 자동차 및 EV의 배터리에 대한 이전 기사를 살펴 보는 것이 좋습니다.
배터리 관리 시스템 (BMS)이 필요한 이유는 무엇입니까?
리튬 이온 배터리는 높은 충전 밀도와 낮은 무게로 인해 전기 자동차 제조업체의 관심을 끄는 배터리로 입증되었습니다. 이 배터리는 크기에 비해 많은 힘을 가하지 만 본질적으로 매우 불안정합니다. 이러한 배터리는 전압과 전류를 모니터링 할 필요가있는 어떤 상황에서도 과충전되거나 방전되어서는 안됩니다. 이 프로세스는 EV에서 배터리 팩을 형성하기 위해 많은 셀이 모여 있기 때문에 조금 더 어려워지고 모든 셀은 배터리 관리 시스템 이라는 특수 전용 시스템이 필요한 안전하고 효율적인 작동을 위해 개별적으로 모니터링되어야합니다.. 또한 배터리 팩에서 최대 효율을 얻으려면 BMS를 다시 요구하는 동일한 전압에서 모든 셀을 동시에 완전히 충전 및 방전해야합니다. 이 외에도 BMS는 아래에서 논의 할 다른 많은 기능을 담당합니다.
배터리 관리 시스템 (BMS) 설계 고려 사항
BMS를 설계 할 때 고려해야 할 요소가 많이 있습니다. 전체 고려 사항은 BMS가 사용될 정확한 최종 응용 프로그램에 따라 다릅니다. EV의 BMS 외에도 태양 전지판 어레이, 풍차, 전력 벽 등과 같은 리튬 배터리 팩이 관련된 모든 곳에서 사용됩니다. 애플리케이션에 관계없이 BMS 설계는 다음 요소의 전부 또는 다수를 고려해야합니다.
방전 제어: BMS의 주요 기능은 안전한 작동 영역 내에서 리튬 전지를 유지하는 것입니다. 예를 들어 일반적인 리튬 18650 셀은 약 3V의 저전압 등급을 갖습니다. 팩의 셀이 3V 미만으로 방전되지 않도록하는 것은 BMS의 책임입니다.
충전 제어: 방전과 별도로 충전 프로세스는 BMS에 의해 모니터링되어야합니다. 대부분의 배터리는 부적절하게 충전하면 손상되거나 수명이 단축되는 경향이 있습니다. 리튬 배터리 충전기의 경우 2 단계 충전기 가 사용됩니다. 첫 번째 단계는 정전류 (CC)라고하며 충전기가 배터리를 충전하기 위해 정전류를 출력합니다. 배터리가 거의 가득 차면 정전압 (CV)이라고하는 두 번째 단계스테이지는 매우 낮은 전류로 배터리에 일정한 전압이 공급되는 동안 사용됩니다. BMS는 배터리를 과충전하거나 급속 충전하지 않도록 충전 중 전압과 전류가 투과 한도를 초과하지 않도록해야합니다. 최대 허용 충전 전압 및 충전 전류는 배터리 데이터 시트에서 확인할 수 있습니다.
충전 상태 (SOC) 결정: SOC를 EV의 연료 표시기로 생각할 수 있습니다. 실제로 팩의 배터리 용량을 백분율로 알려줍니다. 휴대폰에있는 것과 같습니다. 그러나 그것은 들리는 것처럼 쉽지 않습니다. 배터리 용량을 예측하기 위해 팩의 전압 및 충전 / 방전 전류를 항상 모니터링해야합니다. 전압과 전류가 측정되면 배터리 팩의 SOC를 계산하는 데 사용할 수있는 많은 알고리즘이 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 방법은 쿨롱 계산 방법입니다. 이에 대해서는 기사 뒷부분에서 자세히 설명하겠습니다. 값을 측정하고 SOC를 계산하는 것도 BMS의 책임입니다.
