셀 밸런싱 기술 및 사용 방법

공칭 리튬 전지의 정격은 약 4.2V이지만 EV, 휴대용 전자 제품, 랩톱, 전원 은행 등과 같은 응용 분야에서는 공칭 전압보다 훨씬 높은 전압이 필요합니다. 이것이 설계자가 하나 이상의 셀을 직렬로 결합하여 더 높은 전압 값의 배터리 팩을 형성하는 이유입니다. 이전 전기 자동차 배터리 기사에서 알 수 있듯이 배터리를 직렬로 결합하면 전압 값이 합산됩니다. 예를 들어 4.2V의 4 개의 리튬 전지가 직렬로 연결된 경우 결과 배터리 팩의 유효 출력 전압은 16.8V가됩니다.

그러나 많은 세포를 직렬로 연결하는 것은 많은 말을 마차에 태우는 것과 같다고 상상할 수 있습니다. 모든 말이 같은 속도로 달리는 경우에만 전차가 최대 효율로 운전됩니다. 4 마리 말 중 한 마리가 느리게 달리면 다른 세 마리도 속도를 줄여 효율성을 떨어 뜨리고 한 마리가 더 빨리 달리면 결국 다른 세 마리의 짐을 당겨 스스로 다치게됩니다. 마찬가지로 4 개의 셀이 직렬로 연결된 경우 4 개의 셀 모두의 전압 값은 최대 효율로 배터리 팩을 유도하는 것과 같아야합니다. 모든 셀 전압을 동일하게 유지하는 방법을 셀 밸런싱이라고합니다. 이 기사에서는 셀 밸런싱에 대해 자세히 알아보고 하드웨어 및 소프트웨어 수준에서 셀 밸런싱을 사용하는 방법에 대해서도 간략히 설명합니다.

Cell Balancing이 필요한 이유는 무엇입니까?

셀 밸런싱 은 배터리 팩 을 형성하기 위해 직렬로 연결된 모든 개별 셀의 전압 레벨을 동일하게 유지하여 배터리 팩 의 최대 효율을 달성하는 기술입니다. 서로 다른 셀이 함께 결합되어 배터리 팩을 형성 할 때 항상 화학 및 전압 값이 동일한 지 확인합니다. 그러나 일단 팩이 설치되고 충전 및 방전되면 개별 셀의 전압 값은 나중에 논의 할 몇 가지 이유로 인해 달라지는 경향이 있습니다. 이러한 전압 레벨의 변화로 인해 셀 불균형이 발생하여 다음 문제 중 하나가 발생합니다.

열 폭주

일어날 수있는 최악의 일은 열 폭주입니다. 우리가 알고 있듯이 리튬 전지는 과충전 및 과방 전에 매우 민감합니다. 하나의 셀이 3.5V이고 다른 셀이 3.2V 인 경우 4 개의 셀 팩에서 충전은 직렬로 연결되어 있기 때문에 모든 셀을 함께 충전하고 다른 배터리는 아직 사용 중이므로 권장 전압 이상으로 3.5V 셀을 충전합니다. 충전이 필요합니다.

세포 분해

리튬 전지가 권장 값보다 약간 더 높게 과충전되면 전지의 효율성과 수명주기가 줄어 듭니다. 예를 들어 충전 전압이 4.2V에서 4.25V로 약간 증가하면 배터리 성능이 30 % 더 빨리 저하됩니다. 따라서 셀 밸런싱이 정확하지 않으면 약간의 과충전으로도 배터리 수명이 단축됩니다.

팩의 불완전한 충전

팩의 배터리가 오래됨에 따라 인접한 셀보다 약한 셀이 거의 없을 수 있습니다. 이번 주 세포는 정상적인 건강한 세포보다 빠르게 충전 및 방전되기 때문에 큰 문제가 될 것입니다. 직렬 셀로 배터리 팩을 충전하는 동안 한 셀이 최대 전압에 도달하더라도 충전 프로세스를 중지해야합니다. 이렇게하면 배터리 팩에있는 두 개의 셀이 주가되는 경우 충전 속도가 빨라지고 나머지 셀은 아래와 같이 최대로 충전되지 않습니다.

