셀 밸런싱이란 무엇입니까?

셀 밸런싱은 배터리 팩의 개별 셀 전체에 걸쳐 전압과 충전 상태를 동일하게 만듭니다. 이 프로세스는 일부 셀이 과충전되는 것을 방지하고 일부 셀은 과충전되는 것을 방지합니다. 그렇지 않으면 팩의 총 사용 가능한 용량이 제한되고 성능 저하가 가속화됩니다.

이 기술은 주로 다음에 적용됩니다.리튬 이온 배터리 팩셀이 직렬로 연결되는 구성. 충전 또는 방전 중에 한 셀이 전압 제한에 도달하면 다른 셀에 남은 용량이 있더라도 전체 팩의 작동이 중지되어야 합니다-.

제조 변형에 따라 용량, 임피던스 및 자체 방전율이 약간 다른 셀이 생성됩니다.{0}} 동일한 생산 배치의 셀에서도 이러한 차이가 나타납니다. 반복적인 충전-방전 주기 동안 이러한 작은 변화는 심각한 불균형을 초래합니다.

불균형 팩은 모든 주기에서 명판 용량보다 10% 적은 용량을 제공하여 사용자가 지불한 에너지를 잠그고 모든 셀의 성능 저하를 증가시킬 수 있습니다. 수학은 간단합니다. 100개의 시리즈 셀이 있는 1000kWh 시스템에서 한 셀이 90% 충전 상태에 있고 다른 셀은 100%에 도달하면 999kWh를 저장함에도 불구하고 전체 팩은 900kWh에만 액세스할 수 있습니다.

온도 변화는 문제를 더욱 악화시킵니다. 모터나 전자 장치 근처의 셀은 더 높은 온도를 경험하며, 이는 더 차가운 셀과 다르게 내부 화학을 변화시킵니다. 이러한 환경 요인은 초기 균형 조정 이후에도 지속적인 불균형을 초래합니다.

불균형 셀은 특히 LiFePO4 또는 NMC와 같은 화학 물질에서 배터리 팩 수명을 최대 30%까지 줄일 수 있습니다. 가장 약한 셀은 충전을 중지해야 하는 시기와 방전이 한계에 도달하는 시기를 결정합니다.-이 현상을 엔지니어는 '가장 약한 링크' 효과라고 부릅니다.

세 가지 주요 메커니즘은 세포의 균형을 깨뜨립니다.리튬 이온 배터리 팩:

충전 상태 차이조립 중에 셀이 충전 수준이 다르거나 자체 방전율이 달라지면 나타나게 됩니다.- 배터리 화학 연구에 따르면, 이웃 셀보다 0.1% 더 빠르게 방전되는 셀은 반복된 주기 후에 4.4% 더 낮게 드리프트됩니다.

용량 불일치두 셀 모두 동일한 에너지 저장 능력을 갖고 있지 않기 때문에 발생합니다. 제조 공정에서는 엄격한 사양 내에서도 용량 차이가 2~5%인 셀이 생성됩니다. 세포가 다른 속도로 노화됨에 따라 이러한 차이는 증가합니다.

임피던스 변화세포가 전류 흐름에 다르게 반응하게 만듭니다. 일부 셀의 내부 저항이 높으면 충전 중에 전압 한계에 더 빨리 도달하고 방전 중에 차단 전압으로 더 빨리 떨어집니다.

최대 충전 전압을 10%만 초과해도 성능 저하율은 30% 증가합니다. 전압과 성능 저하 사이의 이러한 기하급수적 관계는 정밀한 밸런싱이 장수명에 매우 중요합니다.

Cell Balancing

패시브 밸런싱은 저항기를 통해 열로 방출하여 -더 많이 충전된 셀에서 과도한 에너지를 제거합니다. 시스템은 각 셀의 전압을 모니터링하고 바이패스 저항기를 활성화하여 목표 수준 이상의 셀에서 전하를 제거합니다.

하드웨어는 간단합니다. 각 셀은 일반적으로 MOSFET인 스위치를 통해 션트 저항기에 연결됩니다. 배터리 관리 시스템이 임계값을 초과하는 셀 전압을 감지하면 해당 셀의 스위치를 닫고 전압이 동일해질 때까지 저항기를 통해 전류를 라우팅합니다.

4S~16S 리튬 팩을 위한 일반적인 패시브 셀 밸런싱 회로에서 각 셀 채널은 블리딩 저항(0.25~0.5W 정격에서 일반적으로 33Ω~68Ω), 제어 스위치 역할을 하는 N-채널 MOSFET, 모니터 IC의 게이트 드라이브 신호 등 세 가지 핵심 구성 요소로 구성됩니다. IC는 특정 셀이 팩의 기준 전압보다 높다는 것을 식별하면 MOSFET 게이트를 하이로 끌어옵니다. 그런 다음 전류는 해당 셀의 양극 단자에서 저항기를 거쳐 MOSFET 드레인-을 거쳐 소스 경로로 흐르고 셀의 음극 단자로 돌아옵니다. 에너지는 저항기에서 열로 소산되며-MOSFET의 온 저항에서는 이보다 적은 양이 소모됩니다. 이 저항은 일반적으로 이러한 회로에 사용되는 로우사이드 스위치의 경우 100mΩ 미만입니다-.

