배터리 관리 시스템 BMS 지식 및 기능, 소개

BMS의 정식 명칭은 배터리 관리 시스템(Battery Management System)입니다.에너지 저장 배터리의 상태를 모니터링하는 장치입니다.주로 개별 배터리 셀의 지능적인 관리 및 유지 관리, 배터리의 과충전 및 과방전 방지, 배터리 수명 연장, 배터리 상태 모니터링에 사용됩니다.일반적으로 BMS는 회로 기판이나 하드웨어 상자로 표현됩니다.

 

BMS는 배터리 에너지 저장 장치의 각 배터리 작동 상태를 모니터링하고 에너지 저장 장치의 안전하고 안정적인 작동을 보장하는 배터리 에너지 저장 시스템의 핵심 하위 시스템 중 하나입니다.BMS는 에너지 저장 배터리의 상태 매개변수(단일 셀 전압, 배터리 극 온도, 배터리 루프 전류, 배터리 팩 단자 전압, 배터리 시스템 절연 저항 등을 포함하되 이에 국한되지 않음)를 실시간으로 모니터링하고 수집할 수 있습니다. 더 많은 시스템 상태 평가 매개변수를 얻기 위해 관련 상태 매개변수에 대해 필요한 분석 및 계산을 수행합니다.또한 전체 배터리 에너지 저장 장치의 안전하고 안정적인 작동을 보장하기 위해 특정 보호 제어 전략에 따라 에너지 저장 배터리 자체를 효과적으로 제어할 수 있습니다.동시에 BMS는 자체 통신 인터페이스 및 아날로그/디지털 입력 인터페이스를 통해 다른 외부 장치(PCS, EMS, 소방 시스템 등)와 상호 작용하여 전체 에너지 저장 전력에서 다양한 하위 시스템의 연계 제어를 구성할 수 있습니다. 이를 통해 발전소의 안전하고 안정적이며 효율적인 전력망 연결 운영을 보장합니다.

2) 건축

토폴로지 아키텍처의 관점에서 BMS는 서로 다른 프로젝트 요구 사항에 따라 중앙 집중식과 분산형의 두 가지 범주로 나뉩니다.

 

중앙 집중식 BMS

간단히 말해서 중앙 집중식 BMS는 단일 BMS 하드웨어를 사용하여 모든 셀을 수집하므로 셀 수가 적은 시나리오에 적합합니다.

중앙 집중식 BMS는 저비용, 컴팩트한 구조 및 높은 신뢰성의 장점을 가지며 전동 공구, 로봇(핸들링 로봇, 보조 로봇), IOT 스마트홈(청소로봇, 전기청소기), 전동지게차, 전기저속차량(전기자전거, 전기오토바이, 전기관광차, 전기순찰차, 전기골프카트 등), 소형하이브리드 차량 등이 있습니다.

중앙 집중식 BMS 하드웨어는 고전압 영역과 저전압 영역으로 나눌 수 있습니다.고전압 영역은 단일 셀 전압, 시스템 총 전압 수집 및 절연 저항 모니터링을 담당합니다.저전압 영역에는 전원 회로, CPU 회로, CAN 통신 회로, 제어 회로 등이 포함됩니다.

승용차의 전원 배터리 시스템이 고용량, 높은 전체 압력 및 대용량을 향해 계속 발전함에 따라 분산 BMS 아키텍처는 플러그인 하이브리드 및 순수 전기 자동차 모델에 주로 사용됩니다.

분산 BMS

현재 업계에서는 분산형 BMS에 대한 다양한 용어가 존재하며, 회사마다 이름도 다릅니다.전원 배터리 BMS는 대부분 마스터-슬레이브 2계층 아키텍처를 갖습니다.

 

에너지 저장 BMS는 일반적으로 배터리 팩의 크기로 인해 3계층 아키텍처이며, 슬레이브 및 주 제어 계층 위에 마스터 제어 계층이 있습니다.

배터리가 배터리 클러스터를 형성하고 다시 스택을 형성하는 것처럼 3계층 BMS도 동일한 상향 규칙을 따릅니다.

제어 장치: 개별 배터리에서 정보를 수집하는 배터리 관리 장치(BMU).

배터리 셀의 전압 및 온도 모니터링

패키지 내 배터리 균등화

정보 업로드

열 관리

비정상적인 경보

마스터 제어: 배터리 클러스터 관리 장치: BCU(배터리 클러스터 장치, 고전압 관리 장치 HVU, BCMU 등으로도 알려져 있음)는 BMU 정보 수집 및 배터리 클러스터 정보 수집을 담당합니다.

