전원 배터리 시스템 균등화 관리
배터리 팩 내 개별 셀 간의 용량과 에너지 차이의 균형을 맞추고 배터리 팩의 에너지 활용률을 높이려면 충전 및 방전 과정에서 균등화 회로가 필요합니다. 균등화 과정에서 회로가 에너지를 소비하는 방식에 따라 에너지 소산 유형과 에너지 비{1}}소산 유형의 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다. 에너지 소산형은 초과 에너지를 열로 소산시키는 반면, 에너지 비{3}}소산형은 초과 에너지를 다른 배터리로 전달하거나 변환합니다.
에너지 소산-형 평형 관리
에너지 소산-형 등화 회로는 그림 8-12에 표시된 것처럼 개별 배터리 셀의 병렬 저항기를 통해 충전 전류를 분류하여 등화를 달성합니다. 이 회로 구조는 간단하며 일반적으로 충전 중에 균등화 프로세스가 완료됩니다. 그러나 낮은-용량 개별 셀의 전력을 보충할 수 없으므로 에너지 낭비가 발생하고 열 관리 시스템의 부하가 증가합니다. 에너지 소산형 전기 제품은 일반적으로 두 가지 범주로 분류됩니다.
에너지 소산-형 전기 제품은 일반적으로 두 가지 범주로 분류됩니다. 첫째, 션트 저항이 항상 각 배터리 셀에 병렬로 연결되는 정 션트 저항 균등화 충전 회로입니다. 이 방식은 높은 신뢰성과 큰 션트 저항 값이 특징이며, 고정된 션트를 통한 자체-방전으로 인한 개별 셀 전압의 차이를 줄입니다. 단점은 션트 저항기가 충전 및 방전 중에 지속적으로 전력을 소비하여 상당한 에너지 손실이 발생한다는 것입니다. 일반적으로 에너지를 즉시 보충할 수 있는 용도에 적합합니다.
둘째, 스위치로 제어되는 션트 저항기 등화 충전 회로-입니다. 여기서 션트 저항기는 스위치에 의해 제어됩니다. 충전 중 개별 배터리 전압이 차단 전압에 도달하면 균등화 장치가 과충전을 방지하고 과도한 에너지를 열로 변환합니다. 이 균등화 회로는 충전 중에 작동하며 충전 중에 더 높은 전압을 사용하는 개별 셀로 전류를 분류할 수 있습니다. 단점은 제한된 균등화 시간으로 인해 션트 중에 발생하는 많은 양의 열을 열 관리 시스템을 통해 적시에 방출해야 한다는 점이며, 이는 특히 대용량 배터리 팩에서 두드러집니다.
예를 들어, 10Ah 배터리 팩에서 100mV의 전압 차이로 인해 500mAh 이상의 용량 차이가 발생할 수 있습니다. 균등화 시간이 2시간이면 션트 전류는 250mA, 션트 저항은 약 14Ω, 발열량은 약 2Wh이다.
비-에너지 소산형 균등화 관리
비-에너지 소산 회로는 에너지 소산 회로보다 훨씬 적은 에너지를 소비하지만 회로 구조가 상대적으로 복잡합니다. 이는 에너지 변환 균등화와 에너지 전달 균등화의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
에너지 전환 균형
에너지 변환 밸런싱은 스위칭 신호를 사용하여 전체 배터리 팩에서 개별 셀의 에너지를 보충하거나 개별 셀의 에너지를 다시 전체 배터리 팩으로 변환합니다. 그림 8-13에 표시된 것처럼 개별 셀 에너지에서 전체 에너지로의 변환은 일반적으로 배터리 팩 충전 프로세스 중에 발생합니다. 이 회로는 각 개별 셀의 전압을 감지합니다. 개별 셀의 전압이 특정 값에 도달하면 밸런싱 모듈이 작동하기 시작합니다. 이는 개별 셀의 충전 전류를 전환하여 충전 전압을 낮추고, 전환된 전류는 모듈에 의해 변환되어 충전 버스로 피드백되어 밸런싱을 달성합니다. 일부 에너지 변환 밸런싱 방법은 프리휠링 인덕터를 사용하여 개별 셀에서 배터리 팩으로의 에너지 변환을 완료할 수도 있습니다.
전체 배터리 팩의 에너지를 개별 셀로 변환하는 회로는 그림 8-14에 나와 있습니다. 이 방법을 보충 균형이라고도 합니다. 충전 과정에서 메인 충전 모듈은 먼저 배터리 팩을 충전하고, 전압 감지 회로는 각 개별 셀을 모니터링합니다. 개별 셀의 전압이 너무 높으면 주 충전 회로가 차단되고 보조 밸런싱 충전 모듈이 배터리 팩 충전을 시작합니다. 최적화된 설계를 통해 밸런싱 모듈의 충전 전압은 독립적인 DC/DC 컨버터와 동축 코일 트랜스포머를 통해 각 개별 셀에 적용되며 동일한 2차 권선이 추가됩니다. 이를 통해 전압이 높은 셀은 보조 충전 회로에서 더 적은 에너지를 받고, 전압이 낮은 셀은 더 많은 에너지를 받아 균형을 이룰 수 있습니다. 이 방법의 문제점은 2차 권선의 일관성을 제어하기 어렵다는 것입니다. 권선이 동일하더라도 트랜스포머 누설 인덕턴스와 2차 권선 간 상호 인덕턴스를 고려하면 개별 셀이 동일한 충전 전압을 수신하지 못할 수 있습니다. 또한 동축 코일도 약간의 에너지 소실을 경험하며, 이 밸런싱 방법은 충전 불균형만 해결하고 방전 상태의 불균형은 해결하지 못합니다.