저항 값은 직접적인 절충점을 설정합니다. 저항이 낮을수록(예: 22Ω) 더 높은 블리드 전류-3.3V 셀 전압에서 약 150mA-와 더 빠른 균등화가 가능하지만 모듈 인클로저 내에서 더 많은 열이 발생합니다. 열 헤드룸이 제한된 촘촘하게 포장된 배터리 구성에서 설계자는 더 긴 밸런싱 기간을 희생하여 열 발생을 제어하기 위해 더 높은 저항 값을 선택합니다. 일부 배터리 셀 밸런싱 회로 설계에는 블리드 저항 위 또는 근처에 서미스터가 추가되어 온도 데이터를 BMS에 다시 공급하므로 로컬 온도가 너무 높아지면 밸런싱 전류를 조절할 수 있습니다. 이러한 폐쇄형-루프 열 관리는 저예산 BMS 보드에서는 일반적이지 않지만 팩이 높은 부하에서 지속적으로 작동하는 산업 등급 시스템에서는 표준입니다.

작동 매개변수: 일반적인 수동 시스템은 50-200mA 사이의 바이패스 전류를 사용합니다. 밸런싱 저항 값은 초과 전하가 얼마나 빨리 소멸되는지를 결정합니다.{4}}리튬 이온 애플리케이션의 경우 20~100Ω의 일반적인 값 범위입니다.

이 방법은 팩에 외부 전원이 있을 때 충전하는 동안 가장 잘 작동합니다. 자체 방전이 매우 낮은-리튬{1}}이온 배터리(사이클당 누적 불균형이 일반적으로 0.1% 미만)에서 내부 FET의 바이패스 전류는 팩의 지속적 균형을 유지하는 데 충분합니다.

장점: 저렴한 비용, 간단한 회로 및 높은 신뢰성으로 인해 패시브 밸런싱은 가전 제품 및 소형 배터리 팩의 표준 선택이 됩니다. 구성 요소는 주요 설계 변경 없이 기존 배터리 관리 시스템에 쉽게 통합됩니다.

수동 밸런싱은 수학이 단순성을 선호하기 때문에 48V 미만의 리튬 이온 셀 밸런싱에 대한 기본값으로 남아 있습니다. 200사이클에 걸쳐 셀이 30~50mV만큼 드리프트하는 7S 팩에서는 50mA를 소모하는 68Ω 블리드 저항이 충전 세션당 2시간 이내에 이러한 드리프트를 수정합니다. 밸런싱 이벤트당 낭비되는 에너지는 셀당 약 0.15Wh에 달하며{10}}모든 셀을 긴밀한 전압 정렬 내에서 유지하여 팩이 복구하는 5~10% 용량 이득에 비해 무시할 수 있습니다. 전동 공구, 전자{14}}자전거, 휴대용 의료 기기와 같은 애플리케이션의 경우 이 수동 셀 밸런싱 접근 방식은 블리드 오프 중 에너지 손실 비용이 능동 방법에 필요한 추가 전력 전자 장치 비용보다 훨씬 적다는 최적의 지점에 도달합니다.

제한사항: 에너지 낭비가 주요 단점입니다. 과잉 전하의 100%가 고갈된 셀로 전달되지 않고 열로 변환됩니다. 이는 전체 시스템 효율성을 감소시키고 시간이 제한되지 않는 애플리케이션에 대한 수동적 밸런싱을 제한합니다. 방전 중에 패시브 밸런싱은 에너지를 재분배하는 대신 에너지만 제거하기 때문에 작동 시간을 단축합니다.

능동 밸런싱은 전력 전자 장치를 사용하여 더 높은{0}}전압 셀에서 더 낮은{1}}전압 셀로 전하를 전송합니다. 에너지를 열로 낭비하는 대신 시스템은 이를 필요한 곳으로 이동시킵니다.

세 가지 주요 토폴로지가 전하 전송을 처리합니다.

용량성 셔틀링임시 에너지 저장 장치로 커패시터를 사용합니다. 시스템은 커패시터를 고전압 셀에 연결하고-충전한 다음 방전을 위해 저전압 셀로 전환합니다.- 이는 셀이 균등화될 때까지 반복적으로 발생합니다. 이 방법은 인접한 셀에는 잘 작동하지만 팩의 장거리에서는 비효율적입니다.

유도 밸런싱인덕터 또는 변압기를 사용하여 셀 간에 에너지를 전달합니다. DC-DC 변환기는 한 셀에서 다른 셀로 전하를 이동하는 데 필요한 전압 변환을 처리합니다. 최근 연구에 따르면 하이브리드 듀티 사이클 밸런싱 방법은 충전 중 기존 방법의 9.2시간에 비해 6.0시간 만에 균등화를 달성한 것으로 나타났습니다.

양방향 DC-DC 변환기가장 유연한 접근 방식을 제공하여 팩의 셀 간에 또는 개별 셀과 전체 팩 간에 어느 방향으로든 에너지를 전달할 수 있습니다. 이 토폴로지는 큰 전류 흐름을 처리합니다.{1}최신 시스템은 컨버터 설계에 따라 2.5~10A 밸런싱 전류를 지원합니다.

전력 기반 밸런싱 알고리즘의 상태-는 밸런싱이 없는 팩에 비해 사용 가능한 용량을 16% 향상시켰습니다. 최신 SoP 접근 방식은 전압이나 충전 상태가 아닌 실제 전력 용량을 기반으로 균형을 유지하며, 이는 용량이 서로 다른 노후된 배터리에 특히 효과적인 것으로 입증되었습니다.

성과 지표: 능동 시스템은 일반적으로 85-95%의 에너지 전달 효율을 달성합니다. 복잡성에는 더 많은 구성 요소-스위치, 인덕터, 커패시터 및 제어 회로가 포함되어 비용과 물리적 공간 요구 사항이 모두 증가합니다.