배터리 클러스터 전류 획득, 총 전압 획득, 누출 감지

배터리 상태가 비정상일 때 전원 차단 보호

BMS 관리 하에 용량 교정과 SOC 교정을 별도로 완료하여 후속 충방전 관리를 위한 기반이 될 수 있습니다.

BAU(배터리 어레이 관리 장치)는 전체 에너지 저장 배터리 스택의 배터리를 중앙 집중식으로 관리하는 역할을 담당합니다.다양한 배터리 클러스터 관리 장치와 연결하고 다른 장치와 정보를 교환하여 배터리 어레이의 작동 상태에 대한 피드백을 제공합니다.

배터리 어레이의 충전 및 방전 관리

BMS 시스템 자체 점검 및 고장 진단 경보

배터리 팩 결함 진단 경보

배터리 어레이의 각종 이상 및 결함에 대한 안전 보호

PCS, EMS 등 다른 기기와 통신

데이터 저장, 전송 및 처리

배터리 관리 계층: 개별 배터리의 다양한 정보(전압, 온도) 수집, 배터리의 SOC 및 SOH 계산 및 분석, 개별 배터리의 능동 균등화 달성, 개별 배터리의 비정상 정보를 배터리 팩 단위 계층 BCMU에 업로드하는 역할을 담당합니다.CAN 외부 통신을 통해 데이지 체인으로 상호 연결됩니다.

배터리 관리 레이어: BMU가 업로드한 개별 배터리로부터 다양한 정보 수집, 배터리 팩에 대한 다양한 정보(팩 전압, 팩 온도), 배터리 팩 충전 및 방전 전류 수집, 배터리 팩의 SOC 및 SOH 계산 및 분석을 담당합니다. , 모든 정보를 배터리 클러스터 단위 계층 BAMS에 업로드합니다.CAN 외부 통신을 통해 데이지 체인으로 상호 연결됩니다.

배터리 클러스터 관리 계층: BCMU가 업로드한 다양한 배터리 정보를 수집하고 RJ45 인터페이스를 통해 에너지 저장 모니터링 EMS 시스템에 모든 정보를 업로드하는 역할을 담당합니다.PCS와 통신하여 배터리의 관련 비정상 정보를 PCS(CAN 또는 RS485 인터페이스)로 보내고 PCS와 통신하기 위한 하드웨어 건식 노드를 갖추고 있습니다.또한, 배터리 시스템 BSE(Battery State Estimate) 평가, 전기계통 상태 감지, 접촉기 관리, 열관리, 운전관리, 충전관리, 진단관리 등을 수행하고, 내·외부 통신망 관리 등을 수행한다.CAN을 통해 부하직원과 통신합니다.

3) BMS는 무엇을 하는가?

BMS의 기능은 다양하지만, 핵심이자 우리가 가장 관심을 두는 부분은 다음 세 가지입니다.

하나는 BMS의 기본 기능인 센싱(상태 관리)이다.전압, 저항, 온도를 측정하고 궁극적으로 배터리 상태를 감지합니다.우리는 배터리의 상태가 어떤지, 얼마나 많은 에너지와 용량을 가지고 있는지, 얼마나 건강한지, 얼마나 많은 전력을 생산하는지, 얼마나 안전한지 알고 싶습니다.이것이 센싱입니다.

두 번째는 관리(균형관리)입니다.어떤 사람들은 BMS가 배터리의 유모라고 말합니다.그렇다면 이 유모가 관리해야 합니다.무엇을 관리해야 할까요?배터리를 최대한 좋게 만드는 것입니다.가장 기본적인 것은 밸런스 관리와 열관리입니다.

세 번째는 보호(안전관리)입니다.유모도 할 일이 있습니다.배터리에 어떤 상태가 있으면 보호해야 하며 경보를 발생시켜야 합니다.

물론 특정 프로토콜을 통해 시스템 내부 또는 외부로 데이터를 전송하는 통신 관리 구성 요소도 있습니다.

BMS에는 작동 제어, 절연 모니터링, 열 관리 등과 같은 다른 많은 기능이 있지만 여기서는 설명하지 않습니다.

 

3.1 인식 - 측정 및 추정

BMS의 기본 기능은 전압, 전류, 온도, 상태 등의 기본 매개변수와 SOC, SOH 등의 배터리 상태 데이터 계산을 포함한 배터리 매개변수를 측정하고 추정하는 것입니다.전력 배터리 분야에는 SOP(전력 상태) 및 SOE(에너지 상태) 계산도 포함되지만 여기서는 논의하지 않습니다.우리는 더 널리 사용되는 처음 두 가지 데이터에 중점을 둘 것입니다.

