배터리 관리 시스템 소개

배터리 관리 시스템(BMS)이 전원 설계에서 어떤 역할을 하는지, 기본 기능에 어떤 구성요소가 필요한지에 대한 높은 수준의 기본 사항을 알아보세요.

오늘날 리튬 이온 배터리는 최대 265Wh/kg의 에너지 밀도를 자랑합니다. 그러나 그들은 과도한 스트레스를 받으면 때때로 모든 에너지를 폭발시키고 태우는 것으로 유명합니다. 이것이 종종 배터리 관리 시스템(BMS)을 제어하여 배터리 관리 시스템을 요구하는 이유입니다.

이 기사에서는 BMS 개념의 기본 사항에 대해 논의하고 일반적인 BMS를 구성하는 몇 가지 기본 요소를 살펴보겠습니다.

기본 BMS 구성

그림 1에서 BMS가 주요 배터리 오작동을 방지하는 기능을 제공하면서 어떻게 보일 수 있는지에 대한 기본 블록을 볼 수 있습니다.

그림 1. 일반적인 BMS 블록 다이어그램

이 예제 BMS는 직렬로 4개의 리튬 이온 전지를 처리할 수 있습니다. 셀 모니터는 모든 셀 전압을 읽고 그 사이의 전압을 균일하게 합니다. 이 기능을 밸런싱이라고 합니다(나중에 자세히 설명). 이것은 원격 측정 데이터와 스위치 조작 및 균형 전략을 처리하는 MCU에 의해 제어됩니다.

실제로 시장에서는 그림 2와 같이 밸런싱 또는 MCU가 없는 단일 셀을 포함하여 보다 단순한 설계를 위한 다양한 솔루션을 제공합니다.

그림 2. 간단한 배터리 관리자. Texas Instruments 제공 이미지 사용

이러한 단순한 시스템의 단점은 디자이너가 사용자 정의 없이 주어진 부품이 제공하는 것(예:하이 사이드 또는 로우 사이드 스위치)에 구속된다는 것입니다.

더 많은 셀을 사용할 때는 밸런싱 시스템이 필요합니다. 그림 3과 같이 MCU 없이도 작동하는 간단한 방식이 있습니다.

그림 3. MCU 독립적인 셀 밸런서. Texas Instruments 제공 이미지 사용

더 큰 배터리 팩이나 직렬 셀 또는 연료 게이지 계산이 필요한 모든 것을 사용할 때 MCU가 필요합니다. 가장 통합된(따라서 저렴한) 솔루션은 그림 4의 솔루션입니다.

그림 4. 상업용 BMS. 이미지 사용:Renesas 제공

관련 배터리 관련 기능을 모두 실행하는 독점 펌웨어가 있는 MCU를 사용하는 BMS입니다.

구성 요소:배터리 관리 시스템 구성요소

BMS에 중요한 기본 부품에 대한 개요를 보려면 그림 1을 다시 살펴보십시오. 이제 BMS 블록 다이어그램과 관련된 다양한 요소를 이해하기 위해 그림 4의 주요 부분을 조금 더 자세히 살펴보겠습니다.

퓨즈

격렬한 단락이 발생하면 배터리 셀을 빠르게 보호해야 합니다. 그림 5에서 SCP(자체 제어 보호기) 퓨즈라고 하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 과전압의 경우 과전압 제어 IC에 의해 끊어져 핀 2를 접지로 구동한다는 의미입니다.

그림 5. 상용 BMS의 SCP 퓨즈 및 제어

MCU는 끊어진 퓨즈의 상태를 전달할 수 있으므로 MCU 전원 공급 장치가 퓨즈보다 먼저 있어야 합니다.

전류 감지/쿨롱 계산

여기에서 로우 사이드 전류 측정이 구현되어 MCU에 직접 연결할 수 있습니다.

그림 6. 상용 BMS의 일반적인 저전류 감지

시간 기준을 유지하고 시간 경과에 따른 전류를 통합하여 쿨롱 카운터를 구현하여 배터리에 들어가거나 나가는 총 에너지를 얻습니다. 즉, 다음 공식을 사용하여 충전 상태(SOC, 시스템 온칩과 혼동하지 말 것)를 추정할 수 있습니다.