팩 에너지의 불완전한 사용

마찬가지로 배터리 팩이 방전 될 때와 마찬가지로 약한 셀은 정상 셀보다 빠르게 방전되고 다른 셀보다 더 빨리 최소 전압에 도달합니다. BMS 기사에서 배운 것처럼 하나의 셀이 최소 전압에 도달하더라도 팩은 부하에서 분리됩니다. 이것은 아래와 같이 팩 에너지의 미사용 용량으로 이어집니다.

위의 가능한 모든 단점을 고려 하여 배터리 팩을 최대 효율로 활용하려면 셀 밸런싱이 필수 라고 결론을 내릴 수 있습니다. 여전히 초기 비용이 매우 낮아야하고 배터리 교체가 문제가되지 않는 애플리케이션은 거의 없습니다. 셀 밸런싱을 피할 수 있습니다. 그러나 전기 자동차를 포함한 대부분의 애플리케이션에서 배터리 팩에서 최대의 에너지를 얻으려면 셀 밸런싱이 필수입니다.

배터리 팩에서 셀 언 밸런싱의 원인은 무엇입니까?

이제 우리는 배터리 팩에서 모든 셀의 균형을 유지하는 것이 왜 중요한지 알고 있습니다. 그러나 문제를 제대로 해결하려면 먼저 세포가 불균형 해지는 이유를 알아야합니다. 앞서 말했듯이 배터리 팩이 셀을 직렬로 배치하여 형성 될 때 모든 셀이 동일한 전압 레벨에 있는지 확인합니다. 따라서 새 배터리 팩에는 항상 균형 잡힌 셀이 있습니다. 그러나 팩을 사용함 에 따라 다음과 같은 이유로 셀의 균형이 맞지 않습니다.

SOC 불균형

셀의 SOC를 측정하는 것은 복잡합니다. 따라서 배터리에서 개별 셀의 SOC를 측정하는 것은 매우 복잡합니다. 이상적인 셀 밸런싱 기술은 동일한 전압 (OCV) 레벨 대신 동일한 SOC의 셀과 일치해야합니다. 그러나 팩을 만들 때 셀이 전압 조건에서만 일치하는 것은 사실상 불가능하기 때문에 SOC의 변화는 당연히 OCV의 변화로 이어질 수 있습니다.

내부 저항 변화

동일한 내부 저항 (IR)을 가진 셀을 찾기가 매우 어렵고 배터리 수명이 길수록 셀의 IR도 변경되므로 배터리 팩에서 모든 셀이 동일한 IR을 갖는 것은 아닙니다. 우리가 알고 있듯이 IR은 셀을 통해 흐르는 전류를 결정하는 셀의 내부 임피던스에 기여합니다. IR이 변하기 때문에 셀을 통과하는 전류와 전압도 변합니다.

온도

셀의 충전 및 방전 용량도 주변 온도에 따라 달라집니다. EV 또는 태양열 어레이와 같은 거대한 배터리 팩에서 셀은 폐기물 영역에 분산되어 있으며 팩 자체 사이에 온도 차이가있어 한 셀이 나머지 셀보다 빠르게 충전 또는 방전되어 불균형을 유발할 수 있습니다.

위의 이유에서 우리는 작동 중에 셀이 불균형 해지는 것을 막을 수 없다는 것이 분명합니다. 따라서 유일한 해결책은 세포가 균형을 잃은 후에 다시 균형을 이루도록하는 외부 시스템을 사용하는 것입니다. 이 시스템을 배터리 밸런싱 시스템이라고합니다. 배터리 셀 밸런싱에 사용되는 다양한 유형의 하드웨어 및 소프트웨어 기술이 있습니다. 유형과 널리 사용되는 기술에 대해 논의하겠습니다.

배터리 셀 밸런싱 유형

셀 밸런싱 기술은 크게 아래에 나열된 네 가지 범주로 분류 할 수 있습니다. 각 카테고리에 대해 논의하겠습니다.

패시브 셀 밸런싱
액티브 셀 밸런싱
무손실 셀 밸런싱
산화 환원 셔틀

1. 패시브 셀 밸런싱

패시브 셀 밸런싱 방법은 가장 간단한 방법입니다. 비용과 크기가 큰 제약이되는 곳에서 사용할 수 있습니다. 다음은 두 가지 유형의 수동 셀 균형 조정입니다.

차지 션팅

이 방법에서는 저항과 같은 더미 부하를 사용하여 초과 전압을 방전하고 다른 셀과 균등화합니다. 이러한 저항을 바이 패스 저항 또는 블리딩 저항이라고 합니다. 팩에 직렬로 연결된 각 셀에는 아래와 같이 스위치를 통해 연결된 자체 바이 패스 저항이 있습니다.

