배터리 관리 시스템

Battery management system

그러한 안전하게 운영 area[해명 필요한]밖에서 운영까지 상태를 관찰하는 것, 보조 데이터를 계산, 그 정보 보고 그 환경을 통제하고, 인증하거나/또는 배터리 전원을 보호하고 있는 충전용 건전지(세포 또는 배터리 팩)을 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS) 있는 전자 시스템이다, 그것은 균형.[1]

배터리 관리 시스템과 외부 통신 데이터 버스를 병용한 배터리 팩이 스마트 배터리 팩이다.스마트 배터리 팩은 스마트 배터리 [citation needed]충전기로 충전해야 합니다.

기능들

4셀 LiFe용 안전 회로PO4 배터리(밸런서 포함)

모니터

BMS는 다음과 같은 다양한 항목으로 표시된 배터리 상태를 모니터링할 수 있습니다.

  • 전압: 총 전압, 개별 셀의 전압 또는 주기적인 탭 전압
  • 온도: 각 셀의 평균 온도, 냉각수 흡입 온도, 냉각수 출력 온도 또는 온도
  • 냉각수 흐름: 액체 냉각 배터리용
  • 전류: 배터리 내부 또는 외부 전류
  • 개별세포의 건전성
  • 세포균형상태

전기차 시스템: 에너지 회수

  • 또한 BMS는 회수된 에너지(즉, 회생 제동)를 배터리 팩(일반적으로 다수의 배터리 모듈로 구성되고 각각 다수의 셀로 구성됨)으로 다시 돌려 배터리 재충전을 제어합니다.

배터리 열관리 시스템은 수동 또는 능동 중 하나이며, 냉각 매체는 공기, 액체 또는 어떤 형태의 상변화 중 하나입니다.공랭은 그 단순함에서 유리하다.이러한 시스템은 주변 공기의 대류에만 의존하여 수동적일 수도 있고 공기 흐름에 팬을 사용하여 능동적일 수도 있습니다.상업적으로 혼다 인사이트와 도요타 프리우스는 모두 배터리 [2]시스템의 액티브 에어쿨링을 사용한다.공기 냉각의 가장 큰 단점은 비효율적이라는 것입니다.냉각 메커니즘을 작동시키기 위해서는 액티브한 액체 [3]냉각보다 훨씬 많은 양의 전력이 사용되어야 합니다.냉각 메커니즘의 추가 구성 요소도 BMS에 무게를 더하여 운송에 사용되는 배터리의 효율성을 저하시킵니다.

액체 냉각제는 공기보다 열 전도율이 높은 경향이 있기 때문에 공기 냉각보다 자연 냉각 잠재력이 높습니다.배터리는 냉각수에 직접 담그거나 냉각수가 배터리와 직접 접촉하지 않고 BMS를 통해 흐를 수 있습니다.간접 냉각은 냉각 채널의 길이가 늘어나기 때문에 BMS 전체에 큰 열 구배를 일으킬 수 있습니다.냉각수를 시스템을 통해 더 빠르게 펌핑하여 펌핑 속도와 열 [3]일관성 간의 균형을 유지함으로써 이 문제를 줄일 수 있습니다.

계산

또한 BMS는 다음과 [citation needed]같은 항목을 기준으로 값을 계산할 수 있습니다.

  • 전압: 최소 및 최대 셀 전압
  • 배터리의 충전 수준을 나타내는 충전 상태(SoC) 또는 방전 깊이(DoD)
  • 건전성 상태(SoH)는 배터리 잔량을 원래 용량의 %로 다양하게 정의된 측정값입니다.
  • 전력 상태(SoP), 현재 전력 사용량, 온도 및 기타 조건에 따라 정의된 시간 간격 동안 사용 가능한 전력량
  • 안전 상태(SOS)
  • 충전 전류 한계(CCL)로서의 최대 충전 전류
  • 방전 전류 한계치(DCL)로서의 최대 방전 전류
  • 마지막 충전 또는 충전 사이클 이후에 공급된 에너지 [kWh]
  • 셀의 내부 임피던스(단선 전압을 결정하기 위한)
  • 전하 [Ah]가 전달 또는 저장됨(이 기능을 쿨롱 카운터라고도 함)
  • 최초 사용 후 공급된 총 에너지
  • 최초 사용 후 총 작동 시간
  • 총 사이클 수
  • 온도 감시
  • 공기 또는 액체 냉각 배터리의 냉각수 흐름

의사소통

BMS의 중앙 컨트롤러는 셀 레벨에서 작동하는 하드웨어와 내부적으로 통신하거나 노트북이나 [clarification needed]HMI 등의 고급 하드웨어와 외부적으로 통신합니다.

고급 외부 통신은 단순하며 다음과 같은 [citation needed]여러 가지 방법을 사용합니다.

저전압 집중형 BMS는 대부분 내부 통신이 없습니다.

