리튬 배터리 팩은 유지 보수가 필요 없는 엔진과 같습니다.비엠에스밸런싱 기능이 없는 시스템은 단순히 데이터 수집기에 불과하며 관리 시스템으로 볼 수 없습니다. 능동 밸런싱과 수동 밸런싱 모두 배터리 팩 내부의 불일치를 제거하는 것을 목표로 하지만, 구현 원리는 근본적으로 다릅니다.
명확하게 설명하기 위해, 본 논문에서는 BMS가 알고리즘을 통해 시작하는 밸런싱을 능동 밸런싱이라고 정의하고, 저항을 사용하여 에너지를 소산시키는 밸런싱을 수동 밸런싱이라고 합니다. 능동 밸런싱은 에너지 전달을 수반하는 반면, 수동 밸런싱은 에너지 소산을 수반합니다.
기본 배터리 팩 설계 원칙
- 첫 번째 셀이 완전히 충전되면 충전을 멈춰야 합니다.
- 첫 번째 셀이 방전되면 방전을 종료해야 합니다.
- 약한 세포는 강한 세포보다 더 빨리 노화됩니다.
- - 가장 약한 충전량을 가진 셀은 결국 배터리 팩을 제한합니다.'사용 가능한 용량(가장 약한 링크).
- 배터리 팩 내부의 시스템 온도 구배로 인해 높은 평균 온도에서 작동하는 셀이 약해집니다.
- 밸런싱이 이루어지지 않으면, 가장 약한 셀과 가장 강한 셀 사이의 전압 차이가 충전 및 방전 사이클을 반복할 때마다 증가합니다. 결국 한 셀은 최대 전압에 도달하는 반면 다른 셀은 최소 전압에 가까워져 팩의 충전 및 방전 성능을 저해합니다.
시간이 지남에 따라 셀의 불일치가 발생하고 설치 시 온도 조건이 달라지기 때문에 셀 밸런싱이 필수적입니다.
리튬 이온 배터리는 주로 충전 불일치와 용량 불일치라는 두 가지 유형의 불일치에 직면합니다. 충전 불일치는 동일한 용량의 셀들이 충전량에 점차 차이가 생길 때 발생합니다. 용량 불일치는 초기 용량이 서로 다른 셀들을 함께 사용할 때 발생합니다. 셀들은 일반적으로 비슷한 제조 공정으로 비슷한 시기에 생산된 경우 잘 일치하지만, 출처를 알 수 없거나 제조 공정에 상당한 차이가 있는 셀에서도 불일치가 발생할 수 있습니다.
능동적 밸런싱 vs. 수동적 밸런싱
1. 목적
배터리 팩은 직렬로 연결된 여러 셀로 구성되며, 각 셀은 동일할 가능성이 낮습니다. 밸런싱은 셀 전압 편차를 예상 범위 내로 유지하여 전반적인 사용성과 제어성을 유지함으로써 손상을 방지하고 배터리 수명을 연장합니다.
2. 디자인 비교
- 수동 밸런싱: 일반적으로 저항을 사용하여 고전압 셀을 방전시켜 잉여 에너지를 열로 변환합니다. 이 방식은 다른 셀의 충전 시간을 늘리지만 효율이 낮습니다.
- 능동 밸런싱: 충전 및 방전 사이클 동안 셀 내 전하를 재분배하여 충전 시간을 단축하고 방전 시간을 연장하는 복잡한 기술입니다. 일반적으로 방전 시에는 하단 밸런싱 전략을, 충전 시에는 상단 밸런싱 전략을 사용합니다.
- 장단점 비교: 수동 밸런싱은 더 간단하고 저렴하지만, 에너지를 열로 낭비하고 밸런싱 효과가 느리기 때문에 효율성이 떨어집니다. 능동 밸런싱은 셀 간에 에너지를 전달하여 더 효율적이며, 이를 통해 전반적인 사용 효율을 향상시키고 더 빠르게 밸런싱을 달성합니다. 그러나 복잡한 구조와 높은 비용이 수반되며, 이러한 시스템을 전용 IC에 통합하는 데 어려움이 있습니다.
결론
BMS 개념은 해외에서 처음 개발되었으며, 초기 IC 설계는 전압 및 온도 감지에 중점을 두었습니다. 이후 밸런싱 개념이 도입되었는데, 처음에는 IC에 저항 방전 방식을 통합하는 방식이었습니다. 이러한 접근 방식은 현재 널리 사용되고 있으며, TI, MAXIM, LINEAR와 같은 회사에서 이러한 칩을 생산하고 있으며, 일부는 스위치 드라이버를 칩에 통합하기도 합니다.
수동 밸런싱 원리와 다이어그램을 통해 배터리 팩을 배럴에 비유하면, 셀은 막대와 같습니다. 에너지가 높은 셀은 긴 판자이고, 에너지가 낮은 셀은 짧은 판자입니다. 수동 밸런싱은 긴 판자를 "짧게" 만들 뿐이므로 에너지 낭비와 비효율을 초래합니다. 이 방법은 대용량 팩에서 상당한 열 손실과 느린 밸런싱 효과라는 한계가 있습니다.
반면, 능동 밸런싱은 "짧은 판자를 채우는" 방식으로, 고에너지 셀에서 저에너지 셀로 에너지를 전달하여 더 높은 효율과 더 빠른 밸런싱 달성을 가져옵니다. 그러나 복잡성과 비용 문제가 발생하며, 스위치 매트릭스 설계 및 드라이브 제어에 어려움이 따릅니다.
이러한 균형을 고려하면, 일관성이 좋은 셀에는 수동 밸런싱이 적합할 수 있는 반면, 불일치가 큰 셀에는 능동 밸런싱이 더 바람직합니다.
게시 시간: 2024년 8월 27일