위의 샘플 회로는 MOSFET과 같은 스위치를 통해 각각 2 개의 바이 패스 저항에 연결된 4 개의 셀을 보여줍니다. 컨트롤러는 4 개의 셀 모두의 전압을 측정하고 다른 셀보다 전압이 높은 셀의 MOSFET을 켭니다. MOSFET이 켜지면 특정 셀이 저항을 통해 방전되기 시작합니다. 저항의 값을 알고 있기 때문에 셀에서 얼마나 많은 전하가 소멸되는지 예측할 수 있습니다. 셀과 병렬로 연결된 커패시터는 스위칭 중에 전압 스파이크를 필터링하는 데 사용됩니다.

이 방법은 전기 에너지가 저항에서 열로 소산되고 회로가 스위칭 손실을 고려하기 때문에 그다지 효율적이지 않습니다. 또 다른 단점은 전체 방전 전류 가 대부분 컨트롤러 IC에 내장 된 MOSFET 을 통해 흐르기 때문에 방전 전류를 낮은 값으로 제한해야하므로 방전 시간이 늘어난다는 것입니다. 단점을 극복하는 한 가지 방법은 아래와 같이 외부 스위치를 사용하여 방전 전류를 높이는 것입니다.

내부 P 채널 MOSFET은 컨트롤러에 의해 트리거되어 셀이 저항 R1 및 R2를 통해 방전 (I- 바이어스)됩니다. R2의 값은 방전 전류 (I- 바이어스)의 흐름으로 인해 발생하는 전압 강하가 두 번째 N- 채널 MOSFET을 트리거하기에 충분하도록 선택됩니다. 이 전압을 게이트 소스 전압 (Vgs)이라고하며 MOSFET을 바이어스하는 데 필요한 전류를 바이어스 전류 (I- 바이어스)라고합니다.

N 채널 MOSFET이 켜지면 이제 전류가 균형 저항 R-Bal을 통해 흐릅니다. 이 저항의 값은 낮을 수 있으므로 더 많은 전류가 통과하여 배터리가 더 빨리 방전됩니다. 이 전류를 드레인 전류 (I-drain)라고합니다. 이 회로에서 총 방전 전류는 드레인 전류와 바이어스 전류의 합입니다. 컨트롤러에 의해 P 채널 MOSFET이 꺼지면 바이어스 전류는 0이므로 전압 Vgs도 0이됩니다. 이렇게하면 N 채널 MOSFET이 꺼지고 배터리가 다시 이상적이됩니다.

패시브 셀 밸런싱 IC

패시브 밸런싱 기술이 효율적이지 않더라도 이러한 단순성과 저렴한 비용 때문에 더 일반적으로 사용됩니다. 하드웨어를 설계하는 대신 Linear 및 Texas Instruments와 같은 유명한 제조업체의 LTC6804 및 BQ77PL900과 같이 쉽게 사용할 수있는 IC를 거의 사용할 수 없습니다. 이러한 IC는 다중 셀을 모니터링하기 위해 캐스케이드 될 수 있으며 개발 시간과 비용을 절약합니다.

충전 제한

충전 제한 방법은 가장 비효율적 인 방법입니다. 여기서는 효율성을 포기하면서 배터리의 안전성과 수명 만 고려합니다. 이 방법에서는 개별 셀 전압이 지속적으로 모니터링됩니다.

충전 과정에서 한 셀이 완전 충전 전압에 도달하더라도 충전이 중단되고 나머지 셀은 절반 정도 남습니다. 마찬가지로 방전 중에 하나의 셀이 최소 차단 전압에 도달하더라도 배터리 팩은 팩이 다시 충전 될 때까지 부하에서 분리됩니다.

이 방법은 비효율적이지만 비용과 크기 요구 사항을 줄입니다. 따라서 배터리를 자주 충전 할 수있는 애플리케이션에 사용됩니다.

2. 액티브 셀 밸런싱

패시브 셀 밸런싱에서는 초과 전하가 사용되지 않았으므로 비효율적 인 것으로 간주됩니다. 반면 활성 밸런싱에서 한 셀의 초과 전하가 저 전하의 다른 셀로 전송되어 균등화됩니다. 이는 커패시터 및 인덕터와 같은 전하 저장 요소를 활용하여 달성됩니다. 액티브 셀 밸런싱을 수행하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 일반적으로 사용되는 방법을 논의하겠습니다.