SOC (State-of-Health) 결정: 배터리 용량은 전압 및 전류 프로필뿐만 아니라 수명과 작동 온도에 따라 달라집니다. SOH 측정은 사용 내역을 기반으로 배터리의 수명과 예상 수명주기를 알려줍니다. 이렇게하면 배터리가 오래됨에 따라 EV의 주행 거리 (완전 충전 후 적용되는 거리)가 얼마나 감소하는지 알 수 있으며 배터리 팩을 언제 교체해야하는지 알 수 있습니다. SOH는 BMS에 의해 계산되고 추적되어야합니다.
셀 밸런싱: BMS의 또 다른 중요한 기능은 셀 밸런싱을 유지하는 것입니다. 예를 들어, 직렬로 연결된 4 개 셀 팩에서 4 개 셀의 전압은 항상 동일해야합니다. 한 셀이 다른 셀보다 낮거나 높은 전압이면 전체 팩에 영향을 미칩니다. 예를 들어 한 셀이 3.5V이고 다른 셀이 4V 인 경우입니다. 충전하는 동안이 세 개의 셀은 4.2V에 도달하고 다른 하나는 3.7V에 도달했을 것입니다. 유사하게이 셀은 다른 세 개보다 먼저 3V로 방전됩니다. 이런 식으로이 단일 셀로 인해 팩의 다른 모든 셀을 최대 잠재력으로 사용할 수 없으므로 효율성이 저하됩니다.
이 문제를 해결하기 위해 BMS는 셀 밸런싱이라는 것을 구현해야합니다. 셀 밸런싱 기술에는 여러 유형이 있지만 일반적으로 사용되는 기술은 능동형 및 수동형 셀 밸런싱 입니다. 수동 밸런싱에서 아이디어는 초과 전압을 가진 셀이 저항과 같은 부하를 통해 강제 방전되어 다른 셀의 전압 값에 도달한다는 것입니다. 능동적 균형을 유지하는 동안 더 강한 세포는 약한 세포를 충전하여 잠재력을 동일하게 만드는 데 사용됩니다. 나중에 다른 기사에서 셀 균형 조정에 대해 자세히 알아볼 것입니다.
열 제어: 리튬 배터리 팩의 수명과 효율성은 작동 온도에 따라 크게 달라집니다. 배터리가 더 빨리 뜨거운 기후에서 일반적인 실내 온도에 비해 배출하는 경향이있다. 여기에 고전류 소비를 추가하면 온도가 더욱 높아집니다. 이를 위해서는 배터리 팩에 열 시스템 (주로 오일)이 필요합니다. 이 열 시스템은 온도를 낮출 수있을뿐 아니라 필요한 경우 추운 기후에서도 온도를 높일 수 있어야합니다. BMS는 개별 셀 온도를 측정하고 그에 따라 열 시스템을 제어하여 배터리 팩의 전체 온도를 유지합니다.
배터리 자체에서 전원 공급 : EV에서 사용할 수있는 유일한 전원은 배터리 자체입니다. 따라서 BMS는 보호하고 유지해야하는 동일한 배터리로 전원이 공급되도록 설계되어야합니다. 이것은 간단하게 들릴 수 있지만 BMS 디자인의 어려움을 증가시킵니다.
덜 이상적인 전력: BMS는 차량이 달리거나 충전 중이거나 이상적인 모드에 있더라도 활성화되고 실행되어야합니다. 이것은 BMS 회로가 지속적으로 전력을 공급 받도록하므로 BMS는 배터리를 많이 소모하지 않도록 매우 적은 전력을 소비해야합니다. EV를 몇 주 또는 몇 달 동안 충전하지 않은 상태로두면 BMS 및 기타 회로는 스스로 배터리를 소모하는 경향이 있으며 결국 다음 사용 전에 크랭크를 켜거나 충전해야합니다. 이 문제는 Tesla와 같은 인기있는 자동차에서도 여전히 흔합니다.