세포 측정

1) 기본 정보 측정: 배터리 관리 시스템의 가장 기본적인 기능은 개별 배터리 셀의 전압, 전류, 온도를 측정하는 것이며, 이는 배터리 관리 시스템의 모든 최상위 계산 및 제어 로직의 기초가 됩니다.

2) 절연 저항 테스트: 배터리 관리 시스템 내 전체 배터리 시스템과 고전압 시스템에 대한 절연 테스트가 필요합니다.

3) 고전압 인터록 감지(HVIL): 전체 고전압 시스템의 무결성을 확인하고 고전압 시스템 루프의 무결성이 손상된 경우 안전 조치를 시작하는 데 사용됩니다.

SOC 계산

SOC는 배터리의 남은 용량인 충전 상태(State of Charge)를 의미합니다.쉽게 말하면 배터리에 남은 전력량입니다.

SOC는 BMS의 가장 중요한 매개변수입니다. 다른 모든 것이 이를 기반으로 하기 때문입니다.따라서 정확성과 견고성(오류 수정 기능이라고도 함)이 매우 중요합니다.정확한 SOC가 없으면 보호 기능이 아무리 많아도 BMS가 제대로 작동할 수 없습니다. 배터리가 보호 상태에 있는 경우가 많아 배터리 수명을 연장할 수 없기 때문입니다.

현재 주류 SOC 추정 방법으로는 개방전압법, 전류 적분법, 칼만 필터법, 신경망법 등이 있다.처음 두 가지 방법이 일반적으로 사용됩니다.후자의 두 가지 방법에는 통합 모델 및 인공 지능과 같은 고급 지식이 필요하지만 여기서는 자세히 설명하지 않습니다.

실제 응용 분야에서는 여러 알고리즘이 조합되어 사용되는 경우가 많으며, 배터리의 충전 및 방전 상태에 따라 서로 다른 알고리즘이 채택됩니다.

개방 회로 전압 방식

개방 회로 전압법의 원리는 배터리를 장기간 고정적으로 배치하는 조건에서 개방 회로 전압과 SOC 사이의 상대적으로 고정된 함수 관계를 사용하여 개방 회로 전압을 기반으로 SOC를 추정하는 것입니다.이전에 일반적으로 사용된 납축전지 전기자전거는 SOC를 추정하기 위해 이 방법을 사용합니다.개방 회로 전압 방식은 간단하고 편리하지만 다음과 같은 단점도 많이 있습니다.

1. 배터리는 장시간 방치해야 합니다. 그렇지 않으면 개방 회로 전압이 단시간 내에 안정화되기 어렵습니다.

2. 배터리, 특히 인산철리튬 배터리에는 전압 안정기가 있습니다. 여기서 단자 전압과 SOC 곡선은 SOC30%~80% 범위에서 대략 선형입니다.

3. 배터리의 온도나 수명 단계가 다르므로 개방 회로 전압이 동일하더라도 실제 SOC 차이는 클 수 있습니다.

아래 그림과 같이 이 전기자전거를 사용할 때 현재 SOC가 100%로 표시되면 가속 시 전압이 떨어지며 출력은 80%로 표시될 수 있습니다.가속을 멈추면 전압이 올라가고 파워는 다시 100%로 올라간다.따라서 전기 스쿠터의 전력 표시가 정확하지 않습니다.멈추면 전원이 들어오지만, 시동을 걸면 전원이 부족해집니다.이는 배터리의 문제가 아닐 수도 있지만, BMS의 SoC 알고리즘이 너무 단순하기 때문일 수도 있습니다.

안시적분법

Anshicontinuous Integration 방식은 SOC 정의를 통해 SOC 값을 실시간으로 직접 계산하는 방식입니다.

초기 SOC 값이 주어지면 배터리 전류를 측정할 수 있는 한(방전 전류가 양수인 경우) 전류 적분을 통해 배터리 용량의 변화를 정확하게 계산하여 남은 SOC를 얻을 수 있습니다.

이 방법은 짧은 시간 내에 상대적으로 신뢰할 수 있는 추정 결과를 얻을 수 있지만 전류 센서의 측정 오류와 배터리 용량의 점진적인 저하로 인해 장기간 전류 적분으로 인해 특정 편차가 발생합니다.따라서 정확도가 낮은 SOC 추정을 위한 초기값을 추정하기 위해 일반적으로 개방전압 방식과 함께 사용되며, 단기 SOC 예측을 위해 칼만 필터링 방식과 함께 사용할 수도 있습니다.

