전기 자동차 배터리 시스템 소개

전기 자동차 설계는 복잡한 개념입니다. 모든 EV의 핵심인 배터리를 살펴보세요.

전기 자동차 설계는 복잡한 개념입니다. 모든 EV의 핵심인 배터리를 살펴보세요.

모든 전기 자동차(EV)의 기본 요소는 배터리입니다. 배터리는 차량이 사용하는 모터 및 충전 시스템의 요구 사항을 충족하도록 설계되어야 합니다.

여기에는 용량을 최대화하기 위한 차량 본체 내의 효율적인 포장과 같은 물리적 제약이 포함됩니다. EV 무게에 대한 주요 기여자로서 설계자는 전력 효율성과 차량 핸들링 특성에 영향을 줄 수 있으므로 차량 내 배터리 배치도 고려해야 합니다(일반적으로 배터리가 차량 바닥 팬 아래에 배치되는 것을 흔히 볼 수 있는 이유입니다). .

다음은 EV 배터리 설계에 적용되는 일부 사양, 안전 고려 사항 및 관리 시스템에 대한 개요입니다.

EV 배터리 사양:전압 및 용량

전기 자동차 배터리는 최종 팩에서 원하는 전압과 용량을 달성하기 위해 직렬/병렬 구성으로 배열된 수백 개의 작은 개별 셀로 구성되는 경우가 많습니다. 공통 팩은 원하는 전압을 달성하기 위해 직렬로 연결된 18-30개의 병렬 셀 블록으로 구성됩니다. 예를 들어, 400V 공칭 팩에는 종종 약 96개의 시리즈 블록이 있습니다(Tesla Model 3에서와 같이).

현재 차량의 일반적인 공칭 팩 전압은 하이브리드/플러그인 하이브리드 차량의 경우 100V~200V, 전기 전용 차량의 경우 400V~800V 이상입니다. 그 이유는 더 높은 전압이 구리 케이블의 동일한 직경(및 질량)에 대해 더 적은 손실로 더 많은 전력을 전송할 수 있기 때문입니다.

개별 셀이 직렬로 연결된 EV 배터리 시스템의 예

더 높은 전압의 단점은 전체 시스템에 더 높은 정격 전압의 부품이 필요하다는 것입니다. 또한 온보드 충전기에 일부 유형의 DC-DC 부스트 컨버터를 통합하지 않고 더 낮은 전압의 DC 고속 충전 스테이션을 사용하는 기능을 방지합니다.

반면 일반적인 배터리 용량 범위는 다음과 같습니다.

<울>

하이브리드 차량: 0.5 ~ 2kWh

플러그인 하이브리드 차량: 4~20kWh

전기 자동차: 30~100kWh 이상.

EV 배터리의 안전:접촉기(및 파이로 퓨즈)

배터리는 설계와 관련하여 안전과 내부에 영구적으로 존재하는 고전압에 관한 여러 문제를 나타냅니다.

퓨즈는 출력 커넥터 앞의 배터리 팩 내부에 있으며 종종 양극과 음극 모두에 있습니다. 접촉기로 알려진 특수 고전류 밀봉 릴레이는 내부 퓨즈를 배터리 자체에 연결합니다.

일련의 Panasonic EV 릴레이/DC 접촉기(왼쪽) 및 접촉기 구조 분석. Panasonic의 이미지

접촉기는 접촉 피팅으로 인한 저항 증가를 방지하기 위해 희생 접촉과 같은 기능을 통합합니다. 또한 큰 전류가 통과하는 동안 접촉기가 의도적 또는 비의도적으로 열리는 경우 발생할 수 있는 내부 용접을 감지하기 위해 종종 보조 접촉을 통합합니다.

접촉기 코일 전원 공급 장치는 일반적으로 HVIL 또는 고전압 인터록 루프를 통과합니다. 이 루프는 시스템의 모든 고전압 구성 요소를 고전압 케이블(일반적으로 각 커넥터에 통합됨)과 함께 순환하므로 접촉기가 전원을 수신할 수 없습니다. 모든 고전압 연결부가 배터리에 단단히 꽂혀 있지 않으면 닫힙니다.

사전 충전 접촉기는 메인 접촉기보다 먼저 닫혀 작은 전류가 큰 저항기를 통해 시스템으로 흐를 수 있습니다. 이렇게 하면 시스템의 모든 대형 커패시터로 유입되는 돌입 전류가 제한되고 배터리 관리 시스템이 고전류 경로가 완료되기 전에 단락을 감지할 수 있습니다.