갈바닉 절연: BMS는 배터리 팩과 EV의 ECU를 연결하는 다리 역할을합니다. BMS에 의해 수집 된 모든 정보는 계기판 또는 대시 보드에 표시되도록 ECU로 전송되어야합니다. 따라서 BMS와 ECU는 CAN 통신이나 LIN 버스와 같은 표준 프로토콜을 통해 대부분 지속적으로 통신해야합니다. BMS 설계는 배터리 팩과 ECU 사이에 갈바닉 절연을 제공 할 수 있어야합니다.
데이터 로깅: BMS는 많은 데이터를 저장해야하기 때문에 큰 메모리 뱅크를 갖는 것이 중요합니다. Sate-of-health SOH와 같은 값은 배터리의 충전 내역을 알고있는 경우에만 계산할 수 있습니다. 따라서 BMS는 설치 일 로부터 배터리 팩의 충전주기와 충전 시간을 추적 하고 필요할 때 이러한 데이터를 중단해야합니다. 이는 또한 엔지니어를 위해 판매 후 서비스를 제공하거나 EV의 문제를 분석하는 데 도움이됩니다.
정확도: 셀이 충전 또는 방전 될 때 전압이 점차 증가하거나 감소합니다. 불행히도 리튬 배터리의 방전 곡선 (전압 대 시간)은 평평한 영역을 가지므로 전압 변화가 매우 적습니다. 이 변화는 SOC 값을 계산하거나 셀 밸런싱에 사용하기 위해 정확하게 측정되어야합니다. 잘 설계된 BMS는 ± 0.2mV의 높은 정확도를 가질 수 있지만 최소 1mV-2mV의 정확도를 가져야합니다. 일반적으로 16 비트 ADC가 프로세스에 사용됩니다.
처리 속도: EV의 BMS는 SOC, SOH 등의 값을 계산하기 위해 많은 숫자 처리를해야합니다.이를 수행하는 많은 알고리즘이 있으며 일부는 기계 학습을 사용하여 작업을 완료하기도합니다. 이것은 BMS가 배고픈 처리 장치로 만듭니다. 이 외에도 수백 개의 셀에서 셀 전압을 측정하고 미묘한 변화를 거의 즉시 확인해야합니다.
BMS의 구성 요소
시장에는 다양한 유형의 BMS가 있으며, 직접 설계하거나 쉽게 사용할 수있는 통합 IC를 구입할 수도 있습니다. 하드웨어 구조 관점에서 볼 때 토폴로지에 따라 중앙 집중식 BMS, 분산 형 BMS 및 모듈 식 BMS의 세 가지 유형의 BMS 만 있습니다. 그러나 이러한 BMS의 기능은 모두 비슷합니다. 일반적인 배터리 관리 시스템은 다음과 같습니다.
BMS 데이터 수집
위의 기능 블록을 핵심에서 분석해 보겠습니다. BMS의 주요 기능은 배터리 팩의 모든 셀에서 전압, 전류 및 온도와 같은 세 가지 중요한 매개 변수를 측정해야하는 배터리를 모니터링하는 것입니다.. 테슬라는 96 개의 셀이 직렬로 연결되고 86 개의 셀이 병렬로 연결되어 팩을 형성하는 것처럼 많은 셀을 직렬 또는 병렬 구성으로 연결하여 배터리 팩이 형성된다는 것을 알고 있습니다. 셀 세트가 직렬로 연결되면 각 셀의 전압을 측정해야하지만 직렬 회로에서 전류가 동일하기 때문에 전체 세트의 전류는 동일합니다. 유사하게 셀 세트가 병렬로 연결되면 각 셀의 전압이 병렬로 연결될 때 동일하므로 전체 전압 만 측정해야합니다. 아래 이미지는 직렬로 연결된 셀 세트를 보여줍니다. 개별 셀에 대해 측정되는 전압과 온도를 알 수 있으며 팩 전류는 전체적으로 측정됩니다.