SOC(State Of Charge)는 BMS의 핵심 제어 알고리즘에 속하며 현재 남은 용량 상태를 나타냅니다.이는 주로 암페어 시간 통합 방법과 EKF(확장 칼만 필터) 알고리즘을 통해 달성되며, 수정 전략(예: 개방 회로 전압 수정, 완전 충전 수정, 충전 종료 수정, 다양한 온도 및 SOH에서의 용량 수정, 등.).암페어시 적분법은 전류 획득 정확도를 보장하는 조건에서 상대적으로 신뢰할 수 있지만 견고하지는 않습니다.오류가 누적되기 때문에 수정 전략과 결합되어야 합니다.EKF 방법은 강력하지만 알고리즘이 상대적으로 복잡하고 구현하기 어렵습니다.국내 주류 제조사는 상온에서 6% 미만의 정확도를 달성할 수 있지만 고온 및 저온에서의 추정과 배터리 감쇠는 어렵다.

SOC 보정

전류 변동으로 인해 추정된 SOC가 부정확할 수 있으며 다양한 수정 전략이 추정 프로세스에 통합되어야 합니다.

 

SOH 계산

SOH는 State of Health를 말하며, 현재 배터리의 상태(또는 배터리 성능 저하 정도)를 나타냅니다.일반적으로 0~100% 사이의 값으로 표시되며, 일반적으로 80% 미만의 값은 배터리를 더 이상 사용할 수 없음을 나타내는 것으로 간주됩니다.이는 배터리 용량이나 내부 저항의 변화로 나타낼 수 있습니다.용량 사용 시, 배터리의 작동 과정에서 얻은 데이터를 바탕으로 현재 배터리의 실제 용량을 추정하고, 이를 정격 용량으로 나눈 비율이 SOH이다.SOH가 정확하면 배터리 성능이 저하될 때 다른 모듈의 추정 정확도가 향상됩니다.

업계에서는 SOH에 대해 두 가지 다른 정의가 있습니다.

용량 페이드에 따른 SOH 정의

리튬 이온 배터리를 사용하는 동안 배터리 내부의 활물질이 점차 감소하고 내부 저항이 증가하며 용량이 감소합니다.따라서 SOH는 배터리 용량으로 추정할 수 있다.배터리의 상태는 초기 용량에 대한 현재 용량의 비율로 표현되며 SOH는 다음과 같이 정의됩니다.

SOH=(C_표준-C_페이드)/C_표준 ×100%

여기서: C_fade는 배터리의 손실된 용량입니다.C_standard는 공칭 용량입니다.

IEEE 표준 1188-1996에서는 전원 배터리 용량이 80%로 떨어지면 배터리를 교체해야 한다고 규정하고 있습니다.따라서 우리는 일반적으로 배터리 SOH가 80% 미만일 경우에는 사용할 수 없다고 간주합니다.

전력 감쇠(Power Fade)를 기반으로 한 SOH 정의

거의 모든 유형의 배터리가 노화되면 배터리 내부 저항이 증가합니다.배터리의 내부 저항이 높을수록 사용 가능한 전력은 낮아집니다.따라서 전력 감쇠를 이용하여 SOH를 추정할 수 있다.

3.2 경영 - 균형 잡힌 기술

각 배터리에는 고유한 "개성"이 있습니다.

균형에 관해 이야기하려면 먼저 배터리부터 시작해야 합니다.동일한 제조업체에서 동일한 배치로 생산한 배터리라도 고유한 수명 주기와 "개성"이 있습니다. 즉, 각 배터리의 용량이 완전히 동일할 수는 없습니다.이러한 불일치에는 두 가지 이유가 있습니다.

하나는 세포 생산의 불일치입니다.

하나는 전기화학 반응의 불일치입니다.

생산 불일치

생산 불일치는 이해하기 쉽습니다.예를 들어, 생산 과정에서 다이어프램 불일치, 음극 및 양극 재료 불일치로 인해 전체 배터리 용량 불일치가 발생할 수 있습니다.표준 50AH 배터리는 49AH 또는 51AH가 될 수 있습니다.

전기화학적 불일치

전기화학의 불일치는 배터리 충전 및 방전 과정에서 두 셀의 생산 및 처리가 동일하더라도 전기화학 반응 과정에서 열 환경이 결코 일관될 수 없다는 것입니다.예를 들어 배터리 모듈을 만들 때 주변 링의 온도는 중앙 링의 온도보다 낮아야 합니다.이로 인해 충전량과 방전량 간에 장기적인 불일치가 발생하고 결과적으로 배터리 셀 용량이 일관되지 않게 됩니다.배터리 셀의 SEI 필름의 충전 및 방전 전류가 오랫동안 일정하지 않으면 SEI 필름의 노화도 일정하지 않습니다.

