무선 BMS는 전선을 없애고 각 배터리 셀에 지능을 추가합니다.

특히 전기 자동차에서 전기화로의 전환은 배터리 모니터링이 안전 및 수명 성능에 매우 중요하다는 것을 의미합니다. 영국에 본사를 둔 Dukosi는 배터리 관리 시스템(BMS) 시장을 혼란에 빠뜨리기 위해 모든 배터리 셀에 칩과 임베디드 소프트웨어를 넣어 대량의 배선 장치를 제거하고 배터리 자체에 지능을 부여하는 무선 BMS를 개발했습니다.

우리는 Dukosi의 설립자이자 CTO인 Joel Sylvester와 이 회사의 솔루션이 이미 시장에 나와 있는 무선 BMS 솔루션과 어떻게 다른지, 그리고 이것이 배터리 산업에 어떤 의미가 있는지 설명했습니다.

그는 “우리가 개발한 것은 전기 자동차, 전기 버스, 해양 애플리케이션, 그리드 에너지 저장 애플리케이션에서 볼 수 있는 매우 큰 고전압 리튬 이온 배터리 팩에 사용하기 위한 셀 모니터링 장치입니다. 기본적으로 요즘에는 대용량 배터리 팩이 필요한 모든 것이 리튬 이온 화학으로 이동하거나 리튬 이온 화학으로 이동하고 있으며 이러한 셀을 매우 면밀히 모니터링해야 합니다. 그들에게는 많은 에너지가 있습니다. 팩을 안전하게 유지하고 가능한 한 오래 사용할 수 있도록 하려면 셀 전압이 얼마인지, 온도가 얼마인지 등에 매우 세심한 주의를 기울여야 합니다.”

"우리가 개발한 것은 개별 리튬 이온 전지의 전압, 전류, 온도 및 기타 여러 가지 특성을 모니터링할 수 있는 실리콘 칩과 소프트웨어입니다."

그렇다면 Dukosi는 어떻게 파괴적입니까? 그는 "파괴적인 것은 칩을 세포에 넣을 때입니다. 이제 모든 크기, 모양, 구성의 배터리 팩으로 구성할 수 있는 지능형 셀이 생겼습니다. 동일한 인텔리전트 셀에서 동일한 셀을 사용하여 여러 배터리 제품을 만들 수 있습니다. 이는 배터리 업계가 배터리를 모니터링하고 관리하는 방식에 접근하는 방식을 변화시키기 때문에 더 파괴적입니다."

그는 잠재 고객과 이야기할 때 항상 가장 먼저 떠오르는 것이 배선 하니스를 제거하는 것이라고 말했습니다. “팩 제조사들은 그들을 싫어합니다. 그들이 하는 일은 신뢰성을 낮추고, 안전 문제를 일으키고, 설계 및 제조 및 설치에 비용이 많이 들기 때문에 배선 하니스를 제거하는 것이 항상 첫 번째 문제입니다. 그 다음은 측정의 품질입니다. 우리는 모든 셀의 온도를 정확히 동일한 방식으로 모든 셀의 위치에서 측정할 수 있습니다. 이를 통해 배터리 팩의 성능을 향상시킬 수 있습니다.”

배터리 관리의 필요성

Dukosi에 따르면 배터리 모니터링은 특히 EV에서 안전과 최상의 수명 성능을 위해 필수적이지만 현재 모니터링 방법은 번거롭고 오래된 기술에서 진화한 것입니다. 회사는 새롭고 진정한 무선 접근 방식이 빠르고 유연한 에지 컴퓨팅의 이점을 활용할 수도 있다고 말했습니다.

BMS의 주요 기능은 안전한 충전 및 방전을 유지하여 셀 성능 저하, 손상 및 화재의 위험을 줄이는 것입니다. 이점은 그 이상입니다. 배터리 팩의 충전 상태(SoC)를 정확하게 파악하면 차량 주행 거리를 결정할 수 있어 '주행 거리 불안'이 줄어들고 충전 시간이 단축됩니다.