회로 구현 관점에서 볼 때 생산 BMS 보드에서 가장 널리 채택되는 능동 셀 밸런싱 회로는 스위치드-인덕터 토폴로지를 사용합니다. 인접한 셀의 각 쌍은 작은 인덕터(일반적으로 10~47μH)와 2개의 MOSFET을 공유합니다. 컨트롤러는 게이트 신호를 교대로 전환합니다. 전반부-사이클 동안 전류는 인덕터를 통해 더 높은-전압 셀에서 흘러 자기장에 에너지를 저장합니다. 두 번째 반-사이클 동안 저장된 에너지는 인접한 저전압 셀로 방출됩니다. 스위칭 주파수는 일반적으로 50~200kHz 사이로, 인덕터 크기를 작게 유지하기에 충분히 높지만 스위칭 손실을 제한할 만큼 충분히 낮습니다.

그리드 스토리지 또는 중장비용 대형 배터리 팩에서 일반적으로 사용되는 -인접하지 않은 셀-을 통한 전하 전송이 필요한 시스템의 경우 플라이백 변환기 토폴로지가 더 실용적입니다. 다중-권선 변압기를 사용하면 단일 셀이 에너지를 전체 팩 버스로 전달하거나 팩 버스가 물리적 위치에 관계없이 고갈된 셀에 전력을 공급할 수 있습니다. 이 셀-대-팩 아키텍처는 직렬로 연결된 여러 셀에 걸쳐 전하를 이동할 때 인접한-셀 방법이 겪게 되는 계단식 지연을 제거합니다. 단점은 변압기 크기와 비용입니다. 각 셀 탭에는 자체 2차 권선이 필요하고 변압기 코어는 포화 없이 피크 자속을 처리해야 합니다. 플라이백 컨버터를 기반으로 한 능동 밸런싱 기술은 인접한- 셀 셔틀보다 속도 이점이 추가된 BOM 비용을 정당화하는 48V 이상의 애플리케이션에서 지배적입니다.

능동형 밸런싱을 사용해야 하는 경우: 전기 자동차, 그리드 저장 시스템 및 산업 장비용 대형-포맷 리튬 이온 배터리 팩더 높은 비용을 정당화하십시오. 효율성이 향상되고 밸런싱 시간이 빨라지면 팩 용량이 10kWh를 초과하거나 운영상 신속한 처리가 중요한 경우 더 나은 투자 수익을 얻을 수 있습니다.

그만큼배터리 관리 시스템 아키텍처리튬 이온 팩에서 셀 밸런싱을 담당하는 것은 단일 칩이 아니라-다층 아키텍처입니다. 대부분의 프로덕션-등급 시스템은 마스터-슬레이브 토폴로지를 따릅니다. 슬레이브 보드는 각 배터리 모듈에 직접 장착되어 전용 모니터 IC를 통해 개별 셀 전압과 온도를 측정합니다. 마스터 컨트롤러는 이 데이터를 집계하고 밸런싱 알고리즘을 실행하며 격리된 통신 버스를 통해 슬레이브에 명령을 다시 보냅니다.

구성 요소 수준에서 각 슬레이브 보드는 다중 셀 배터리 모니터 IC를 사용하여 전압을 샘플링합니다. 이 IC는 잘 설계된 시스템에서 1.5mV 미만의 총 측정 오류로 기기당 6~18개의 시리즈-연결 셀을 측정합니다.- 96-셀 EV 팩 전체에서 셀 균형을 관리하는 BMS의 경우 데이지 체인 또는 주소 지정 가능한 버스 구성을 통해 8개 이상의 모니터 IC가 함께 연결됩니다. 모니터 IC는 모든 셀 탭의 아날로그{11}-디지털 변환을 처리하는 동시에 각 채널의 밸런싱 스위치를 제어하는 게이트 신호를 구동합니다.

슬레이브 모듈과 마스터 컨트롤러 간의 통신은 일반적으로 자동차 및 산업용 애플리케이션에서는 CAN 버스를 통해 실행되고, 소형 소비자 팩에서는 I2C를 통해 실행됩니다. CAN은 모터 및 인버터 근처의 전기적으로 잡음이 많은 환경에 필요한 잡음 내성을 제공합니다. 이것이 바로 전기 자동차 셀 밸런싱을 위해 설계된 대부분의 배터리 관리 시스템이 이 프로토콜을 기본으로 사용하는 이유입니다. 마스터 컨트롤러-전용 마이크로컨트롤러 또는 DSP-는 SOC 추정 모델을 실행하고, 충전 재분배가 필요한 셀을 결정하고, 슬레이브 보드가 MOSFET 게이트 신호로 변환하는 듀티 사이클 또는 켜기/끄기 명령을 다시 보냅니다.

BMS는 균형 이상의 역할을 하기 때문에 이러한 계층적 접근 방식이 중요합니다. 과전류 보호, 과전압 차단, 부족전압 차단 및 과열 차단은 모두 동일한 모니터링 하드웨어를 공유합니다. 모니터 IC가 안전 한도를 초과하는 셀 전압을 감지하면 마스터 컨트롤러의 폴링 주기보다 훨씬 빠른 마이크로초- 내에 보호 응답을 독립적으로 트리거할 수 있습니다. 밸런싱 기능과 보호 기능은 센서 데이터를 공유하지만 서로 다른 시간 단위로 작동합니다. 즉, 보호 기능은 마이크로초 단위로 작동하는 반면 배터리 팩 밸런싱 알고리즘은 몇 분 또는 몇 시간에 걸쳐 작동합니다. 이러한 분리를 이해하면 균형 조정 루틴에서 소프트웨어 오류가 발생하더라도 BMS가 여전히 셀을 보호할 수 있는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다.