*SEI 필름: "고체 전해질 인터페이스"(고체 전해질 인터페이스).액체 리튬 이온 배터리의 1차 충전 방전 과정에서 전극 재료는 고액상 계면에서 전해질과 반응하여 전극 재료의 표면을 덮는 보호층을 형성합니다.SEI 필름은 전자 절연체이지만 우수한 리튬 이온 전도체로서 전극을 보호할 뿐만 아니라 배터리 기능에도 영향을 미치지 않습니다.SEI 필름의 노화는 배터리 상태에 큰 영향을 미칩니다.

따라서 배터리 팩의 불균일성(또는 이산성)은 배터리 작동의 불가피한 징후입니다.

균형이 필요한 이유

배터리가 다르므로 동일하게 만들어 보는 것은 어떨까요?불일치는 배터리 팩의 성능에 영향을 미치기 때문입니다.

직렬 배터리 팩은 짧은 배럴 효과를 따릅니다. 직렬 배터리 팩 시스템에서 전체 배터리 팩 시스템의 용량은 가장 작은 단일 장치에 의해 결정됩니다.

세 개의 배터리로 구성된 배터리 팩이 있다고 가정합니다.

과충전 및 과방전은 배터리를 심각하게 손상시킬 수 있다는 것을 알고 있습니다.따라서 충전 중 배터리 B가 완전히 충전되거나 방전 중 배터리 B의 SoC가 매우 낮은 경우 배터리 B를 보호하기 위해 충전 및 방전을 중지해야 합니다. 결과적으로 배터리 A와 C의 전력을 완전히 충전할 수 없습니다. 활용.

이로 인해 다음이 발생합니다.

배터리 팩의 실제 사용 가능한 용량이 감소했습니다. 사용 가능한 용량을 사용할 수 있었던 배터리 A와 C는 이제 배터리 B를 수용하기 위해 그렇게 할 수 없습니다. 키가 큰 사람은 큰 걸음을 걸을 수 없습니다.

배터리 수명 감소: 보폭이 짧을수록 더 많은 걸음이 필요하고 다리가 더 피곤해집니다.용량이 줄어들면 충방전 횟수가 늘어나 배터리 성능이 저하됩니다.예를 들어, 단일 셀은 100% DoD에서 4000주기를 달성할 수 있지만 실제 사용에서는 100%에 도달할 수 없으며 주기 수도 확실히 4000에 도달하지 않습니다.

*방전심도(DoD)는 배터리 정격 용량 대비 배터리 방전 용량의 비율을 나타냅니다.

배터리의 불일치로 인해 배터리 팩의 성능이 저하됩니다.배터리 모듈의 크기가 크면 여러 개의 배터리 스트링이 직렬로 연결되며 단일 전압 차이가 크면 전체 상자의 용량이 감소합니다.더 많은 배터리를 직렬로 연결할수록 더 많은 용량이 손실됩니다.그러나 우리의 응용 분야, 특히 에너지 저장 시스템 응용 분야에는 두 가지 중요한 요구 사항이 있습니다.

첫 번째는 수명이 긴 배터리로, 운영 및 유지 관리 비용을 크게 줄일 수 있습니다.에너지 저장 시스템은 배터리 팩의 수명에 대한 요구 사항이 높습니다.국내 제품의 대부분은 15년 동안 설계되었습니다.1년에 300주기를 가정하면 15년은 4500주기로 여전히 매우 높은 수치입니다.전체 배터리 팩의 전체 수명이 설계 수명에 최대한 도달할 수 있도록 각 배터리의 수명을 극대화하고, 배터리 분산이 배터리 팩 수명에 미치는 영향을 줄여야 합니다.

두 번째 딥 사이클, 특히 피크 저감 적용 시나리오에서 1kWh의 전력을 더 방출하면 수익 포인트가 1개 더 늘어납니다.즉, 우리는 80% DoD 또는 90% DoD를 수행할 것입니다.에너지 저장 시스템에 딥 사이클을 적용하면 테일 방전 시 배터리의 분산이 나타납니다.따라서 심충전 및 심방전 조건에서 각 단일 셀의 용량을 완전히 방출하려면 에너지 저장 BMS에 강력한 균등화 관리 기능을 갖추고 배터리 셀 간 일관성 발생을 억제하는 것이 필요합니다. .

이 두 가지 요구 사항은 배터리 불일치와 정반대입니다.보다 효율적인 배터리 팩 애플리케이션을 달성하려면 배터리 불일치의 영향을 줄이기 위한 보다 효과적인 밸런싱 기술이 필요합니다.

평형 기술

배터리 균등화 기술은 용량이 다른 배터리를 동일하게 만드는 방법입니다.일반적인 등화 방법에는 에너지 소실 단방향 등화(수동 등화)와 에너지 전달 양방향 등화(능동 등화)의 두 가지가 있습니다.