또한 시간 경과에 따른 온도, 전압 및 충전/방전 주기와 같은 모니터링 정보의 누적은 배터리 상태(SoH)를 나타낼 수 있습니다. 여러 EV가 노후화됨에 따라 배터리의 SoH는 자동차 재판매 또는 그리드 에너지 저장과 같은 덜 부담스러운 애플리케이션에서 배터리 팩의 용도를 변경하는 '세컨드 라이프' 사용을 위한 거래 차단기가 될 수 있습니다. 배터리 수명을 최대화하면 배터리 수명 비용을 줄이고 재활용 빈도와 비용을 최소화하여 일반적으로 운송이 환경에 미치는 영향을 줄입니다.

케이블이 문제입니다

배터리 모니터링은 중요한 시스템에 대한 백업이 중요한 산업 및 통신 분야에서 수십 년 동안 인식되어 왔습니다. 서버 팜의 UPS에 전원을 공급하는 48V 납산 배터리 어레이는 부피가 큰 중앙 집중식 모니터링 하드웨어를 각 셀에 연결하는 배선 장치를 감당할 수 있지만, 엄격하게 격리되고 가혹한 환경에서 최대 800V 셀 스트링이 있는 EV에 원칙을 적용하는 것은 이상적인 솔루션이 아닙니다.

그러나 이것이 BMS가 현재 일반적으로 구현되는 방식이며, 고전압 및 진동으로 인한 와이어 마모의 위험 때문에 스트링의 셀에 대한 케이블 연결은 관련 무게와 공간과 함께 전달하는 신호에 비해 크기가 커야 합니다. 설치 비용은 말할 것도 없고 벌금도 부과됩니다.

EV용 '무선' 배터리 모니터링은 이 문제를 해결하는 확실한 솔루션으로 보일 것입니다. 스트링에 있는 여러 셀의 전압이 모니터링되는 이전 모듈식 아키텍처에서 발전된 솔루션이 존재합니다. 결과 아날로그 값은 배터리 팩에 내장된 여러 모듈 중 하나에서 다중화되고 '디지털화'된 다음 RF 링크를 통해 중앙 프로세서로 전달됩니다.

모니터링되는 셀의 수는 일반적으로 12개 또는 14개이며 멀티플렉서의 정격 전압에 따라 제한되며 각 셀은 약 3.7V를 추가합니다. 모니터링되는 셀의 수는 필요한 멀티플렉서 수를 줄이기 위해 16개 이상으로 설정되지만 이는 IC 제조 공정에서 고전압 기술을 사용해야 할 필요성을 증폭시킬 뿐입니다. 따라서 중앙에서 수행해야 하는 로컬 데이터 집계 및 처리를 쉽게 통합할 수 없으므로 RF 연결에 병목 현상이 발생합니다.

그러나 더 심각한 단점은 각 다중화된 셀 전압의 측정 정확도가 스트링을 저하시키고 각 셀에 더 긴 물리적 와이어 연결이 필요하다는 것입니다. 노이즈 픽업은 추가적인 문제입니다. 모든 모듈이 중앙 수신기에 대한 '가시선'을 갖도록 하려면 RF 안테나의 위치에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 그렇지 않으면 복잡하고 예측할 수 없는 메시 네트워크를 구축해야 데이터 속도와 대기 시간을 예측할 수 없게 됩니다.

배터리를 위한 '에지' 컴퓨팅 도입

따라서 Dukosi는 '에지' 컴퓨팅이라는 아이디어를 채택했습니다. 즉, 로컬 처리로 셀을 개별적으로 모니터링하여 판독값을 해석하고 독점 임베디드 소프트웨어에서 생성된 히스토그램 형태로 시간 경과에 따라 즉각적이고 집계된 데이터를 무선으로 전송합니다.