분산형 또는 모듈형 BMS는 로우 레벨의 내부 셀 컨트롤러(모듈러 아키텍처) 또는 컨트롤러-컨트롤러(분산 아키텍처) 통신을 사용해야 합니다.이러한 유형의 통신은 특히 고전압 시스템의 경우 어렵습니다.문제는 셀 간의 전압 변화입니다.첫 번째 셀 접지 신호는 다른 셀 접지 신호보다 수백 볼트 더 높을 수 있습니다.소프트웨어 프로토콜과는 별도로, 전압 이동 시스템을 위한 두 가지 하드웨어 통신 방법, 즉 광 절연체와 무선 통신이 있습니다.내부 통신의 또 다른 제약사항은 셀의 최대수입니다.모듈러 아키텍처의 경우 대부분의 하드웨어는 최대 255노드로 제한됩니다.고전압 시스템에서는 모든 셀의 탐색 시간이 또 다른 제한사항으로, 최소 버스 속도를 제한하고 일부 하드웨어 옵션을 상실합니다.모듈식 시스템의 비용은 셀 [5]가격과 비슷할 수 있기 때문에 중요합니다.하드웨어와 소프트웨어의 제약사항을 조합하면 내부 통신에 몇 가지 옵션이 생깁니다.

  • 격리된 시리얼 통신
  • 무선 시리얼 통신

전류로 인한 열로 인한 기존 USB 케이블의 전력 제한을 피하기 위해 휴대폰 충전기에 구현된 높은 전압 협상을 위한 통신 프로토콜이 개발되었으며, 그 중 가장 널리 사용되는 것이 퀄컴 퀵차지 및 미디어이다.Tek Pump Express.Oppo의 'VOOC' (OnePlus에서는 '대시 충전'이라고도 함)는 디바이스에서 발생하는 열을 배터리의 단자 충전 전압으로 낮추기 위해 전압 대신 전류를 증가시킵니다.단, 기존 USB 케이블과 호환되지 않으며 특수 고전류 USB에 의존합니다.따라서 두꺼운 구리 와이어가 있는 케이블.최근 USB Power Delivery 표준은 최대 240와트의 [6]장치 간에 범용 협상 프로토콜을 목표로 하고 있습니다.

보호.

BMS는 다음과 [citation needed]같이 배터리가 안전한 작동 영역 밖에서 작동하지 않도록 함으로써 배터리를 보호할 수 있습니다.

  • 충전 중 과전류
  • 방전 중 과전류
  • 충전 중 과전압, 특히 납-산 및 리튬 이온 셀에 중요
  • 방전 중 저전압
  • 과열
  • 온도가 낮은 상태에서 충전
  • 과압(NiMH 배터리)
  • 접지 고장 또는 누출 전류 감지(고전압 배터리가 차체처럼 만질 수 있는 전도성 물체에서 전기적으로 분리되는 시스템 모니터링)

BMS는 다음을 통해 배터리의 안전한 작동 영역 밖에서 작동하지 않도록 할 수 있습니다.

  • 배터리가 안전한 작동 영역 밖에서 작동할 경우 열리는 내부 스위치(릴레이 또는 모스펫 등) 포함
  • 배터리가 접속되어 있는 디바이스에, 배터리의 사용이나 충전을 줄이거나 정지하도록 요구합니다.
  • 히터, 팬, 에어컨, 액체 냉각 등의 적극적인 환경 제어
    BMS 메인 컨트롤러

부하 회로 측 배터리 연결부

또한 BMS는 프리차지 시스템을 통해 배터리를 다양한 부하에 안전하게 연결하고 과도한 돌입 전류를 제거하여 캐패시터에 부하를 가할 수 있습니다.

부하에 대한 연결은 일반적으로 컨택터라고 불리는 전자 릴레이를 통해 제어됩니다.프리차지 회로는 캐패시터가 충전될 때까지 부하와 직렬로 연결된 전원 저항기 중 하나입니다.또는 부하에 병렬로 접속된 스위치 모드 전원장치를 이용하여 배터리 전압에 가까운 수준까지 부하회로의 전압을 충전하여 배터리와 부하회로 사이의 컨택터를 폐쇄할 수 있다.BMS에는 프리차지 전에 릴레이가 이미 닫혀 있는지(예: 용접으로 인해) 확인할 수 있는 회로가 있어 돌입 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있습니다.

밸런스

분산형 배터리 관리 시스템

배터리 용량을 극대화하고 국소적인 과소 충전 또는 과다 충전을 방지하기 위해 BMS는 밸런싱을 통해 배터리를 구성하는 모든 셀이 동일한 전압 또는 충전 상태로 유지되도록 적극적으로 보장할 수 있습니다.BMS는 다음을 통해 셀의 균형을 조정할 수 있습니다.