(1) 패시브 밸런스

수동 균등화 원리는 각 배터리 스트링에 전환 가능한 방전 저항기를 병렬로 연결하는 것입니다.BMS는 방전 저항기를 제어하여 더 높은 전압의 셀을 방전시켜 전기 에너지를 열로 방출합니다.예를 들어, 배터리 B가 거의 완전히 충전되면 스위치가 열려 배터리 B의 저항기가 과도한 전기 에너지를 열로 방출할 수 있습니다.그런 다음 배터리 A와 C도 완전히 충전될 때까지 충전이 계속됩니다.

이 방식은 고전압 셀만 방전할 수 있고, 저용량 셀은 재충전할 수 없다.방전 저항의 전력 제한으로 인해 균등화 전류는 일반적으로 작습니다(1A 미만).

수동 균등화의 장점은 저렴한 비용과 간단한 회로 설계입니다.단점은 이퀄라이제이션을 위해 배터리 잔존 용량이 가장 낮아서 잔량이 적은 배터리의 용량을 늘릴 수 없으며, 균등화된 전력이 100% 열의 형태로 낭비된다는 점입니다.

(2) 활성 잔액

알고리즘을 통해 여러 줄의 배터리가 에너지 저장 구성 요소를 사용하여 고전압 셀의 에너지를 저전압 셀로 전달하고, 고전압 배터리를 방전하고 방출된 에너지를 사용하여 저전압 셀을 충전합니다.에너지는 주로 소멸되기보다는 전달됩니다.

이렇게 충전 중에는 먼저 100% 전압에 도달한 배터리 B가 A와 C로 방전되며, 세 개의 배터리가 함께 완충됩니다.방전 중에 배터리 B의 남은 충전량이 너무 낮으면 A와 C는 B를 "충전"하여 셀 B가 방전을 너무 빨리 중지할 수 있는 SOC 임계값에 도달하지 않도록 합니다.

액티브 밸런싱 기술의 주요 특징

(1) 고전압과 저전압의 균형을 맞춰 배터리 팩의 효율을 높입니다. 충전 및 방전 중, 휴지 상태에서 고전압 배터리는 방전되고 저전압 배터리는 충전될 수 있습니다.

(2) 저손실 에너지 전달: 에너지는 단순히 손실되지 않고 주로 전달되므로 전력 활용 효율성이 향상됩니다.

(3) 큰 평형 전류: 일반적으로 평형 전류는 1~10A 사이이며 평형 상태가 더 빠릅니다.

능동형 균등화에는 해당 회로 및 에너지 저장 장치의 구성이 필요하므로 부피가 커지고 비용이 증가합니다.이 두 가지 조건은 함께 활성 균등화를 촉진하고 적용하기가 쉽지 않음을 결정합니다.

또한 능동 균등화 충전 및 방전 프로세스는 배터리의 주기 수명을 암시적으로 증가시킵니다.균형을 이루기 위해 충전과 방전이 필요한 셀의 경우 추가 작업으로 인해 일반 셀의 노후화를 초과하게 되어 다른 셀과의 성능 격차가 더 커질 수 있습니다.

일부 전문가들은 위의 두 표현이 소산평형과 비소산평형에 해당해야 한다고 믿습니다.그것이 능동인지 수동인지는 평형 과정을 촉발하는 사건에 따라 달라집니다.시스템이 수동적이어야 하는 상태에 도달하면 수동적입니다.인간이 설정한 것이라면 균형을 맞출 필요가 없을 때 평형 프로그램을 설정하는 것을 능동 평형이라고 합니다.

예를 들어, 방전이 끝나면 가장 낮은 전압의 셀은 방전 차단 전압에 도달하고 다른 셀에는 여전히 전력이 남아 있습니다.이때, 최대한 많은 전기를 방전시키기 위해 시스템은 고에너지 셀의 전기를 저에너지 셀로 전달하여 모든 전력이 방전될 때까지 방전 과정을 계속하도록 합니다.이는 수동적 균등화 프로세스입니다.아직 전력이 40% 남아 있는데 방전이 끝날 때 불균형이 있을 것으로 시스템이 예측하는 경우 능동 균등화 프로세스가 시작됩니다.

능동형 균등화는 중앙 집중형 방식과 분산형 방식으로 구분됩니다.중앙 집중식 균등화 방식은 배터리 팩 전체에서 에너지를 얻은 후 에너지 변환 장치를 이용해 적은 에너지로 배터리에 에너지를 보충하는 방식이다.분산형 균등화에는 인덕터 또는 커패시터일 수 있는 인접한 배터리 간의 에너지 저장 링크가 포함되어 인접한 배터리 간에 에너지가 흐를 수 있습니다.

