충전식 배터리는 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)의 기본 구성 요소입니다. 요즘에는 점점 더 다양한 화학 시스템이 수십, 수백, 심지어 수천 개의 셀로 구성된 배터리 팩에 결합되어 더 높은 전압에서 보다 효율적인 작동을 달성합니다. BMS(배터리 관리 시스템) 설계자의 경우 이 설계 구조는 최적의 성능, 효율성, 신뢰성 및 안전성을 달성하는 데 많은 과제에 직면해 있습니다.
예를 들어 애플리케이션 요구 사항을 충족하는 집적 회로(IC)를 설계하거나 선택하려면 효율적인 구현을 보장하기 위해 배터리 화학, 충전, 모니터링, 로드 밸런싱, 절연, 안전 및 통신 기술에 대한 깊은 이해가 필요합니다.
이를 위해 공급업체는 본질적으로 프로세서와 독립된 전용 IC에 필요한 많은 기능을 통합했습니다. 이러한 유형의 IC의 많은 모델은 다중 리튬 기반 배터리 화학 시스템을 지원할 뿐만 아니라 비리튬 배터리 셀과도 호환됩니다. 이 유형의 IC는 배터리 셀에서 데이터를 수집하고 최적의 실시간 배터리 관리 결정 및 조치를 취합니다. 또한 이러한 유형의 IC는 배터리 셀 상태 및 작동 상태에 관한 데이터를 시스템 프로세서에 제공합니다.
이 기사에서는 다중 셀 그룹의 고유한 기술 요구 사항을 간략하게 소개합니다. 그런 다음 Analog Devices의 고급 전문 최적화 IC를 소개하고 이러한 IC를 사용하여 위의 요구 사항을 충족하는 방법을 자세히 설명합니다.
다중 배터리 셀은 더 많은 도전을 가져올 것입니다
배터리 팩의 기본 회로도는 단순해 보이지만 실제로는 직렬 연결을 통해 더 높은 전압을 얻고, 병렬 연결을 통해 더 큰 전류를 얻는 여러 개의 배터리 셀을 포함합니다. 이는 이러한 구성이 단일 셀/소수 셀 배터리 팩의 단순한 확장일 뿐이며 추가 관리가 거의 필요하지 않음을 의미합니다. 이 멀티 셀 배터리 팩은 18V 또는 48V가 필요한 전동 공구, 400V 또는 800V가 필요한 전기 자동차(EV), 일반적으로 1500V가 필요한 BESS 시스템에 적합합니다.
이러한 대형 배터리 팩의 실제 상황은 세부 사항과 복잡성이 회로도에 표시된 것보다 훨씬 뛰어납니다. 셀과 배터리 팩의 수가 증가함에 따라 이러한 문제를 해결하는 어려움이 기하급수적으로 증가합니다.
첫째, 배터리 셀을 모니터링하여 단자 전압, 충전 방전 곡선, 충전 상태(SoC), 온도 및 결함 전조 특성을 추적해야 합니다. 또한 서로 다른 배터리 셀을 균일하게 관리하고 차이점을 기록하고 고려하는 것이 필요합니다.
보편적인 규칙 세트가 부족하면 배터리 셀 관리가 더욱 복잡해집니다. 또한, 채택된 관리 전략의 적절성은 배터리 셀의 화학적 특성에 따라 달라집니다. 다양한 주요 화학 시스템(예: 리튬 이온(Li 이온) 및 납산 배터리)에 채택된 관리 전략이 다르며 동일한 일반 화학 시스템(예: 다양한 리튬 이온 배터리 제형) 내에서 사용되는 관리 전략도 다릅니다. 따라서 관리되는 배터리 셀의 화학적 특성에 맞게 첨단 BMS 관리 전략을 맞춤화해야 합니다.
고전압 고용량 배터리 팩에는 많은 수의 배터리 셀이 포함되어 수많은 안전 표준을 충족해야 하기 때문에 로컬 배터리 셀을 모니터링하고 관리하는 것이 현재 가장 실현 가능한 엔지니어링 솔루션입니다. 시스템에는 일반적으로 메인 프로세서가 장착되어 있지만 일반적으로 로컬 셀 모니터링을 위한 고급 규제 지침만 발행하고 배터리 팩의 전반적인 성능을 평가할 수 있습니다. 단일 배터리 셀의 모니터링 및 관리는 실시간 기능을 제공하고 주로 시스템 수준 프로세서 개입 없이 작동하는 자율 전자 시스템에 의해 수행됩니다.
패시브 및 액티브 배터리 밸런싱
셀 균형은 여러 셀 그룹의 무결성을 유지하고, 일부 셀이 과부하로 인해 손상되지 않도록 하고, 다른 배터리가 낮은 활용도로 인해 유휴 상태가 되는 것을 방지하는 데 특히 중요합니다. 셀 밸런싱은 셀과 배터리 팩의 손상을 방지하여 성능을 극대화할 수 있습니다. 셀 밸런싱은 배터리 팩의 모든 셀이 동시에 최대 용량에 도달하도록 보장하여 과충전, SoC 불균형, 과방전 및 조기 노화를 방지하고 궁극적으로 배터리 수명을 연장합니다.
