배터리 밸런싱

Battery balancing
배터리 밸런서
DeWalt 20V Max (유럽의 18V XR) 전원 공구 배터리의 접점 C1–C4 접점은 배터리의 개별 셀에 연결되며 충전기가 배터리 밸런싱을 위해 사용한다.

배터리 밸런싱과 배터리 재분배란 다중 셀(일반적으로 직렬)로 배터리 팩의 가용 용량을 개선하고 각 셀의 수명을 늘리는 기법을 말한다.[1] 배터리 밸런서 또는 배터리 조절기는 배터리 밸런싱을 수행하는 배터리 팩의 전기 장치다.[2] 발랑카는 종종 노트북 컴퓨터, 전기 자동차용 리튬이온 배터리 팩에서 발견된다. 등

이론적 근거

배터리 팩의 개별 셀은 자연적으로 용량이 다소 다르기 때문에 충전 및 방전 주기가 진행되는 동안 다른 충전 상태(SOC)가 될 수 있다. 용량의 변화는 제조상의 분산, 조립체의 분산(예: 다른 생산과 혼합하여 운영되는 한 생산의 셀), 세포의 노화, 불순물 또는 환경 노출(예: 어떤 셀은 모터, 전자제품 등과 같은 인근 공급원의 추가 열을 받을 수 있음)에 기인하며, 파라시트의 누적 효과에 의해 악화될 수 있다.IC 부하(예: 배터리 관리 시스템(BMS)에서 흔히 발견되는 셀 모니터링 회로).

멀티 셀 팩의 밸런싱은 모든 셀의 동일한 충전 상태를 가능한 한 넓은 범위에서 다른 용량으로 가능한 한 유지함으로써 팩의 용량과 서비스 수명을 최대화하는 데 도움이 된다. 두 개 이상의 셀을 직렬로 포함하는 팩의 경우에만 밸런싱이 필요하다. 병렬 셀은 서로 직접 연결되기 때문에 자연스럽게 균형을 이루지만 직렬로 연결된 병렬 유선 셀 그룹(병렬 직렬 배선)은 셀 그룹 간에 균형을 이루어야 한다.

안전에 대한 의미

바람직하지 않고 종종 안전하지 않은 상태를 방지하기 위해 배터리 관리 시스템은 온도, 전압 및 때로는 전류와 같은 작동 특성에 대해 개별 셀의 상태를 모니터링해야 한다. 단, 셀 레벨에서 원샷 보호를 통해 셀 당 측정되는 경우가 많지만,비정상적으로 높은 전류를 주입한다(단락 또는 기타 고장 조건).

정상운전 하에서는 다른 셀이 여전히 상당한 전하를 가질 수 있더라도 셀의 충전량이 처음 소진되면 방출을 중지해야 한다. 마찬가지로 충전은 어떤 셀이 최대 안전 충전 전압에 도달하면 중지되어야 한다. 어느 하나를 하지 않으면 세포에 영구적인 손상을 입힐 수도 있고, 극단적인 경우, 셀을 역극성으로 몰고 가거나, 내부 가스가 발생하거나, 열가스가 발생하거나, 기타 치명적인 고장을 일으킬 수도 있다. 상한과 하한 컷오프가 최소한 최저 용량 셀의 상태와 일치하도록 셀이 균형을 이루지 못하면, 배터리에서 가져와서 배터리로 되돌릴 수 있는 에너지는 제한된다.

리튬 이온 충전식 배터리 셀은 가장 일반적으로 사용되는 배터리 화학 물질(예: NiMH)보다 과충전, 과열, 보관 중 부적절한 충전 수준 및 기타 형태의 과실에 더 민감하다. 그 이유는 다양한 리튬배터리 화학물질이 충전 중 매우 약간의 과전압(즉, 밀리볼트)에 의해서만 화학적 손상(예: 음극 파울링, 분자 파괴 등)에 취약하거나, 충전/배출 사이클의 이 시점에서 허용할 수 있는 것보다 많은 충전 전류에 의해 화학적 손상(예: 음극 파울링, 분자 파괴 등)에 취약하기 때문이다. 열은 이러한 불필요한 것들을 가속화하지만, 지금까지는 피할 수 없는 화학 반응과 충전 중의 과열은 그러한 영향을 증폭시킨다.

리튬화학은 종종 유연한 막 구조를 허용하기 때문에, 리튬 전지는 유연하지만 밀봉된 봉지에 배치될 수 있으며, 이것은 배터리 팩 내의 더 높은 포장 밀도를 허용한다. 리튬 셀을 잘못 취급할 경우, 분해 제품 중 일부(보통 전해질 화학 물질 또는 첨가제)가 가스를 초과한다. 그러한 세포들은 '퍼피'하게 될 것이고, 실패의 길을 매우 많이 가고 있다. 밀봉된 리튬 이온 원통형 배터리의 경우, 동일한 초과 가스가 오히려 큰 압력을 유발했다(800 psi가 보고되었다[citation needed]). 이러한 셀은 압력 완화 메커니즘을 제공하지 않으면 폭발할 수 있다. 위험성을 더욱 악화시키는 것은 많은 리튬 세포 화학 물질들이 탄화수소 화학[citation needed] 물질(일반적으로 독점적인 것의 정확한 성질)을 포함하고 있으며, 이러한 화학 물질들은 인화성이 있다는 것이다. 따라서 세포 과실치료가 폭발을 일으킬 수 있는 위험성에 더해 단순 비폭발성 누출로 화재가 발생할 수 있다.