충전 셔틀 (플라잉 커패시터)

이 방법은 커패시터를 사용하여 고전압 셀에서 저전압 셀로 전하를 전송합니다. 커패시터는 SPDT 스위치를 통해 연결됩니다. 처음에는 스위치가 커패시터를 고전압 셀에 연결하고 커패시터가 충전되면 스위치가 커패시터의 전하가 셀로 흐르는 저전압 셀에 연결합니다. 전하가 셀 사이를 이동하기 때문에이 방법을 전하 셔틀이라고합니다. 아래 그림은 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

이 커패시터는 충전기를 운반하는 저전압 셀과 고전압 셀 사이를 비행하기 때문에 플라잉 커패시터 라고합니다. 이 방법의 단점은 전하가 인접한 셀 사이에서만 이동할 수 있다는 것입니다. 또한 전하를 전달하려면 커패시터를 충전 한 다음 방전해야하므로 시간이 더 걸립니다. 또한 커패시터의 충전 및 방전 중에 에너지 손실이 발생하고 스위칭 손실도 고려해야하기 때문에 효율성이 매우 떨어집니다. 아래 이미지는 플라잉 커패시터가 배터리 팩에 연결되는 방식을 보여줍니다.

인덕 티브 컨버터 (벅 부스트 방식)

액티브 셀 밸런싱의 또 다른 방법은 인덕터와 스위칭 회로를 사용하는 것입니다. 이 방법에서 스위칭 회로는 벅 부스트 컨버터로 구성됩니다 . 고전압 셀의 전하는 인덕터로 펌핑 된 다음 벅 부스트 컨버터를 사용하여 저전압 셀로 방전됩니다. 아래 그림은 2 개의 셀과 단일 벅 부스트 컨버터 만있는 유도 컨버터를 나타냅니다.

위의 회로에서 전하는 다음과 같은 방식으로 MOSFETS sw1 및 sw2를 전환하여 셀 1에서 셀 2로 전송 될 수 있습니다. 먼저 스위치 SW1이 닫히면 셀 1에서 전하가 전류 I- 충전으로 인덕터로 흐르게됩니다. 인덕터가 완전히 충전되면 스위치 SW1이 열리고 스위치 sw2가 닫힙니다.

이제 완전히 충전 된 인덕터는 극성을 바꾸고 방전을 시작합니다. 이번에는 인덕터의 전하가 전류 I- 방전으로 셀 2로 흐릅니다. 인덕터가 완전히 방전되면 스위치 sw2가 열리고 스위치 sw1이 닫혀 프로세스를 반복합니다. 아래 파형은 명확한 그림을 얻는 데 도움이됩니다.

시간 t0 동안 스위치 sw1이 닫히고 (켜짐) 전류가 충전되어 증가하고 인덕터 양단 전압 (VL)이 증가합니다. 그런 다음 시간 t1에서 인덕터가 완전히 충전되면 스위치 sw1이 열리 (꺼짐) 인덕터가 이전 단계에서 축적 된 전하를 방전하도록합니다. 인덕터가 방전되면 극성이 바뀌므로 전압 VL은 음으로 표시됩니다. 방전시 방전 전류 (I 방전)는 최대 값에서 감소합니다. 이 모든 전류는 셀 2로 들어가 충전됩니다. 시간 t2에서 t3까지 작은 간격이 허용되고 t3에서 전체 사이클이 다시 반복됩니다.

이 방법은 또한 전하가 높은 셀에서 낮은 셀로만 전송 될 수 있다는 큰 단점을 가지고 있습니다. 또한 스위칭 손실 및 다이오드 전압 강하를 고려해야합니다. 그러나 커패시터 방법보다 빠르고 효율적입니다.

인덕 티브 컨버터 (플라이 백 기반)

논의한 바와 같이 벅 부스트 컨버터 방법은 더 높은 셀에서 더 낮은 셀로 전하를 전송할 수만 있습니다. 이 문제는 플라이 백 컨버터와 변압기를 사용하여 피할 수 있습니다. 플라이 백형 컨버터에서 권선의 1 차측은 배터리 팩에 연결되고 2 차측은 아래 그림과 같이 배터리 팩의 각 개별 셀에 연결됩니다.