셀 밸런싱에는 능동형 밸런싱과 수동형 밸런싱의 두 가지 방법이 있습니다. 능동 균등화는 수동 균등화보다 정확하고 빠르지만 구현이 더 복잡합니다. 능동 밸런싱은 능동 회로 기술을 사용하여 배터리 팩의 각 셀 간에 전하를 재분배하여 모든 셀의 SoC가 일관되게 유지되도록 합니다. 이 회로는 각 배터리 셀의 전압을 모니터링하고 모니터링 결과에 따라 충전 및 방전 전류를 조정합니다.
이와 대조적으로 수동 밸런싱은 옴의 법칙과 밸런싱 저항을 사용하여 셀을 동일한 SoC 상태로 조정합니다. 낮은 정확도와 느린 속도 외에도 수동 밸런싱은 높은 배터리 셀에서 과도한 에너지를 소산(낭비)할 수도 있습니다.
멀티셀 모니터링부터 시작하다
이미 시장에는 수많은 ESS 솔루션이 있지만 BMS의 두 가지 핵심 프런트엔드 기능은 여전히 배터리 셀의 모니터링과 밸런싱에 있습니다. 그림 1에 표시된 ADES1830CCSZ IC는 16채널, 다중 셀, 다중 화학 시스템 배터리 모니터로서 위의 기능을 달성할 뿐만 아니라 전체 시스템 설계 및 작동을 단순화하는 데 도움이 되는 수많은 주요 기능을 통합합니다.
다중 셀 및 화학 시스템을 갖춘 Analog Devices의 ADES1830CCSZ 셀 모니터(확대하려면 클릭)
그림 1: 다중 셀과 다중 화학 시스템을 갖춘 ADES1830CCSZ 셀 모니터는 포괄적인 BMS의 기본 빌딩 블록으로 사용됩니다. (이미지 출처: 아날로그 디바이스)
이 다중 셀 그룹 모니터는 전체 온도 범위에서 2mV 미만의 총 측정 오류(TME)로 최대 16개의 직렬 연결된 셀을 측정할 수 있습니다. 동일한 사양을 가진 다른 ADES1831CCSZ의 TME는 5mV로 약간 더 높습니다. -2V ~ 5.5V의 측정 입력 범위 덕분에 ADES1830 및 ADES1831은 대부분의 배터리 화학 물질에 적합합니다.
다수의 셀이 포함된 배터리 팩을 모니터링할 때 일관성을 유지하기 위해 모든 셀은 통합된 듀얼 ADC(아날로그-디지털 변환기)를 통해 동기식으로 중복 측정할 수 있습니다. 이러한 아날로그-디지털 변환기(ADC)는 초당 4.096메가샘플(MSPS)의 높은 샘플링 속도로 지속적으로 작동하므로 외부 아날로그 필터의 사용을 줄이고 앨리어싱 없는 측정 결과를 얻을 수 있습니다. 필요한 경우 다운스트림 프로그래밍 가능 무한 임펄스 응답(IIR) 필터를 통해 추가적인 잡음 감소를 달성할 수 있습니다. ADES1830 및 ADES1831은 또한 독립적인 펄스 폭 변조(PWM) 듀티 사이클 제어를 통해 달성되는 수동 밸런싱 기능을 갖추고 있으며 셀당 최대 300mA의 방전 전류를 지원합니다.
단일 ADES1830 또는 ADES1831 장치는 직렬로 16개의 셀만 지원하지만 여러 장치를 캐스케이드 연결하여 긴 스트링 고전압 배터리 팩의 셀을 동시에 모니터링할 수 있습니다. IC 칩 간의 상호 연결을 달성하기 위해 각 장치에는 사용자가 선택한 커패시터 또는 변압기를 통해 전기적으로 절연된 isoSPI(절연 직렬 포트 인터페이스)가 장착되어 무선 주파수 간섭을 견딜 수 있는 장거리 고속 통신을 달성합니다.
이 방법을 통해 단일 메인 프로세서 연결로 데이터를 읽고 전체 배터리 스트링을 모니터링할 수 있습니다. 이 직렬 포트 링크는 양방향 통신을 가능하게 하여 통신 경로에 장애가 발생하는 경우에도 데이터 무결성을 보장합니다.
이러한 다중 셀 감지기의 적용 가능성을 최적화하기 위해 Analog Devices는 EV-ADES1830CCSZ 평가 기판을 출시했습니다(그림 2, 왼쪽). 현실에 더 가까워지기 위해 isoSPI 인터페이스를 통해 여러 평가 보드를 연결하여 배터리 팩의 긴 셀 셀을 모니터링할 수 있습니다(그림 2의 오른쪽).