대부분의 배터리 화학자들은 덜 극적이고 덜 위험한 고장 모드를 가지고 있다. 대부분의 배터리의 화학 물질은 어느 정도 독성이 있지만 폭발성이나 인화성이[citation needed] 있는 경우는 드물다. 많은 화학 물질은 부식성이 있기 때문에 배터리가 누출되어 장비가 손상될 수 있으므로 장기간 장비 내부에 배터리를 방치하지 않도록 하는 조언을 설명한다. 납산 배터리는 충전 시 수소 가스를 발생시켜 점화원(예: 담뱃불)에 노출되면 폭발할 수 있으며, 이러한 폭발로 황산이 사방으로 분사된다. 이것은 부식성이 있고 잠재적으로 맹목적이기 때문에, 이것은 특별한 위험이다.

기술

배터리 팩의 다양한 충전 상태. 5번 셀은 용량이 더 낮다. 셀 5는 자체 방전율이 높다.

밸런싱은 능동적이거나 수동적일 수 있다.[3] 배터리 조절기라는 용어는 일반적으로 수동적 균형을 수행하는 장치만을 가리킨다.

전체 BMS에는 배터리 팩의 수명을 최대화하기 위한 온도 모니터링, 충전 및 기타 기능뿐만 아니라 활성 밸런싱이 포함될 수 있다.[4]

배터리 밸런싱은 DC-DC 컨버터에 의해 3가지 토폴로지 중 하나로 수행될 수 있다.

  • 셀-배터리
  • 배터리 대 셀
  • 양방향

일반적으로 각 DC-DC 컨버터에 의해 처리되는 전력은 배터리 팩 전체에 의해 처리되는 전력보다 몇 배나 더 낮다.

패시브 밸런싱

수동 밸런싱에서 에너지는 가장 충전된 셀로부터 끌어내어 열로 방출되며, 보통 저항을 통해 방출된다.

패시브 밸런싱은 어떤 고정점에서 충전 상태를 균등하게 한다. 즉, 보통 모든 셀이 동시에 100% SOC에 도달하는 "상위 균형" 또는 모든 셀이 동시에 최소 SOC에 도달하는 "하위 균형"이다. 이는 충전 상태가 더 높은 셀(예: 저항기나 트랜지스터를 통해 제어되는 단락)에서 에너지를 블리딩하거나 충전 주기 동안 셀과 병렬로 경로를 통해 에너지를 우회하여 (일반적으로 조절되는 상수) 전류가 셀에 의해 덜 소비되도록 함으로써 달성될 수 있다. 패시브 밸런싱은 본질적으로 낭비적이며, 셀 간 충전 상태를 균등화하기 위해 팩의 에너지 중 일부를 열로 소비한다. 폐열의 축적은 또한 균형이 발생할 수 있는 속도를 제한할 수 있다.

액티브 밸런싱

활성 밸런싱에서 에너지는 가장 많이 충전된 셀에서 끌어와 캐패시터 기반, 인덕터 기반 또는 DC-DC 컨버터를 통해 가장 적게 충전된 셀로 전달된다.[5]

능동 균형은 에너지를 완전 충전된 세포에서 낮은 충전 상태를 가진 세포로 재분배하려고 시도한다. 저장 콘덴서를 셀과 회로 내 전환한 다음 콘덴서를 분리하여 낮은 SOC가 있는 셀에 다시 연결하거나 전체 팩에 연결된 DC-DC 컨버터를 통해 에너지를 더 높은 SOC의 셀에서 블리딩할 수 있다. 비효율성 때문에 일부 에너지는 여전히 열로 낭비되지만 같은 정도는 아니다. 분명한 이점에도 불구하고, 활성 균형 토폴로지의 추가 비용 및 복잡성은 상당할 수 있으며, 애플리케이션에 따라 항상 타당하지 않다.

EAPC 배터리 팩에 사용되는 또 다른 변종은 때때로 각 노드에 저항기와 다이오드가 직렬로 연결된 멀티핀 커넥터를 사용한다: 낙하물이 알려진 것처럼 충전기는 적절한 방전 전류를 적용하거나 모든 셀이 동일한 부하 단자 전압을 읽을 때까지 약한 셀을 충전한다. 이는 팩 중량을 약간 줄이고 기생충 추첨을 낮출 뿐 아니라 멀티 포인트 밸런싱이 가능하다는 장점이 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00231a.pdf
  2. ^ 디지털 인터페이스로 전압 제어식 바이패스 레귤레이터. Manzanitamicro.com (2006-02-22) 2013-04-27에 검색됨.
  3. ^ Wen, Sihua (September 2009). "Cell balancing buys extra run time and battery life" (PDF). Analog Applications Journal: 14.
  4. ^ 배터리 관리 및 모니터링 시스템 BMS. Mpoweruk.com. 2013-04-27에 검색됨.
  5. ^ Diao, Weiping; et al. (July 2017). "Active battery cell equalization based on residual available energy maximization". Applied Energy. 210: 9. doi:10.1016/j.apenergy.2017.07.137.

추가 읽기

특허