  • 부하에 접속함으로써(패시브 레귤레이터를 통해 등) 가장 충전된 셀로부터 에너지를 낭비한다.
  • 가장 많이 충전된 셀에서 가장 적게 충전된 셀(밸런서)로의 에너지 전환
  • 충전 전류를 완전히 충전된 셀에 손상을 주지 않을 정도로 충분히 낮은 수준으로 줄이는 한편, 충전된 셀이 계속 충전될 수 있습니다(리튬 화학 셀에는 적용되지 않음).

토폴로지

케이블 데이터 전송 모듈
BMS 무선 통신

BMS 테크놀로지의 복잡성과 퍼포먼스는 다양합니다.

  • 단순한 수동 조절기는 셀 전압이 일정 수준에 도달했을 때 충전 전류를 우회하여 배터리 또는 셀 간의 균형을 달성합니다.셀 전압은 셀의 SoC를 나타내는 지표가 불충분합니다(또한
    4     LiFePO와 같은 특정 리튬 화학에서는 전혀 지표가 되지 않습니다).따라서 수동 조절기를 사용하여 셀 전압을 균일하게 하는 것은 BMS의 목표인 SoC의 균형을 유지하지 못합니다.따라서 이러한 장치는 분명히 유익하지만 효율에 큰 한계가 있습니다.
  • 액티브 레귤레이터는 필요에 따라 부하를 인텔리전트하게 온/오프하여 균형을 실현합니다.능동 조절기를 활성화하기 위한 파라미터로 셀 전압만 사용하는 경우 수동 조절기에 대해 위에서 언급한 것과 동일한 제약조건이 적용된다.
  • 또한 전체 BMS는 배터리 상태를 디스플레이에 보고하고 배터리를 보호합니다.

BMS 토폴로지는 다음 세 가지 범주로 분류됩니다.

  • 일원 관리: 1개의 컨트롤러가 다수의 와이어를 통해 배터리 셀에 접속되어 있습니다.
  • 분산형: 각 셀에 BMS 보드가 장착되며, 배터리와 컨트롤러 사이에 통신 케이블이 하나만 있습니다.
  • 모듈러형: 컨트롤러 간의 통신을 통해 각각 특정 수의 셀을 처리하는 몇 개의 컨트롤러

중앙 집중식 BMS는 가장 경제적이고 확장성이 낮으며 다수의 회선으로 인해 어려움을 겪고 있습니다.분산형 BMS는 가장 비용이 많이 들고 설치가 간편하며 가장 깨끗한 어셈블리를 제공합니다.모듈러형 BMS는 다른 두 토폴로지의 기능과 문제를 절충합니다.

모바일 애플리케이션(전기 자동차 등)과 고정 애플리케이션(서버실의 대기 UPS 등)의 BMS 요건은 공간 및 중량 제약 요건과 상당히 다르므로 하드웨어 및 소프트웨어 구현은 특정 용도에 맞게 조정해야 합니다.전기 또는 하이브리드 차량의 경우 BMS는 하위 시스템일 뿐이며 독립형 장치로 작동할 수 없습니다.적어도 충전기(또는 충전 인프라), 부하, 열 관리 및 비상 정지 서브시스템과 통신해야 합니다.따라서 양호한 차량 설계에서는 BMS가 이러한 서브시스템과 긴밀하게 통합됩니다.일부 소형 모바일 애플리케이션(의료 장비 카트, 전동 휠체어, 스쿠터 및 포크 리프트 등)에는 외부 충전 하드웨어가 있는 경우가 많지만, 온보드 BMS는 외부 충전기와 긴밀한 설계 통합을 유지해야 합니다.

다양한 배터리 밸런싱 방법이 사용되고 있으며, 그 중 일부는 충전 상태 이론을 기반으로 합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Barsukov, Yevgen; Qian, Jinrong (May 2013). Battery Power Management for Portable Devices. ISBN 9781608074914.
  2. ^ Liu, Huaqiang; Wei, Zhongbao; He, Weidong; Zhao, Jiyun (October 2017). "Thermal issues about Li-ion batteries and recent progress in battery thermal management systems: A review". Energy Conversion and Management. 150: 304–330. doi:10.1016/j.enconman.2017.08.016. ISSN 0196-8904.
  3. ^ a b Chen, Dafen; Jiang, Jiuchun; Kim, Gi-Heon; Yang, Chuanbo; Pesaran, Ahmad (February 2016). "Comparison of different cooling methods for lithium ion battery cells". Applied Thermal Engineering. 94: 846–854. doi:10.1016/j.applthermaleng.2015.10.015. ISSN 1359-4311.
  4. ^ "Kapper ledninger for å gi lengre rekkevidde til elbiler". Teknisk Ukeblad. 2016-11-19. Retrieved 2016-11-20.
  5. ^ "Different Battery Management System Topology".
  6. ^ 기사:Qualcomm Quick Charge vs OnePlus Warp Charge vs Oppo VOOC vs USB-PD – 고속 충전 테크놀로지 싸움 – TechPP, 2020년 4월 9일

외부 링크