"BMS에서 셀 전압을 측정하는 방법?"
일반적인 EV에는 많은 수의 셀이 함께 연결되어 있기 때문에 배터리 팩의 개별 셀 전압을 측정하는 것은 약간 어렵습니다. 그러나 개별 셀 전압을 아는 경우에만 셀 밸런싱을 수행하고 셀 보호를 제공 할 수 있습니다. 셀의 전압 값을 읽기 위해 ADC가 사용됩니다. 그러나 배터리가 직렬로 연결되어 있기 때문에 관련된 복잡성이 높습니다. 전압이 측정되는 단자는 매번 변경되어야 함을 의미합니다. 릴레이, mux 등을 포함하여이를 수행하는 많은 방법이 있습니다.이 외에도 직렬로 연결된 여러 셀 (12-16)의 개별 셀 전압을 측정하는 데 사용할 수있는 MAX14920과 같은 배터리 관리 IC도 있습니다.
"BMS의 셀 온도를 측정하는 방법?"
셀 온도 외에도 모든 것이 고전류에서 작동하기 때문에 BMS는 버스 온도와 모터 온도도 측정해야합니다. 온도를 측정하는 데 사용되는 가장 일반적인 요소는 NTC (Negative Temperature Co-efficient)를 나타내는 NTC입니다. 저항과 비슷하지만 주변 온도에 따라 저항을 변경 (감소)합니다. 이 장치의 전압을 측정하고 간단한 옴 법칙을 사용하여 저항과 온도를 계산할 수 있습니다.
셀 전압 및 온도 측정을위한 멀티 플렉스 아날로그 프런트 엔드 (AFE)
셀 전압 측정은 높은 정확도가 필요하기 때문에 복잡해질 수 있으며, 모든 셀이 셀 밸런싱을 위해 스위치를 통해 저항에 연결되어있는이 외에도 mux에서 스위칭 노이즈를 주입 할 수도 있습니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 AFE – 아날로그 프런트 엔드 IC가 사용됩니다. AFE에는 고정밀 Mux, 버퍼 및 ADC 모듈이 내장되어 있습니다. 공통 모드로 전압과 온도를 쉽게 측정하고 정보를 메인 마이크로 컨트롤러로 전송할 수 있습니다.
"BMS의 팩 전류를 측정하는 방법?"
EV 배터리 팩은 최대 250A 또는 높은 전류 값을 소싱 할 수 있습니다.이 외에도 팩에있는 모든 모듈의 전류를 측정하여 부하가 고르게 분산되도록해야합니다. 전류 감지 요소를 설계하는 동안 측정 장치와 감지 장치 사이에 절연을 제공해야합니다. 전류를 감지하는 데 가장 일반적으로 사용되는 방법은 션트 방법과 홀 센서 기반 방법입니다. 두 방법 모두 장단점이 있습니다. 이전의 션트 방법은 덜 정확하다고 여겨졌지만 최근에는 절연 증폭기 및 변조기를 사용하는 고정밀 션트 설계를 사용할 수 있으므로 홀 센서 기반 방법보다 선호됩니다.
배터리 상태 추정
BMS의 주요 계산 능력은 배터리 상태를 추정하는 데 전념합니다. 여기에는 SOC 및 SOH 측정이 포함됩니다. SOC는 셀 전압, 전류, 충전 프로필 및 방전 프로필을 사용하여 계산할 수 있습니다. SOH는 배터리의 충전 횟수와 성능을 사용하여 계산할 수 있습니다.
"배터리의 SOC를 측정하는 방법?"
배터리의 SOC를 측정하는 많은 알고리즘이 있으며 각각 자체 입력 값이 있습니다. SOC에 가장 일반적으로 사용되는 방법 은 Coulomb Counting (일명 장부 보관 방법) 입니다. 우리는 논의 할 것이다