배터리 팩 밸런싱을 위해 BMS를 선택하는 엔지니어의 경우지게차, AGV, 광산용 차량 등 산업용 장비-평가해야 할 핵심 사양은 전류-대-용량 비율의 균형입니다. 100mA 패시브 밸런싱 전류는 10Ah 팩(용량의 1%)에서 잘 작동하지만 400Ah 지게차 배터리에서는 용량의 0.025%만 나타냅니다. 즉, 2% SOC 확산을 수정하는 데에도 며칠이 걸릴 수 있습니다. 연속 충전. 산업용 배터리 관리 시스템은 적절한 정격 저항과 열 관리를 통해 수동 밸런싱 전류를 500mA~1A까지 확장하거나 셀 간에 2~5A를 이동할 수 있는 능동 밸런싱 모듈을 통합하여 이 문제를 해결합니다. BMS 사양 시트에는 최대 밸런싱 전류와 동시에 밸런싱할 수 있는 셀 수를 모두 나열해야 합니다.-일부 저가의-저비용 설계에서는 병렬이 아닌 순차적으로 셀 밸런싱을 수행합니다. 즉, 균등화 시간에 불균형 셀 수를 곱합니다.

그만큼배터리 관리 시스템여러 매개변수를 기반으로 세포의 균형을 언제, 얼마나 적극적으로 조정할지 결정합니다.

전압-기반 밸런싱셀 전압 차이가 임계값(리튬 이온 화학 물질의 경우 일반적으로 10{1}}50mV)을 초과할 때 트리거됩니다. BMS는 가장 낮은 셀 전압을 식별한 다음 해당 최소값의 정의된 범위 내에서 모든 셀의 균형을 맞춥니다. 이 간단한 접근 방식은 안정적으로 작동하지만 셀 간의 용량 차이를 고려하지 않습니다.

충전 밸런싱 상태SOC 추정 알고리즘을 사용하여 최대 용량을 기준으로 각 셀의 충전 수준을 결정합니다. 이 방법은 용량 변화를 설명하므로 전압- 기반 접근 방식보다 더 정확한 것으로 입증되었습니다. BMS는 동일한 전압이 아닌 동일한 SOC 비율을 향해 균형을 유지합니다.

파워 밸런싱 상태특히 배터리 수명과 관련된 최신 접근 방식을 나타냅니다. 이 방법은 SOC 비율이나 전압 값에만 의존하지 않고 실제 충전량을 기준으로 균형을 유지하므로 용량이 다른 오래된 배터리에 적합합니다.

타이밍 문제: 외부 전원을 사용할 수 있으므로 충전 중 균형을 맞추는 것이 수동 시스템에 가장 적합합니다. 활성 시스템은 충전, 방전 또는 휴식 기간 동안 균형을 유지할 수 있습니다. 일부 고급 BMS 설계는 지속적인 밸런싱을 구현하여 팩이 작동할 때마다 셀 충전을 조정합니다.

구성 임계값: 시작 밸런싱 전압은 일반적으로 인산철리튬 셀의 경우 약 3.5V로 설정되며 이는 대략 5~10%의 충전 상태를 나타냅니다. 셀 간의 최대 전압 차이는 일반적으로 10mV를 목표로 하지만 일부 애플리케이션에서는 허용 오차를 더 엄격하게 조정하기 전에 더 빠른 벌크 밸런싱을 위해 20mV를 사용합니다.

전기 자동차는 높은 전력 수준, 넓은 온도 범위, 빈번한 충전-방전 주기로 인해 가장 까다로운 셀 밸런싱 요구 사항을 제시합니다.

일반적인 EV 배터리 팩에는 96-400개의 직렬 셀이 포함되어 있으며, 종종 24개의 병렬 연결된 셀로 구성된 모듈로 구성됩니다-. 각 모듈 내의 병렬 셀은 자연스럽게 균형을 이루지만 직렬로 연결된 모듈에는 적극적인 관리가 필요합니다.

활성 셀 밸런싱 시장은 2024년에 14억 1천만 달러에 달했으며 2033년까지 매년 18.2%씩 성장할 것으로 예상됩니다. 이러한 확장은 특히 중국, 일본, 한국이 제조 및 채택을 주도하는 아시아에서 전 세계적으로 전기 자동차 생산 규모가 확대되는 것과 직접적인 상관관계가 있습니다.

성능 요구 사항: EV 밸런싱 시스템은 100+ 셀을 처리하고 -20도에서 60도 사이의 온도 범위에서 작동하며 가속 및 회생 제동 중 빠른 전력 수요에 몇 초 내에 응답해야 합니다.

고급 밸런싱 토폴로지에 대한 실험적 검증을 통해 방전 작업 중 4-셀 시리즈 팩에 대해 약 400초 만에 SOC 수렴을 달성했습니다. 이를 96+ 셀이 포함된 생산 EV 팩으로 확장하려면 정교한 제어 알고리즘과 고효율 전력 전자 장치가 필요합니다.-

자동차 산업에서는 능동 시스템의 우수한 성능에도 불구하고 주로 수동 밸런싱을 사용합니다. 대부분의 운전 패턴에 대한 적절한 수동적 균형과 결합된 소비자 차량의 비용 민감도는 더 간단한 접근 방식을 경제적으로 매력적으로 만듭니다. 그러나 고성능 EV와 상업용 차량은 효율성 향상을 위해 점점 더 능동형 밸런싱을 채택하고 있습니다.

