전압 모니터링이란 무엇입니까?
작년에 한 독일 고객이 창고에 있던 지게차 세 대가 갑자기 작동을 거부하자 연락을 주었습니다. 알고 보니 배터리에는 문제가 없었습니다.-BMS는 전압 판독값에서 약 40mV를 표류했고 팩이 과충전되었다고 판단했습니다. 모든 것을 잠갔습니다. 하루 종일 세 대의 기계가 작동하지 않습니다. 저기에서는 시간당 요금이 청구됩니다.
사실 꽤 전형적인 이야기다. 전압 모니터링은 BMS가 수행하는 가장 기본적인 작업처럼 들립니다. 그럼에도 불구하고 이 "기본 기능"은 거의 모든 것보다 더 많은 현장 문제를 야기합니다.
전압이 알려주는 것
배터리를 다루는 사람이라면 누구나 단자 전압이 기본적으로 셀 상태의 실시간-미러라는 것을 알고 있습니다. SOC 추정은 이에 따라 달라집니다. 과충전 및 과방전 보호는 이에 달려 있습니다. 셀 일관성 검사는 이에 따라 달라집니다. IEC 62619:2022에서는 이를 직설적으로 표현합니다. 전압은 전류나 온도보다 더 중요하므로 BMS는 셀 전압이 안전 한도에 도달하기 전이나 그 즉시 충전을 중단해야 합니다.
왜 그렇게 결정적인가? 전압이 먼저 변하기 때문입니다. 내부 저항 상승, 용량 저하, 리튬 도금 위험-이러한 현상은 온도 이상이 발생하기 몇 주 또는 몇 달 전에 전압 동작으로 나타납니다. 열 경보가 울릴 때쯤에는 상황이 이미 옆으로 흘러간 것입니다.
Toyota의 AHR10W 하이브리드 배터리 시스템은 각각 1.2V의 유용한 참조{1}} 셀을 제공하며, 시리즈는{3}}총 201.6V에 연결됩니다. ECU는 두 개의 모듈을 하나의 모니터링 장치로 취급하여 총 14개의 장치를 추적합니다. 이 그룹화를 통해 시스템은 어떤 장치에 문제 셀이 포함되어 있는지 정확히 찾아낼 수 있습니다. 산업용 팩에도 동일한 논리가 적용됩니다.-모든 단일 셀에 자체 통신 채널을 제공할 수는 없지만 최소한 모듈 수준에서 문제를 추적하려면 충분한 세분성이 필요합니다.
4가지 탐지 방법
배터리 팩 전압 감지는 네 가지 주요 접근 방식으로 정착되었습니다. 리튬 배터리 팩 공급업체와 대화하는 대부분의 구매자는 이 세부 사항에 대해 묻지 않지만 이 세부 사항은 전체 BMS의 신뢰성 기준을 설정합니다.
릴레이-및-커패시터
첫 번째는 릴레이-및-커패시터 격리 샘플링입니다. 간단한 개념: 커패시터는 셀에서 전압을 샘플링한 다음 커패시터를 측정합니다. 문제는-느린 샘플링, 낮은 정확도, 릴레이 마모 등도 분명합니다. 일부 초기 에너지 저장 프로젝트에서는 이를 사용했습니다. 지금은 대부분 구식입니다.
부동-지면
두 번째는 부유-지면 감지입니다. 윈도우 비교기는 현재 접지 전위가 A/D 변환에 적합한지 확인합니다. 그렇지 않은 경우 D/A가 이를 조정합니다. 실험실에서는 잘 테스트됩니다. 현장에서 무너집니다. 지게차, AGV-모터 구동 간섭이 너무 심합니다. 접지 전위는 그대로 유지되지 않습니다.
공통-모드
세 번째는 공통-모드 감지입니다. 하나의 기준점에 대해 측정된 모든 셀, 정밀 저항 분배기는 모든 것을 축소한 다음 빼서 개별 셀 전압을 얻습니다. 간단한 회로. 그러나 저항 오류가 쌓입니다. 8S에서는 잘 작동합니다. 그 이후에는 정확성이 의심스럽습니다. 이 스태킹 문제는 보정으로 완전히 해결할 수 없습니다.-이는 접근 방식에 포함되어 있습니다.
차동-모드
넷째는 차동-모드 감지입니다. 연산{2}}증폭기는 공통-모드 전압을 거부하고 각 셀의 차동을 직접 측정합니다. 정확도가 다른 세 가지보다 확고한 차이로 앞섰습니다. 절충-은 회로 복잡성과 비용입니다. 12S 이상의 팩은 일반적으로 여러 감지 모듈로 분할되어 각각 세그먼트를 처리하고 버스를 통해 결과를 전달합니다. 산업 작업을 수행하는 대부분의 리튬 배터리 시스템 제조업체는 이 방향으로 이동했습니다.
누설 전류 트랩
이것을 간과하기 쉽습니다.
전압 감지 회로는 셀에서 전류를 끌어옵니다. 양은-마이크로암페어에서 밀리암페어까지- 작지만 연속적입니다. 문제는 다음과 같습니다. 직렬 팩에서는 음극 단자에 더 가까운 셀이 더 많은 누설 전류를 전달합니다. 16S 팩을 가져 가세요. 양극 끝에 있는 셀 1은 자체 감지 회로의 누출만 볼 수 있습니다. 네거티브 끝에 있는 셀 16은 16개 감지 회로 모두와 BMS 컨트롤러 및 네거티브 팩을 참조하는 다른 모든 항목에서 누적 누출을 확인합니다.
수백 주기에 걸쳐 음성-말단 세포는 더 깊게 방전되고 더 빨리 노화됩니다. 일관성이 흐트러집니다. 이는 세포 품질 문제가 아닙니다. 시스템 설계 문제입니다.