에너지 전달 균형
에너지 전송 밸런싱은 그림 8-15에 표시된 것처럼 인덕터 또는 커패시터와 같은 에너지 저장 요소를 활용하여 배터리 팩 내의 고용량 개별 셀에서 저용량-셀로 전하를 전송합니다. 이 회로는 커패시터를 전환하여 전하를 높은-전압에서 낮은-전압 셀로 이동시켜 균형을 이루는 방식으로 인접한 셀 간에 에너지를 전달합니다. 대안적으로, 유도 에너지 저장을 사용하여 인접한 셀 간의 양방향 에너지 전달이 달성될 수 있습니다. 이 회로는 에너지 손실이 매우 낮지만 밸런싱 중에 여러 번의 전송이 필요하므로 밸런싱 시간이 길어지고 다중-셀 배터리 팩에 적합하지 않습니다. 향상된 커패시터{10}스위칭 밸런싱 방법은 에너지 전송을 위해 최고 전압과 최저 전압 개별 셀을 선택하여 밸런싱 속도를 높일 수 있습니다. 그러나 에너지 전달 밸런싱에서 에너지 결정 및 스위칭 회로 구현은 상대적으로 어렵습니다.
위의 밸런싱 방법 외에도 세류 충전을 사용하여 충전 애플리케이션 중에 배터리 밸런싱을 달성할 수도 있습니다. 이는 가장 간단한 방법이며 외부 보조 회로가 필요하지 않습니다. 직렬-연결된 배터리 팩을 작은 전류로 지속적으로 충전하는 작업이 포함됩니다. 충전 전류는 매우 작기 때문에 과충전은 완전히 충전된 배터리에 거의 영향을 미치지 않습니다. 완전히 충전된 배터리는 더 많은 전기 에너지를 화학 에너지로 변환할 수 없으므로 초과 에너지는 열로 변환됩니다. 그러나 완전히 충전되지 않은 배터리는 완전히 충전될 때까지 계속해서 전기 에너지를 받을 수 있습니다. 이러한 방식으로 비교적 오랜 시간이 지나면 모든 배터리가 완전 충전되어 용량 균등화가 달성됩니다. 그러나 이 방법은 균등화 충전 시간이 매우 길고, 균등화를 달성하기 위해 상당한 양의 에너지를 소모한다. 더욱이 이 방법은 방전 균등화 관리에 효과적이지 않습니다.
적용상의 문제
기존 배터리 밸런싱 솔루션은 주로 배터리 팩의 전압-전압- 기반 밸런싱 방식에 따라 배터리 용량을 결정합니다. 배터리 팩 밸런싱을 달성하려면 전압 감지의 높은 정확도와 정밀도가 중요합니다. 전압 감지 회로의 누설 전류는 배터리 팩의 일관성에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 간단하고 효율적인 전압 감지 회로를 설계하는 것은 회로 균형을 맞추는 데 있어 핵심 과제입니다. 또한 전압은 배터리 용량을 측정하는 유일한 척도가 아닙니다. 연결 방식의 내부 저항과 접촉 저항도 전압 변동을 유발합니다. 따라서 밸런싱을 위해 전압에만 의존하면 과도한 밸런싱과 에너지 낭비가 발생할 수 있습니다. 극단적인 경우 초기 용량 밸런싱에도 불구하고 배터리 팩의 불균형이 발생할 수도 있습니다.
에너지 소산 회로는 구조가 간단하지만 밸런싱 저항이 전류 션트 시 에너지를 소비하고 열을 발생시켜 열 관리 문제를 일으킨다. 본질적으로 에너지 소산을 통해 개별 셀의 과도하게 높거나 낮은 단자 전압을 제한하므로 정적 밸런싱에만 적합합니다. 높은-온도 상승은 시스템 신뢰성을 감소시켜 동적 밸런싱에 적합하지 않게 만듭니다. 이 방법은 작거나 낮은-용량 배터리 팩에만 적합합니다.
에너지 전달 회로는 배터리 용량 보상 방법으로, -더 높은 용량의 배터리가 더 낮은 용량의 배터리를 보상하기 위해 일부 에너지를 제공합니다.- 실행 가능하기는 하지만 이 방법은 실제 회로의 개별 셀에 대한 전압 모니터링이 필요하기 때문에 복잡하고 부피가 크며 비용이 많이 듭니다. 또한 에너지 전달은 에너지 저장 매체를 통해 이루어지므로 에너지 소비 및 제어 문제가 발생합니다. 이 밸런싱 방법은 일반적으로 중대형 배터리 팩에 사용됩니다.
반면에 에너지 변환 회로는 스위칭 전원 공급 장치를 사용하여 에너지 변환을 달성합니다. 에너지 전달 회로에 비해 훨씬 덜 복잡하고 저렴합니다. 그러나 동축 코일의 경우 권선을 각 셀에 연결하는 와이어의 다양한 길이와 모양으로 인해 변환 비율이 달라져 각 셀의 균형이 일관되지 않아 균형 오류가 발생합니다. 또한 동축 코일 자체는 전자기 누출 및 기타 문제로 인해 에너지를 소비합니다.