전기 자동차의 셀 밸런싱은 회생 제동과도 싸워야 합니다.-고정식 저장 장치에는 없는 시나리오입니다. 재생 이벤트 중에 높은 펄스 전류가 몇 분의 1초 동안 팩으로 다시 흘러 개별 임피던스에 따라 셀 전체에 걸쳐 일시적인 전압 스파이크가 생성됩니다. 전기 자동차의 BMS 처리 셀 밸런싱은 불필요한 밸런싱 작업을 유발하지 않도록 이러한 일시적인 스파이크를 실제 SOC 불균형과 구별해야 합니다. 대부분의 자동차 BMS 설계는 전압 측정에 저역 통과 필터를 적용하거나 밸런싱을 시작하기 전에 전압 델타가 여러 연속 샘플링 창에 걸쳐 지속되도록 요구함으로써 이 문제를 해결합니다. 이 필터링 논리는 복잡성을 추가하지만 시스템이 정상적인 주행 역학으로 인해 발생하는 환상의 불균형을 추적하는 것을 방지합니다.

Cell Balancing

적절한 셀 밸런싱은 여러 메커니즘을 통해 배터리 수명을 연장합니다.

개별 세포에 대한 스트레스 감소: 모든 셀이 동일한 SOC 근처에서 작동하면 단일 셀에서 반복적인 과충전 또는 완전 방전이 발생하지 않습니다. 이 균일한 처리는 전체 팩의 용량 감소를 늦춥니다.

온도관리: 균형잡힌 셀이 더욱 균일한 열분포를 만들어냅니다. 불균형 팩은 과충전된 셀이 더 많은 에너지를 소비하는 핫스팟을 생성하여 영향을 받는 부위의 노화를 가속화하는 열 구배를 생성합니다.

전압 준수: 셀을 최적의 전압 범위 내로 유지하면 과충전 중에 양극에 리튬 금속 도금이 형성되는 것을 방지하고 과방전 중에 구리가 용해되는 것을 방지할 수 있습니다-. 두 조건 모두 셀 용량을 영구적으로 감소시킵니다.

잘 일치하는-셀과 적절한 밸런싱을 갖춘 배터리 팩은 셀 밸런싱과 수명 사이에 강한 상관관계를 보여주며, 12%의 용량 불일치로 인해 18사이클 동안 가장 큰 성능 저하가 발생합니다.

성능 이상의 안전 영향:

과충전된 리튬 셀 위험열 폭주-온도가 상승하면 더 많은 열을 발생시키는 화학 반응이 일어나는 연쇄 반응입니다. 긍정적인 피드백 루프는 화재나 폭발로 이어질 수 있습니다. 셀 밸런싱은 팩의 다른 셀이 안전한 수준으로 유지되더라도 개별 셀이 위험한 과전압 상태에 도달하는 것을 방지합니다.

BMS는 동일한 모니터링 하드웨어를 공유하는 여러 독립 보호 계층과 셀 밸런싱을 통합합니다. 과전압 보호는 셀이 엄격한 상한선-일반적으로 LiFePO4의 경우 3.65V, NMC의 경우 4.25V-를 초과할 때 충전 MOSFET에 명령을 내려 밀리초 내에 충전 소스를 분리하도록 트리거합니다. 저전압 보호는 방전 중에 역으로 작동하여 셀이 2.5~2.8V 아래로 떨어지기 전에 부하 경로를 차단합니다. 과전류 및 단락 감지는 메인 버스의 션트 저항기 또는 홀 센서를 사용하여 측정된 전류를 프로그래밍된 임계값과 비교합니다.

배터리 관리 및 셀 수명을 위해 이러한 통합이 중요한 이유는 응답 시간의 계층 구조 때문입니다. 보호 기능은 심각한 위험을 해결하기 때문에 마이크로초 단위로 작동합니다. 이와 대조적으로 셀 밸런싱 기능은 점진적인 드리프트를 수정하므로 몇 분에서 몇 시간까지 작동합니다. 배터리 관리 시스템의 잘 설계된-BMS는 이 두 기능이 절대 충돌하지 않도록 보장합니다.-예를 들어 팩 온도가 열 임계값을 초과하거나 충전기가 전압 샘플링 정확도를 방해할 수 있는 펄스 전류를 제공하는 경우 밸런싱 작업을 일시 중지합니다. 빠른 보호와 느린 균등화 간의 이러한 조정은 생산용-품질 BMS를 밸런싱과 보호를 완전히 별도의 하위 시스템으로 취급하는 취미용-등급 보드와 구분하는 요소입니다.

심각한 불균형에 대한 물리적인 경고 신호로는 셀 부풀어오르기, 충전 중 발열, 사용 중 급격한 전압 강하 등이 있습니다. 이러한 증상은 안전 사고를 방지하기 위해 팩에 즉각적인 서비스 또는 교체가 필요함을 나타냅니다.

다양한 사용 사례에는 다양한 균형 접근 방식이 필요합니다.

가전제품(휴대폰, 노트북, 전동 공구): 6~8개 셀이 직렬로 연결된 24V 미만 팩의 경우 수동 밸런싱으로 충분합니다. 저렴한 비용은 애플리케이션의 가격 민감도와 일치하며 충전 기간은 수동 시스템이 셀을 균등화하는 데 적절한 시간을 제공합니다.

전기자동차: 능동 밸런싱은 수백 개의 직렬 셀이 포함된 400V 이상의 팩에서{0}}비용 효율적입니다. 더 빠른 밸런싱과 더 높은 효율성은 추가적인 전자 장치 복잡성을 정당화합니다.

그리드 에너지 저장: 메가와트-시간의 에너지를 저장하는 대용량 배터리 시스템에는 정교한 능동 밸런싱이 필요합니다. 배터리 셀 밸런싱 시스템 시장은 2024년에 18억 2천만 달러에 달했으며 주로 유틸리티 규모의 스토리지 배포에 힘입어 2033년까지 18.7% 성장할 것으로 예상됩니다.

항공우주 및 의료기기: 이러한 애플리케이션은 가장 높은 신뢰성을 요구하며 비용에 관계없이 능동 밸런싱을 지정하는 경우가 많습니다. 항공기 또는 생명 유지 장비의 배터리 고장으로 인한 결과는{1}}프리미엄 솔루션을 정당화합니다.