절연은 일반적으로 주 접촉기의 양쪽에서 지속적으로 모니터링되며 고전압 시스템의 양쪽에서 섀시로의 절연이 볼트당 500옴 미만으로 떨어지면 오류가 발생합니다.

Tesla는 또한 모델 3 및 최신 팩에 파이로 퓨즈라고 하는 새로운 안전 장치를 통합했습니다. 이 장치는 접촉기가 용접된 경우 작은 불꽃 장약으로 날려 열릴 수 있으므로 덜 견고한 접촉기를 사용할 수 있습니다. 시스템이 종료된 후 안전한 전압으로 능동적으로 방전될 수 있도록 방전 저항과 접촉기가 배터리 출력에 포함되는 경우가 있습니다.

EV 배터리 모니터링 PCB

배터리의 셀 블록을 모니터링하고 균형을 유지해야 하며 이 작업을 수행하기 위해 팩에 특수 회로 기판이 포함되어 있습니다. 각 보드의 접지 기준은 서로 및 기본 BMS(배터리 관리 시스템)와 수백 볼트 다르기 때문에 이러한 보드에는 절연된 통신 인터페이스가 포함되어야 합니다.

이 보드는 각 블록의 전압과 온도는 물론 블록 간의 상호 연결 온도를 모니터링합니다. 또한 균형 작업을 수행하기 위해 작은 그룹의 저항기가 포함되어 있습니다.

최대 전력이 팩 안팎으로 전달될 수 있도록 팩 내부의 셀 블록은 서로 몇 밀리볼트 이내로 유지되어야 합니다. 셀 제조의 자연스러운 차이로 인해 일부 블록은 다른 블록보다 약간 빠르게 충전 또는 방전됩니다. 이를 방지하기 위해 충전 중에 가장 높은 전압 블록에서 소량의 전력을 소모하여 다른 블록에 가깝게 가져오는 밸런싱이 수행됩니다.

이러한 블록 모니터링 보드는 또한 팩의 추가 안전 기능을 제공하여 팩 내의 셀 및 상호 연결 지점의 온도를 매우 정확하게 모니터링할 수 있습니다. 예를 들어 손상된 셀의 경우 심각한 손상이나 화재가 발생하기 전에 결함이 제기될 수 있음을 의미합니다.

배터리 관리 시스템(BMS)

마지막으로 일반적으로 알려진 BMS(Battery Management System)는 배터리 팩의 모든 측면을 모니터링하고 제어하는 ​​작업을 관리합니다.

전류 션트는 팩 안팎으로 전송된 총 전하를 포함하여 다양한 정보를 BMS에 보고합니다. 접촉기 전후의 전압 측정을 통해 팩 시스템 전압을 모니터링할 수 있습니다. 접촉기 제어 및 이코노마이저 회로는 접촉기 폐쇄를 관리하고 접점이 당겨진 후 코일을 통한 정적 전류를 최소화합니다.

또한 BMS는 블록 관리 보드와 지속적으로 통신하여 셀 전압과 온도를 모니터링하고 밸런싱을 제어합니다.

400V 배터리 팩에 대한 참조 설계 블록 다이어그램. 텍사스 인스트루먼트의 이미지

전체 시스템 및 커넥터 온도를 모니터링하여 느슨한 커넥터 또는 볼트로 인한 높은 저항 연결을 감지합니다.

시스템 및 팩 격리도 지속적으로 모니터링되며 잠재적으로 중복되는 기타 안전 기능을 통합할 수 있습니다. BMS는 또한 인버터, 충전기 및 기타 시스템과 통신하는 차량의 나머지 부분(종종 자동차 이더넷 또는 CAN 버스를 통해)에 통신 인터페이스를 노출합니다. 충전 및 방전 전류 제한을 계산 및 제공하고, 건강 및 충전 상태를 포장하며, 접촉기가 이상적으로 열려야 부하가 없는 상태에서 열릴 수 있도록 열려야 할 때 다른 시스템에 알립니다.

<시간 />

이것으로 전기 자동차의 핵심인 배터리 팩에 대한 탐구를 마칩니다. EV의 해부학적 구조에 대해 더 자세히 알고 싶으시면 아래 댓글로 알려주세요!