전류 균형 제어 전략에서는 셀 전압을 제어 대상 매개변수로 삼는 사람들이 있고, 균형 제어 목표 매개변수로 SOC를 사용하도록 제안하는 사람들도 있다.셀 전압을 예로 들어보겠습니다.

먼저 균등화 시작 및 종료를 위한 한 쌍의 임계값을 설정합니다. 예를 들어 배터리 세트에서 단일 셀의 극한 전압과 세트의 평균 전압 간의 차이가 50mV에 도달하면 균등화가 시작되고, 5mV에 도달하면 균등화가 종료됩니다.

BMS는 고정된 획득 주기에 따라 각 셀의 전압을 수집하고 평균값을 계산한 후 각 셀 전압과 평균값의 차이를 계산합니다.

최대 차이가 50mV에 도달하면 BMS는 균등화 프로세스를 시작해야 합니다.

차이 값이 모두 5mV 미만이 될 때까지 균등화 프로세스 중 2단계를 계속한 다음 균등화를 종료합니다.

모든 BMS에 이 단계가 필요한 것은 아니며 후속 전략은 균형 방법에 따라 달라질 수 있습니다.

밸런스 기술은 배터리 유형과도 관련이 있습니다.일반적으로 LFP는 능동 균형에 더 적합하고 삼원계 배터리는 수동 균형에 더 적합하다고 믿어집니다.

BMS의 치열한 경쟁 단계는 대부분 비용과 신뢰성이 뒷받침됩니다.현재 능동형 균형에 대한 실험적 검증은 아직 이루어지지 않았습니다.기능 안전 수준은 ASIL-C 및 ASIL-D로 이동할 것으로 예상되지만 비용이 상당히 높습니다.따라서 현재 대기업들은 적극적인 밸런싱 연구에 신중한 입장이다.일부 대규모 공장에서는 연료 차량의 유지 관리와 유사하게 밸런싱 모듈을 취소하고 모든 밸런싱을 외부에서 수행하기를 원하기도 합니다.차량이 일정 거리를 이동할 때마다 외부 균형 조정을 위해 4S 매장으로 이동합니다.이는 전체 차량 BMS 비용을 절감하고 해당 4S 매장에도 도움이 됩니다.이는 모든 당사자에게 윈윈(win-win) 상황입니다.그러므로 개인적으로 이것이 트렌드가 될 수 있다는 것을 이해합니다!

3.3 보호 - 결함 진단 및 경보

BMS 모니터링은 전기 시스템의 하드웨어와 일치하며 배터리의 다양한 성능 조건에 따라 다양한 고장 수준(경미한 고장, 심각한 고장, 치명적인 고장)으로 구분됩니다.경고, 전력 제한 또는 직접 고전압 차단 등 다양한 오류 수준에 따라 다양한 처리 조치가 취해집니다.오류에는 데이터 수집 및 합리성 오류, 전기 오류(센서 및 액추에이터), 통신 오류, 배터리 상태 오류가 포함됩니다.

일반적인 예로는 배터리가 과열되면 BMS는 수집된 배터리 온도를 기반으로 배터리가 과열되었다고 판단한 후 이 배터리의 회로를 제어하여 연결을 끊고 과열 보호를 수행한 후 EMS와 같은 관리 시스템에 경고를 보냅니다.

3.4 의사소통

BMS의 정상적인 작동은 통신 기능과 분리될 수 없습니다.배터리 관리 중 배터리를 제어하든, 배터리 상태를 외부로 전송하든, 제어 명령을 수신하든 안정적인 통신이 필요합니다.

파워 배터리 시스템에서는 BMS의 한쪽 끝이 배터리에 연결되고, 다른 쪽 끝은 차량 전체의 제어 및 전자 시스템에 연결됩니다.전반적인 환경에서는 CAN 프로토콜을 사용하지만, 배터리 팩의 내부 구성 요소 간에 내부 CAN을 사용하는 것과 배터리 팩과 차량 전체 간에 차량 CAN을 사용하는 것에는 차이가 있습니다.

이에 비해 에너지 저장 BMS와 내부 통신은 기본적으로 CAN 프로토콜을 사용하지만, 외부 통신(외부 주로 에너지 저장 발전소 파견 시스템 PCS를 의미함)은 인터넷 프로토콜 형식인 TCP/IP 프로토콜과 Modbus 프로토콜을 사용하는 경우가 많습니다.

4) 에너지저장 BMS

에너지 저장 BMS 제조업체는 일반적으로 전원 배터리 BMS에서 발전했기 때문에 많은 설계와 용어가 역사적 기원을 가지고 있습니다.

예를 들어, 전원 배터리는 일반적으로 BMU(Battery Monitor Unit)와 BCU(Battery Control Unit)로 구분되며 전자는 데이터를 수집하고 후자는 이를 제어합니다.