엔지니어가 균형 목표를 설정하는 방법에는 두 가지 철학이 있습니다.

탑 밸런싱완전히 충전되면 셀을 균등화하여 모든 셀이 동시에 100% SOC에 도달하도록 보장합니다. 이 접근 방식은 각 방전 주기 동안 사용 가능한 용량을 최대화합니다. 전기-자전거 및 태양열 저장 시스템은 사용자가 과방전 방지보다 전체 용량 가용성을 선호하기 때문에 종종 상단 밸런싱을 사용합니다.

하단 밸런싱낮은 충전 상태에서 셀을 균등화하여 모든 셀이 동시에 비어 있도록 합니다. 이 전략은 과방전 손상에 대한 더 나은 보호 기능을 제공하며 심한 방전보다는 얕은 주기가 빈번한 애플리케이션에 적합합니다.

선택은 사용 패턴과 우선순위에 따라 달라집니다. 용량을 강조하는 애플리케이션(예: 주행 거리가 불안한 전기 자동차)은 최고의 균형을 선호합니다. 수명과 안전성을 우선시하는 애플리케이션(예: 백업 전원 시스템)은 하단 밸런싱을 선택하는 경우가 많습니다.

일부 고급 시스템은 용량과 수명을 모두 최적화하기 위해 가득 찬 상태와 비어 있는 상태 모두에서 균형을 맞추는 하이브리드 접근 방식을 구현합니다.

"전하 밸런싱"이라는 용어는 때때로 셀 밸런싱과 같은 의미로 나타나지만 엔지니어링 실무에서는 더 좁은 의미를 갖습니다. 충전 밸런싱은 구체적으로 충전 단계 동안 셀 전체에서 쿨롱 함량-실제 저장된 암페어-시간-을 균등화하는 것을 의미합니다. 전하 밸런싱을 수행하는 BMS는 전압 판독값과 함께 쿨롱 카운팅 데이터를 모니터링하여 어떤 셀이 이웃 셀보다 적은 전하를 수용했는지 확인한 다음 그에 따라 바이패스 또는 전송 전류를 조정합니다. 이는 특히 LiFePO4 화학에서 셀이 방전 곡선의 평평한 부분에 있을 때 실제 용량 차이를 가릴 수 있는 전압- 기반 균등화와는 다릅니다.

배터리 컨텍스트의 로드 밸런싱은 다른 문제를 해결합니다. 여러 인버터 또는 모터 컨트롤러에 전원을 공급하는 병렬 셀 그룹이 있는 팩에서 로드 밸런싱은 단일 분기가 방전 전류의 불균형한 몫을 전달하지 않도록 보장합니다. 병렬 스트링 전반에 걸쳐 고르지 않은 전류 분포는 오버로드된 분기의 노후화를 가속화하고 더 가벼운-부하 분기의 용량 활용도를 저하시킵니다. BMS는 각 병렬 경로의 전류{4}}감지 저항기 또는 홀-효과 센서를 통해 이를 처리하고 접촉기 또는 전자 스위치를 조정하여 부하를 재분배합니다. 고전력 배터리 팩의 로드 밸런싱은 개별 셀 수준이 아닌 스트링 수준에서 작동하지만 셀-레벨 충전 밸런싱을 보완하여 전체 팩 활용도를 극대화합니다. 두 기능 모두 동일한 배터리 관리 시스템 내에서 공존하며 센서 인프라를 공유하지만 독립적인 제어 루프를 실행합니다.

2024~2025년에 발표된 연구는 몇 가지 새로운 방향을 보여줍니다.

기계 학습 통합: 최근 연구에서는 잔여 유효 수명을 예측하기 위해 능동 밸런싱과 기계 학습 모델을 결합하고 R-제곱 및 평균 오류 측정항목을 사용하여 7가지 예측 알고리즘을 평가합니다. 이러한 통합을 통해 예측된 셀 노화 패턴을 기반으로 사전 균형 조정을 수행할 수 있습니다.

부품 설계 감소: 감소된 스위치 수를 사용하는 새로운 인덕터-기반 밸런싱 회로는 OPAL-RT 5700 시스템에서 실시간-하드웨어-인-루프 시뮬레이션을 통해 효율성을 보여줍니다. 이러한 단순화된 토폴로지는 성능을 유지하면서 비용을 절감합니다.

AI{0}}기반 배터리 관리 시스템: 향후 개발은 무선 모니터링을 위한 실시간 데이터를 사용하여 배터리 상태, SOC 및 오류 감지에 대한 정확한 통찰력을 제공하는 시스템에 중점을 둡니다.{0} 목표는 효율적인 에너지 사용을 보장하면서 가동 중지 시간을 최소화하는 것입니다.

전력 알고리즘의-상태-: 전압 및 SOC{0}} 기반 접근 방식을 뛰어넘어 최신 알고리즘은 각 셀의 전력 전달 기능을 고려합니다. 이는 배터리 수명과 셀 특성이 원래 사양과 다르기 때문에 특히 유용하다는 것이 입증되었습니다.

글로벌 셀 밸런싱 IC 시장은 2024년에 13억 2천만 달러에 도달했으며, 연평균 복합 성장률 7.4%로 2033년까지 25억 1천만 달러로 성장할 것으로 예상됩니다. 이러한 시장 확장은 모든 애플리케이션 부문에 걸쳐 밸런싱 솔루션이 점점 더 정교해지고 있음을 반영합니다.

배터리 팩을 설계하는 엔지니어는 여러 요소의 균형을 맞춰야 합니다.