어디에

<울>

$$SOC(t_0)$$는 초기 SOC(Ah 단위)입니다.

$$C_{rated}$$는 정격 용량(Ah 단위)입니다.

$$I_b$$는 배터리 전류입니다.

$$I_{loss}$$는 세포 반응 손실을 고려합니다.

τ는 전류 샘플의 평균 주기입니다.

서미스터

온도 센서(일반적으로 서미스터)는 온도 모니터와 안전 개입 모두에 사용됩니다.

그림 7에서 과전압 제어 IC의 입력을 제어하는 ​​서미스터를 볼 수 있습니다. 이것은 MCU의 개입 없이 인위적으로 SCP(그림 5의 퓨즈)를 끊습니다.

그림 7. 서미스터는 심각한 열 문제의 경우 SCP를 제어할 수 있습니다.

그림 8은 원격 측정을 위한 두 개의 추가 서미스터를 보여줍니다.

그림 8. 펌웨어에서 사용하는 서미스터

메인 스위치

스위치로 작동하려면 MOSFET의 드레인-소스 전압이 $$V_{ds} \leq V_{gs} - V_{th}$$여야 합니다. 선형 영역의 전류는 $$I_d =k \cdot (V_{gs} - V_{th}) \cdot V_{ds}$$이므로 스위치의 저항을 $$R_{MOS} =1 / [k \cdot (V_{gs} - V_{th})]$$.

이에 따라 $$V_{gs}$$를 구동하여 저항을 낮추고 손실을 줄이는 것이 중요합니다.

그림 9. 배터리 팩 메인 스위치(NMOS, 하이사이드)

NMOS 유형은 일반적으로 더 낮은 $$R_{MOS}$$를 가지므로 차지 펌프를 통한 하이 사이드 스위치에도 사용됩니다.

밸런서

배터리 셀은 용량과 임피던스에 허용오차를 부여했습니다. 따라서 주기에 따라 직렬로 연결된 셀 간에 전하 차이가 누적될 수 있습니다.

약한 셀 세트의 용량이 적으면 직렬로 연결된 다른 셀에 비해 더 빠르게 충전됩니다. 따라서 BMS는 다른 셀의 충전을 중지해야 합니다. 그렇지 않으면 그림 10과 같이 약한 셀이 과충전됩니다.

그림 10. 낮은 용량의 셀이 팩의 완전 충전을 방해합니다. 이미지 사용:Analog Devices 제공

반대로, 전지가 더 빨리 방전되어 전지가 최소 전압 아래로 떨어질 위험이 있습니다. 이 경우 밸런서가 없는 BMS는 그림 11과 같이 더 일찍 전력 공급을 중지해야 합니다.

그림 11. 전체 팩 에너지의 사용을 방해하는 낮은 용량 셀. 이미지 사용:Analog Devices 제공

그림 12의 회로와 같은 회로는 직렬로 연결된 다른 셀의 레벨에서 그림 10과 같이 더 높은 SOC(충전 상태)로 셀을 방전합니다. 이것은 전하 분류(charge shunting)라고 하는 수동 밸런싱 방법을 사용하여 수행됩니다.

그림 12. 수동적 균형 전략의 예

전류는 ON 상태에서 트랜지스터를 통해 흐르고 R을 통해 소산되고 기준 전압이 CELL1(음극)이기 때문에 이러한 셀만 초과 에너지를 방전합니다.

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이 기사는 배터리 관리 시스템의 기본 개념을 소개하고 설계에 사용되는 기본 구성 요소를 소개하는 것을 목표로 했습니다. 이제 배터리 관리 시스템이 무엇을 의미하는지, 전력 설계에 어떻게 사용될 수 있는지 더 잘 이해하셨기를 바랍니다.

BMS 디자인에 대해 더 알고 싶은 추가 개념이 있으면 아래에 의견을 남겨주세요.