리튬 배터리 팩은 유지보수가 필요 없는 엔진과 같습니다.BMS균형 유지 기능이 없으면 단순히 데이터 수집기에 불과하며 관리 시스템으로 간주할 수 없습니다. 능동형 및 수동형 균형 유지는 모두 배터리 팩 내의 불일치를 제거하는 것을 목표로 하지만, 구현 원리는 근본적으로 다릅니다.
명확성을 위해, 본 문서에서는 BMS가 알고리즘을 통해 시작하는 밸런싱을 능동 밸런싱이라고 하고, 저항을 사용하여 에너지를 소산시키는 밸런싱을 수동 밸런싱이라고 정의합니다. 능동 밸런싱은 에너지 전달을 포함하는 반면, 수동 밸런싱은 에너지 소산을 포함합니다.
기본 배터리 팩 설계 원칙
- 첫 번째 배터리 셀이 완전히 충전되면 충전을 중단해야 합니다.
- 첫 번째 전지가 방전되면 방전을 종료해야 합니다.
- 약한 세포는 강한 세포보다 더 빨리 노화됩니다.
- -전하량이 가장 약한 배터리 셀이 궁극적으로 배터리 팩의 성능을 제한하게 됩니다.'사용 가능한 용량(가장 취약한 부분).
- 배터리 팩 내부의 시스템 온도 구배로 인해 평균 온도가 높은 상태에서 작동하는 셀의 성능이 저하됩니다.
- 밸런싱이 없으면 가장 약한 셀과 가장 강한 셀 사이의 전압 차이가 충방전 주기마다 커집니다. 결국 한 셀은 최대 전압에 가까워지고 다른 셀은 최소 전압에 가까워져 배터리 팩의 충방전 성능이 저하됩니다.
시간이 지남에 따라 셀 간의 불일치가 발생하고 설치 시 다양한 온도 조건이 적용되기 때문에 셀 밸런싱은 필수적입니다.
리튬 이온 배터리는 주로 충전 불일치와 용량 불일치라는 두 가지 유형의 불일치 문제를 겪습니다. 충전 불일치는 동일한 용량의 셀이라도 충전량이 점차 차이가 날 때 발생합니다. 용량 불일치는 초기 용량이 다른 셀을 함께 사용할 때 발생합니다. 일반적으로 비슷한 시기에 유사한 제조 공정을 거쳐 생산된 셀은 서로 잘 일치하지만, 출처가 불분명하거나 제조상의 차이가 큰 셀을 사용할 경우 불일치가 발생할 수 있습니다.
능동적 균형 조정 vs. 수동적 균형 조정
1. 목적
배터리 팩은 직렬로 연결된 여러 개의 셀로 구성되며, 이 셀들은 모두 동일하지 않을 가능성이 높습니다. 밸런싱은 셀 전압 편차를 예상 범위 내로 유지하여 전반적인 사용성과 제어성을 보장하고, 결과적으로 손상을 방지하고 배터리 수명을 연장합니다.
2. 디자인 비교
- 수동 밸런싱: 일반적으로 저항을 사용하여 고전압 셀을 방전시켜 과잉 에너지를 열로 변환합니다. 이 방식은 다른 셀의 충전 시간을 늘리지만 효율은 낮습니다.
- 능동형 밸런싱: 충방전 주기 동안 셀 내부의 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 균형 조절 방식은 더 간단하고 저렴하지만, 열로 에너지를 낭비하고 균형 조절 효과가 느리게 나타나 효율성이 떨어집니다. 능동형 에너지 밸런싱은 셀 간 에너지 전달을 통해 효율성을 높이고, 전반적인 사용 효율을 개선하며, 더 빠르게 균형을 맞춥니다. 하지만, 구조가 복잡하고 비용이 많이 들며, 이러한 시스템을 전용 IC에 통합하는 데 어려움이 있습니다.
결론
BMS(빌드 관리 시스템) 개념은 원래 해외에서 개발되었으며, 초기 IC 설계는 전압 및 온도 감지에 중점을 두었습니다. 이후 밸런싱 개념이 도입되었고, 초기에는 저항 방전 방식을 IC에 통합하여 사용했습니다. 현재 TI, MAXIM, LINEAR와 같은 회사들이 이러한 칩을 생산하며 널리 보급되고 있으며, 일부 회사는 스위치 드라이버를 칩에 통합하기도 합니다.
수동 밸런싱 원리와 도표를 살펴보면, 배터리 팩을 배럴에 비유했을 때 셀은 배럴의 판자에 해당합니다. 에너지가 높은 셀은 긴 판자이고, 에너지가 낮은 셀은 짧은 판자입니다. 수동 밸런싱은 긴 판자를 "짧게" 만드는 방식으로, 에너지 손실과 비효율을 초래합니다. 이 방식은 대용량 팩에서 상당한 열 발생과 느린 밸런싱 속도 등의 한계를 가지고 있습니다.
반면 능동형 밸런싱은 "부족한 부분을 채워주는" 방식으로, 에너지가 높은 셀에서 에너지가 낮은 셀로 에너지를 전달하여 효율을 높이고 밸런싱을 더 빠르게 달성합니다. 하지만 스위치 매트릭스 설계 및 드라이브 제어에 어려움이 있어 복잡성과 비용 문제를 야기합니다.
이러한 장단점을 고려할 때, 수동적 균형 조정은 일관성이 좋은 세포에 적합할 수 있으며, 능동적 균형 조정은 편차가 큰 세포에 더 적합할 수 있습니다.
게시 시간: 2024년 8월 27일