설계 장단점을 살펴보기 전에 충전 주기 동안 배터리 팩의 밸런싱 셀이 실제로 어떻게 전개되는지 추적하는 데 도움이 됩니다. 정전류 충전이 종료되는 16S LiFePO4 팩을 생각해 보세요.- 셀이 3.55V에 가까워지면 각 슬레이브 보드의 BMS 모니터 IC는 100~250ms마다 16개의 셀 탭을 모두 샘플링합니다. 단일 셀이 시작{10}}균형 임계값-종종 인산철의 경우 3.50V로 설정되는 값을 초과하면 BMS는 팩에 '균형 모드'로 플래그를 지정합니다. 이는 스트링에서 가장 낮은 셀 전압을 식별한 다음 전압이 구성된 델타(일반적으로 10~20mV) 이상으로 가장 낮은 전압을 초과하는 모든 셀에서 바이패스 MOSFET을 활성화합니다.

이 시점부터 균형 조정 알고리즘은 규제-및-정착 루프에 들어갑니다. BMS는 설정된 간격(보통 30~60초) 동안 바이패스 스위치를 닫힌 상태로 유지한 다음 모든 스위치를 열고 셀 전압이 제로 전류 조건에서 안정될 때까지 몇 초간 기다립니다.- 이는-샘플링을 다시 수행하고 스프레드를 다시 계산하며 여전히 대상 창 밖에 있는 셀에 대해서만 스위치를 다시 활성화합니다. 이러한 간헐적인 접근 방식은 과도한-교정을 방지하고 부하가 걸린 셀 전압이 진정한 개방 회로 평형을 나타내지 않는다는 사실을 설명합니다.- 이 주기는 팩이 정의된 허용 오차 내에 수렴될 때까지-가끔 여러 번의 완전 충전 세션에 걸쳐-반복됩니다. 초기 확산이 50mV이고 수동 밸런싱 전류가 100mA인 16셀 팩의 경우 10mV 수렴에 도달하는 데 셀 용량과 온도에 따라 4~8시간이 걸릴 수 있습니다.

전류와 속도의 균형: 밸런싱 전류가 높을수록 셀을 더 빠르게 균등화하지만 더 많은 열을 발생시키고 더 견고한 구성 요소가 필요합니다. 일반적인 사양 범위는 소형 수동 시스템의 경우 50mA부터 대규모 능동 시스템의 경우 10A까지입니다.

구성 요소 선택: 패시브 밸런싱을 위한 MOSFET에는 적절한 정격 전류와 낮은 온저항이 필요합니다.- 능동 밸런싱에서는 크기 및 비용 제약을 관리하면서 목표 효율 수준을 달성하기 위해 신중한 인덕터 및 커패시터 선택이 필요합니다.

열 관리: 수동적 밸런싱도 주변 셀에 영향을 주지 않고 소멸되어야 하는 열을 생성합니다. 능동형 시스템은 셀당 더 적은 열을 생성하지만 전용 냉각이 필요한 전력 전자 장치에 집중합니다.

BMS 통합: 밸런싱 하드웨어는 전체 배터리 관리 시스템과 통신하여 제어 명령을 수신하는 동안 전압 및 온도 데이터를 공유해야 합니다. CAN 버스와 같은 표준 프로토콜은 이러한 통합을 용이하게 합니다.

여러 지표가 밸런싱 시스템 성능을 평가합니다.

밸런싱 시간: 모든 셀을 목표 전압 또는 SOC 범위 내에 두는 데 걸리는 시간입니다. 패시브 시스템은 일반적으로 몇 시간이 걸리는 반면, 액티브 시스템은 불균형 심각도에 따라 몇 분에서 몇 시간 내에 결과를 얻습니다.

에너지 효율성: 재분배된 에너지의 몇 퍼센트가 손실로 소실될 때와 비교하여 낮은-충전된 셀에 도달합니다. 능동 시스템은 85-95%를 달성하고, 수동 시스템은 소멸되기 때문에 정의상 0%에 접근합니다.

용량 유지: 밸런싱 전략이 수백 사이클에 걸쳐 팩 용량을 유지합니까? 잘 설계된-시스템은 권장 작동 조건에서 500사이클 동안 5% 미만의 용량 손실을 보여줍니다.

밸런싱 중 온도 상승: 과도한 가열은 열 설계가 부적절하거나 조정이 필요한 균형 매개변수가 지나치게 공격적임을 나타냅니다.

테스트 프로토콜에는 종종 의도적인 불균형을 만든 다음 시스템이 다양한 온도 및 부하 조건에서 이를 얼마나 빠르고 효과적으로 수정하는지 측정하는 작업이 포함됩니다.

몇 가지 함정으로 인해 균형 효율성이 저하됩니다.

잘못된 임계값 설정: 최대 전압 차이를 너무 작게 설정하면 BMS가 진행하지 않고 계속해서 셀 사이를 전환하는 경쟁 조건이 발생합니다. 대부분의 시스템은 5mV 미만의 정밀도를 시도하는 것보다 10-20mV 임계값에서 가장 잘 작동합니다.

수동 시스템으로 방전 중 균형 유지: 부하에 전력을 공급할 수 있는 에너지를 낭비하여 배터리 용량을 낭비합니다. 수동 균형은 주로 충전 또는 휴식 기간 동안 이루어져야 합니다.

온도 영향 무시: 셀 전압은 온도에 따라 달라지며 온도 보상 없이 전압 측정을 기반으로 균형을 맞추면 오류가 발생합니다. 고품질 BMS 설계에는 온도 보정 요소가 포함되어 있습니다.