회사는 자사의 초저전력 하드웨어가 모니터링되는 배터리 셀로 구동되는 작은 CMOS 칩이므로 IC 기술이 일반 프로세서 코어 및 메모리와 호환된다고 말했습니다. 아날로그 신호 멀티플렉싱이 필요하지 않으므로 정밀도가 최적화되고 칩이 셀에 직접 장착되어 전압과 로컬 온도 모두의 최대 측정 정확도를 제공합니다.

안테나 연결 문제는 특허받은 NFC 기술을 사용하여 해결됩니다. '비접촉식' 결제를 위한 유도 루프와 유사하게 얇은 저전압 단일 와이어 루프가 배터리 팩 주위로 라우팅되어 각 Dukosi 모니터에 가깝고 몇 밀리미터의 물리적 분리로 센서의 루프에 느슨하게 연결됩니다. 이것은 빠르고 강력한 데이터 연결을 보장하지만 가장 높은 배터리 팩 전압에 필요한 전기 절연을 쉽게 제공하기에 충분합니다. 각 IC에는 고유한 식별자가 있으며 통신 프로세스를 제어하고 차량 관리 전자 장치에 데이터를 전달하는 무선 관리자가 NFC 연결을 통해 폴링합니다. 전체 시스템은 ASIL D 등급 배터리 팩의 ASIL C 구성 요소로서 안전하도록 설계되었습니다.

EV를 사용하지 않을 때도 배터리 팩에 '항상 켜져 있는' 인텔리전스를 두면 건강 상태로 해석되고 출처로 유지될 수 있는 사용 및 성능 데이터의 장기 로깅 기회가 열립니다. 수명의 어느 시점에서든 배터리의 하드웨어, 케이블 연결 및 설치 비용이 감소함으로써 이러한 시스템의 수명 연장 혜택은 모든 전기 자동차 유형과 광범위한 에너지 저장 응용 분야에서 유용할 수 있습니다.

Sylvester는 Dukosi가 무선 BMS를 다르게 수행하는 방법을 설명했습니다. 그는 “리튬이온 전지를 측정해야 한다. 그러나 일부 유명 반도체 회사에서 현재 시장에 나와 있는 장치는 1990년대 후반에 사용 가능한 장치와 거의 동일하게 보입니다. 그 당시에는 그다지 발전하지 않았습니다. 기술이 다른 곳으로 이동하는 방식은 동시에 점점 더 많은 셀을 처리하려고 하므로 12셀, 14셀, 16셀을 사용하여 더 높은 전압으로 이동하려는 특정 경로를 낮추고 있습니다."

“저희 제품은 한 번에 하나의 셀만 수행하므로 더 많은 셀이 필요합니다. 그러나 그것은 해당 셀에 대한 측정을 정말 잘 수행합니다. 우리는 측정에 대한 업계 최고의 정확도를 가지고 있습니다. 우리는 모든 세포의 온도를 측정할 수 있습니다. 우리는 셀에서 알고리즘을 실행하여 충전 상태나 건강 상태, 또는 리튬 이온 셀의 다른 많은 특성을 알려줄 수 있습니다. 한 셀에서 정말 잘 수행할 수 있으며 그런 다음 연결할 수 있습니다. 모두 매우 쉽게 배터리 네트워크에 연결됩니다. 추가 커넥터가 없습니다. 거기에 배선 하니스 또는 기타 모든 물건이 없습니다. 모든 것이 사라졌습니다.”

“그 배터리 네트워크는 배터리 시스템에 대해 알아야 할 모든 것을 알려줍니다. 케이블을 제거하고 커넥터를 제거하고 케이블을 지지하는 데 필요한 모든 기계적 구조를 제거하고 꼬이지 않는지 확인하고 측정값, 센서를 포인트로 이동합니다. 측정해야 하는 곳입니다.”

embedded edge with Nitin 팟캐스트에서 Joel Sylvester의 전체 인터뷰를 들을 수 있습니다. .