수정 사항: 절대 누출을 줄이기 위해 감지 회로 입력 임피던스를 높입니다. 측정하지 않을 때 샘플링 경로를 분리하는 스위치를 추가합니다. 또는 음의 끝 위치에 대해 약간 더 높은 용량의 셀을 지정하고-비대칭을 수용합니다. LiFePO4 배터리 도매 공급업체가 이에 대한 질문에 답할 수 없다면 해당 팩은 현장에서 불균형을 가속화할 가능성이 높습니다. 공급업체를 조사할 때 좋은 필터 질문입니다.
정확도와 그것이 사양이 제안하는 것보다 더 중요한 이유
IEC 62619에 따르면 전압 보호는 셀 전압이 안전 임계값에 도달하기 전이나 도달할 때 작동해야 합니다. 마진이 있는 것 같네요. 실제로는 많지 않습니다.
LFP를 사용하세요. 약 3.65V의 완전 충전. 위험 구역은 3.70V 부근에서 시작됩니다. 그것은 50mV 창입니다. 감지 정확도가 ±30mV인 경우-저렴한 BMS 설계에서 일반적입니다.-측정 불확실성만으로도 안전 마진의 절반 이상을 차지합니다. BMS는 3.65V를 표시하며 실제 전압은 이미 3.68V일 수 있습니다. 내부적으로 ±5mV를 실행합니다. 더 나은 ADC, 더 엄격한 전압 레퍼런스, 더 신중한 PCB 레이아웃이 필요합니다. 비용이 더 많이 듭니다. 하지만 정확성이 떨어지면 무엇이 잘못되는지에 비하면 언급할 가치가 없습니다.
사례가 있었습니다. 고객의 팩은 2년 동안 작동되었으며 감지 정확도는 배송 시 ±8mV에서 ±35mV로 떨어졌습니다. 오류 코드가 없습니다-드리프트가 점진적이었습니다. 어느 날 충전 중 셀이 실제로 3.72V에 도달했는데 시스템에서는 이를 3.65V로 인식하고 계속 작동했습니다. 그 세포가 버틸 수 있었던 것은 행운이었습니다. 그렇지 않으면 그것은 사건 보고서입니다.
이런 점진적인 실패는 잘 숨겨져 있습니다. 연간 교정 점검은 최소한입니다.
균형, 온도 및 기타 모든 것
능동 또는 수동 균형 조정은 어떤 셀이 높고 낮은지 아는 경우에만 작동합니다. 잘못된 감지는 블라인드 밸런싱을 의미합니다. 패시브 밸런싱은 저항기를 통해 블리딩됩니다. 일반적인 50mA 밸런싱 전류는 하나의 셀을 0.1V 아래로 끌어내리는 데 몇 시간이 걸립니다. 전압 측정 오류가 가끔씩 방향을 바꾸면 에너지를 소모하는 동안 불균형이 더욱 악화됩니다. 산업용 리튬 배터리 공급업체를 평가할 때 균형 전략과 감지 정확도에 대해 함께 질문하세요. "활성 밸런싱 있음"은 기본 데이터가 가비지인 경우 아무 의미가 없습니다.
온도 보상은 사양서에 거의 나타나지 않는 또 다른 기능입니다. 3.30V의 동일한 셀은 25도와 0도에서 다르게 읽혀집니다. 내부 저항은 변화하고, 측정 회로 자체는 온도에 따라 변화합니다. 보상이 없으면 SOC 추정치는 계절에 따라 달라집니다. 저온-온도 충전이 더욱 까다로워집니다.--5도에서 셀은 실온의 셀처럼 작동하지 않습니다. 상호 참조 온도 없이 전압만 감시하는 BMS는 충전을 허용하지 않아야 할 때 충전을 허용하거나, 가능할 때 충전을 차단할 수 있습니다. 이에 대해서는 공급업체의 기술팀에 직접 문의해야 합니다.
실패의 모습
갑작스런 결함
전압 모니터링 문제는 몇 가지 방식으로 나타납니다. 가장 명백한 것은 갑작스러운 잘못입니다. 하나의 셀 전압은 0V 또는 전체 팩 전압을 읽습니다. 시스템이 코드를 던지고 잠깁니다. 짜증나지만 적어도 시스템은 뭔가 고장난 것을 알고 있습니다.
점진적 드리프트
더 나쁜 것은 점진적인 표류입니다. 측정된 값은 실제와 서서히 차이가 납니다. 오류 코드가 없습니다. 보호 임계값이 효과적으로 비활성화되었습니다. 누군가가 알아차리기까지 2년이 걸릴 수도 있습니다.-보통 뭔가 나쁜 일이 발생했기 때문입니다.
간헐적인 접촉
그런 다음 간헐적으로 연락 문제가 발생합니다. 진동으로 인해 감지 와이어 커넥터가 느슨해집니다. 전압 판독값이 왔다 갔다 합니다. 재현 가능한 경우도 있고 그렇지 않은 경우도 있습니다. 문제를 해결하려면 악몽이 필요합니다.
자세히 알아보려면 전압 모니터링이 심도 있게 진행되지만 핵심은 간단합니다. 이는 BMS가 수행하는 다른 모든 작업에 대한 데이터 기반입니다. 기초는 견고하지 않으며 가장 중요한 것은 아무것도 없습니다.
배터리 팩을 구입할 때 용량, 수명, 가격만 보지 마십시오. BMS 감지 정확도, 감지 아키텍처, 보정 프로토콜-이러한 내부 요소도 그만큼 중요합니다. 질문을 환영합니다. 우리는 수년에 걸쳐 의견을 가질 만큼 충분한 지뢰를 밟았습니다.