배터리 셀은 전기화학 공정이므로 여러 개의 배터리 셀이 배터리를 형성합니다.각 배터리 셀의 특성으로 인해 제조 공정이 아무리 정확하더라도 시간이 지남에 따라 그리고 환경에 따라 각 배터리 셀에는 오류와 불일치가 있을 수 있습니다.따라서 배터리 관리 시스템은 제한된 매개변수를 통해 배터리의 현재 상태를 평가하는 것으로, 이는 물리적, 화학적 분석을 요구하는 서양의학이 아닌, 한의사가 환자의 증상을 관찰하여 진단하는 것과 다소 비슷하다.인체의 물리적, 화학적 분석은 대규모 실험 장비로 측정할 수 있는 배터리의 전기화학적 특성과 유사합니다.그러나 임베디드 시스템에서는 전기화학의 일부 지표를 평가하기가 어렵습니다.그러므로 BMS는 옛날 한의사와 같습니다.

4.1 에너지 저장 BMS의 3계층 아키텍처

에너지 저장 시스템에는 배터리 셀 수가 많기 때문에 비용 절감을 위해 BMS는 일반적으로 2~3개의 레이어로 구현됩니다.현재 주류는 마스터 제어/마스터 제어/슬레이브 제어의 세 가지 레이어입니다.

4.2 에너지저장 BMS에 대한 자세한 설명

5) 현황 및 향후 동향

BMS를 생산하는 제조업체에는 여러 유형이 있습니다.

첫 번째 범주는 파워 배터리 BMS(자동차 공장)에서 가장 지배적인 전력을 보유한 최종 사용자입니다.실제로 해외에서 가장 강력한 BMS 제조 강점은 역시 제너럴모터스(GM), 테슬라 등 자동차 공장이다. 국내에는 BYD, 화팅파워 등이 있다.

두 번째 범주는 Samsung, Ningde Times, Xinwangda, Desay Battery, Topband Co., Ltd., Beijing Purrad 등과 같은 셀 제조업체 및 팩 제조업체를 포함한 배터리 공장입니다.

세 번째 유형의 BMS 제조업체는 전력 전자 기술 분야에서 다년간의 경험을 갖고 Eternal Electronics, Hangzhou Gaote Electronics, Xie Neng Technology 및 Kegong Electronics와 같이 대학 또는 관련 기업 배경을 가진 R&D 팀을 보유하고 있는 제조업체입니다.

주로 단말 차량 제조업체가 독점하고 있는 동력 배터리의 BMS와 달리, 에너지 저장 배터리의 최종 사용자는 BMS의 연구 개발 및 제조에 참여할 필요나 특별한 조치가 없는 것으로 보입니다.대규모 배터리 관리 시스템을 개발하는 데 많은 돈과 에너지를 쏟을 가능성도 낮다.따라서 에너지저장전지 BMS 산업에는 절대적인 우위를 점할 수 있는 중요한 주체가 부족하여 에너지저장 BMS에 주력하는 배터리 제조사 및 판매업체에게는 발전과 상상의 여지가 크다고 볼 수 있다.에너지 저장 시장이 확립되면 배터리 제조업체와 전문 BMS 제조업체에게 개발 여지가 많아지고 경쟁 저항이 줄어들 것입니다.

현재 에너지 저장 BMS 개발에 주력하는 전문 BMS 제조업체는 상대적으로 적습니다. 이는 주로 에너지 저장 시장이 아직 초기 단계이고 시장에서 에너지 저장의 향후 개발에 대해 여전히 많은 의구심이 있기 때문입니다.따라서 대부분의 제조업체에서는 에너지 저장과 관련된 BMS를 개발하지 않았습니다.실제 사업환경에서는 에너지저장전지용 BMS로 활용하기 위해 전기차용 배터리 BMS를 구매하는 제조사도 있다.미래에는 전문 전기 자동차 BMS 제조업체도 대규모 에너지 저장 프로젝트에 사용되는 BMS 공급업체의 중요한 부분이 될 것으로 예상됩니다.

현 단계에서는 다양한 에너지 저장 시스템 공급업체가 제공하는 BMS에 대한 통일된 표준이 부족합니다.제조업체마다 BMS에 대한 설계 및 정의가 다르며, 호환되는 배터리 종류에 따라 SOX 알고리즘, 균등화 기술 및 업로드되는 통신 데이터 콘텐츠도 다를 수 있습니다.BMS의 실제 적용에 있어 이러한 차이는 적용 비용을 증가시키고 산업 발전에 해를 끼칠 것입니다.따라서 BMS의 표준화와 모듈화 역시 향후 중요한 발전방향이 될 것이다.