우리가 알고 있듯이 배터리는 DC로 작동하며 변압기는 전압이 전환 될 때까지 효과가 없습니다. 따라서 충전 프로세스를 시작하기 위해 1 차 코일 측 Sp의 스위치가 전환됩니다. 이렇게하면 DC가 펄스 DC로 변환되고 변압기 1 차 측이 활성화됩니다.

이제 2 차측에서 각 셀에는 자체 스위치와 2 차 코일이 있습니다. 저전압 셀의 MOSFET을 전환하여 특정 코일이 변압기의 2 차 역할을하도록 만들 수 있습니다. 이런 식으로 1 차 코일의 전하가 2 차 코일로 전달됩니다. 이로 인해 전체 배터리 팩 전압이 약한 셀로 방전됩니다.

이 방법의 가장 큰 장점은 팩의 약한 셀이 팩 전압에서 쉽게 충전 될 수 있으며 특정 셀이 방전되지 않는다는 것입니다. 그러나 in에는 변압기가 포함되어 있기 때문에 큰 공간을 차지하고 회로의 복잡성이 높습니다.

3. 무손실 균형

무손실 밸런싱은 하드웨어 구성 요소를 줄이고 더 많은 소프트웨어 제어를 제공하여 손실을 줄이는 최근 개발 된 방법입니다. 이것은 또한 시스템을 더 간단하고 설계하기 쉽게 만듭니다. 이 방법은 충전 및 방전 중에 팩에서 셀을 추가하거나 제거하는 기능을 제공하는 매트릭스 스위칭 회로를 사용합니다. 8 개의 셀에 대한 간단한 매트릭스 스위칭 회로가 아래에 나와 있습니다.

충전 과정에서 고전압 셀은 스위치 배열을 사용하여 팩에서 제거됩니다. 위 그림에서 셀 5는 스위치를 사용하여 팩에서 제거됩니다. 빨간색 선 원은 열린 스위치로, 파란색 선 원은 닫힌 스위치로 간주합니다. 따라서 약한 셀의 휴지 시간은 충전 과정에서 증가하여 충전 중에 균형을 맞 춥니 다. 그러나 그에 따라 충전 전압을 조정해야합니다. 방전 중에도 동일한 기술을 따를 수 있습니다.

4. 산화 환원 셔틀

마지막 방법은 하드웨어 설계자가 아니라 화학 엔지니어를위한 것입니다. 납 축전지에서는 납 축전지가 과충전되면 가스가 발생하여 과충전되는 것을 방지하기 때문에 셀 밸런싱 문제가 없습니다. Redox 셔틀의이면에있는 아이디어는 리튬 전지의 전해질 화학을 변경하여 리튬 전지에 동일한 효과를 얻으려고 시도하는 것입니다. 이 수정 된 전해질은 전지가 과충전되는 것을 방지해야합니다.

셀 밸런싱 알고리즘

효과적인 셀 밸런싱 기술은 하드웨어를 적절한 알고리즘에 결합해야합니다. 셀 밸런싱을위한 많은 알고리즘이 있으며 하드웨어 설계에 따라 다릅니다. 그러나 유형은 두 가지 다른 섹션으로 요약 될 수 있습니다.

개방 회로 전압 (OCV) 측정

이것은 쉽고 가장 일반적으로 따르는 방법입니다. 여기서 개방 셀 전압은 각 셀에 대해 측정되며 셀 밸런싱 회로는 직렬로 연결된 모든 셀의 전압 값을 동일하게 만듭니다. OCV (개방 회로 전압)를 측정하는 것은 간단하므로이 알고리즘의 복잡성이 적습니다.

SOC (Sate of Charge) 측정

이 방법에서는 세포의 SOC가 균형을 이룹니다. 이미 알고 있듯이 셀의 SOC 측정은 SOC 값을 계산하기 위해 일정 기간 동안 셀의 전압 및 전류 값을 고려해야하기 때문에 복잡한 작업입니다. 이 알고리즘은 복잡하며 항공 우주 및 우주 산업과 같이 높은 효율성과 안전성이 요구되는 곳에서 사용됩니다.

이것으로 여기에서 기사를 마칩니다. 이제 셀 밸런싱이 하드웨어 및 소프트웨어 수준에서 구현되는 방법에 대한 간략한 아이디어를 얻었기를 바랍니다. 아이디어 나 기술이 있으면 의견 섹션에서 공유하거나 포럼을 사용하여 기술적 인 도움을 받으십시오.