균형 조정에 대한 과도한-의존: 밸런싱은 도움이 되지만 실패한 셀이나 심각한 용량 저하와 같은 근본적인 문제를 해결하지는 않습니다. 셀 용량이 15-20% 이상 차이가 나는 경우 밸런싱만으로는 팩 성능을 복원할 수 없으므로 셀 교체가 필요합니다.

부적절한 밸런싱 사양: 소비재 제품은 비용 절감을 위해 밸런싱 기능을 소홀히 하여 용량 감소 및 조기 고장을 초래하는 경우가 있습니다. 산업 및 자동차 애플리케이션은 일반적으로 수명을 보장하기 위해 보다 강력한 밸런싱을 지정합니다.

리튬-이온 애플리케이션이 셀 밸런싱 논의를 지배하고 있지만 화학 물질마다 고유한 요구 사항이 있습니다.

리튬 철 인산염(LiFePO4) 화학 및 고유한 셀 밸런싱 요구 사항: 대부분의 충전 주기 동안 평평한 전압 곡선은 전압- 기반 밸런싱의 효율성을 떨어뜨립니다. SOC- 기반 알고리즘은 더 잘 작동하지만 LiFePO4는 다른 리튬 화학 물질에 비해 자체 방전이 더 높기 때문에 더 자주 균형을 맞춰야 합니다.

니켈 망간 코발트(NMC): 선형 방전 곡선과 명확한 전압-SOC 관계는 전압-기반 및 SOC-기반 밸런싱을 모두 효과적으로 만듭니다. 온도 민감도는 균형을 맞추는 동안 세심한 열 관리가 필요합니다.

납{0}}배터리: 이 견고한 배터리는 균형을 유지하기 위해 병렬로 연결된-저장 셀을 견딜 수 있습니다. 화학의 탄력성은 리튬-이온 배터리가 허용하는 것보다 더 간단하고 조잡한 균형 조정 방법을 가능하게 합니다.

각 화학 물질의 전압 특성, 온도 민감도 및 안전 마진에 따라 최적의 밸런싱 매개변수 및 방법이 결정됩니다.

Cell Balancing

배터리 기술이 발전함에 따라 이 분야는 계속 발전하고 있습니다.

고체-상태 배터리: 고체-리튬 배터리가 상용화되면 서로 다른 전기적 특성으로 인해 새로운 균형 조정 접근 방식이 필요할 수 있습니다. 액체 전해질이 부족하면 고장 모드와 노화 패턴이 변경됩니다.

무선 밸런싱: 연구에서는 직접적인 전기 연결 없이 셀 간 용량성 또는 유도성 전력 전달을 탐구하여 잠재적으로 팩 설계를 단순화하고 배선 복잡성을 줄입니다.

자체 균형 조정 셀-: 일부 제조업체는 기본 밸런싱 회로를 팩 수준이 아닌 개별 셀에 직접 구축하여 배터리 전체에 밸런싱 기능을 분산시키는 방법을 조사합니다.

예측 균형: 불균형이 나타날 때 반응적 밸런싱 대신 예측 알고리즘이{0}}예상되는 사용 패턴과 노화 궤적을 기반으로 셀 요금을 사전에 조정할 수 있습니다.

이러한 개발은 에너지 저장 장치가 교통 및 그리드 인프라의 중심이 됨에 따라 신뢰성을 향상하고 비용을 절감하며 배터리 수명을 연장하는 것을 목표로 합니다.

셀이 직렬로 연결된 팩에만 밸런싱이 필요합니다. 단일{1}}셀 배터리와 병렬{2}}만 구성은 직접 연결을 통해 자연스럽게 균형을 이룹니다. 그러나 두 개 이상의 직렬 셀이 포함된 거의 모든 리튬 이온 배터리 팩 설계는 셀 수명과 특성이 다양해짐에 따라 일정 형태의 균형 조정을 통해 이점을 얻습니다.

최신 배터리 관리 시스템은 전압 차이가 임계값을 초과할 때마다 충전 주기마다 자동으로 균형을 유지합니다. 팩에는 수동 개입이 필요하지 않습니다. 최적의 수명을 위해 BMS가 10~20주기마다 완전 충전을 완료하여 셀의 균형을 완전히 맞추도록 하면 일관성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

과도한 밸런싱은 문제를 일으킬 수 있습니다. 지나치게 공격적인 수동 밸런싱은 에너지를 낭비하고 불필요한 열을 발생시킵니다. 매우 빈번한 능동 밸런싱은 구성 요소 마모를 증가시키고 전하 전송 주기로 인해 약간의 추가 노화를 생성합니다. 잘 설계된 시스템은 필요할 때만 균형을 유지하여 수정과 효율성 사이의 균형을 찾습니다.

구성 요소 오류, 잘못된 BMS 설정, 심각한 셀 성능 저하 또는 밸런싱 회로의 제조 결함으로 인해 효과적인 밸런싱이 방해될 수 있습니다. 극단적인 온도로 인해 적절한 작동이 방해될 수도 있습니다.{1}}열 스트레스를 방지하기 위해 팩 온도가 안전 한도를 초과하면 대부분의 시스템은 균형 조정을 일시 중지합니다.

셀 밸런싱은 현대 배터리 기술, 특히 전기 자동차에서 재생 가능 에너지 저장 장치에 이르는 리튬 이온 배터리 팩 응용 분야의 기본 요구 사항입니다. 단순한 수동 저항기 네트워크에서 정교한 능동 전하 재분배 시스템으로의 기술 발전은 배터리 성능과 수명에 대한 수요 증가를 반영합니다. 전 세계적으로 전기화로의 전환이 가속화됨에 따라 수천 번의 충전 주기에 걸쳐 안전하고 안정적인 작동을 보장하는 동시에 각 셀의 최대 성능을 끌어내는 밸런싱 방법의 지속적인 혁신을 기대하십시오.