배터리 모니터가 전기차 배터리 성능을 극대화합니다.

BMS는 전기차 배터리의 운영 효율성을 향상시킬 수 있습니다

고급 BMS는 전기차가 운행 중 배터리 팩으로부터 효율적으로 상당량의 전력을 추출할 수 있도록 지원합니다. 이는 배터리의 충전 상태(SOC)를 정확히 측정하여 배터리 사용 시간을 연장하거나 중량을 줄이며, 배터리의 안전성을 향상시키는 데 도움을 줍니다. 이는 깊은 방전, 과충전, 과전류, 열 스트레스와 같은 전기적 과부하를 방지하는 것을 포함합니다.   BMS의 주요 기능은 배터리가 작동하는 동안 물리적 파라미터를 모니터링하여 배터리 팩 내 각 개별 셀이 안전한 작동 영역(SOA) 내에 있도록 보장하는 것입니다. 이는 충전 및 방전 전류, 개별 셀의 전압, 그리고 배터리 팩 전체의 온도를 모니터링합니다. 이러한 값을 기반으로 BMS는 배터리의 안전한 작동을 보장할 뿐만 아니라 SOC 및 상태 점검(SOH)을 계산할 수 있도록 도움을 줍니다.   BMS가 제공하는 또 다른 중요한 기능은 셀 밸런싱(cell balancing)입니다. 배터리 팩에서 개별 셀은 원하는 용량 및 작동 전압(최대 1kV 이상)을 달성하기 위해 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있습니다. 배터리 제조업체는 배터리 팩에 동일한 셀을 제공하려고 시도하지만, 완벽한 균일성을 실현하는 것은 물리적으로 현실적이지 않습니다. 작은 차이조차도 충전 또는 방전 수준에 변화를 초래할 수 있으며, 배터리 팩에서 가장 약한 셀이 전체 성능에 상당히 영향을 미칠 수 있습니다. 정밀한 셀 밸런싱은 BMS의 중요한 기능으로, 배터리 시스템이 최대 용량에서 안전하게 작동하도록 보장합니다.

무선 BMS는 통신 배선을 제거하여 복잡성을 줄입니다.

전기차 배터리는 일련으로 연결된 여러 셀로 구성됩니다. 96개의 셀이 일련으로 연결된 일반적인 배터리 팩은 각 셀이 4.2V로 충전될 때 400V 이상의 전압을 생성합니다. 배터리 팩에 셀이 많을수록 달성되는 전압도 더 높아집니다. 모든 셀에서 충전 및 방전 전류는 동일하지만, 각 셀의 전압을 모니터링하는 것이 필요합니다.   고출력 자동차 시스템에 필요한 많은 배터리를 수용하기 위해 여러 배터리 셀을 여러 모듈로 나누고 차량 내의 가용 공간 전체에 분산시키는 경우가 많습니다. 일반적인 모듈은 10개에서 24개의 셀로 구성되며, 다양한 차량 플랫폼에 맞추기 위해 다른 구성으로 조립될 수 있습니다. 모듈형 설계는 대형 배터리 팩의 기초로 작용하며, 이를 통해 배터리 팩을 더 넓은 영역에 분산시켜 공간 활용을 더 효과적으로 최적화할 수 있습니다.   전기/하이브리드 차량의 높은 EMI(전자기 간섭) 환경에서 분산형 모듈형 토폴로지를 지원하려면 견고한 통신 시스템이 필수적입니다. 격리형 CAN 버스는 이 환경에서 모듈을 상호 연결하는 데 적합합니다. CAN 버스는 자동차 애플리케이션에서 배터리 모듈을 상호 연결하기 위한 포괄적인 네트워크를 제공하지만, 많은 추가 부품이 필요하여 비용과 회로 기판 공간이 증가합니다. 또한 현대적인 배터리 관리 시스템(BMS)이 유선 연결 방식을 채택할 경우 상당한 단점이 따릅니다. 배선을 서로 다른 모듈로 배치해야 하므로 배선 작업이 복잡해지고 차량의 무게가 증가합니다. 또한 배선은 소음을 받아들이기 쉬워 추가적인 필터링이 필요합니다.   무선 BMS는 통신 배선을 필요로 하지 않는 새로운 아키텍처입니다. 무선 BMS에서는 각 모듈 간의 연결이 무선 연결을 통해 이루어집니다. 다수의 셀로 구성된 대형 배터리 팩에서 무선 연결은 배선 복잡성을 줄이고 무게를 경감시키며 비용을 낮추고 안전성과 신뢰성을 향상시킵니다. 하지만 무선 통신은 가혹한 EMI 환경과 RF 차폐 금속 부품으로 인해 발생하는 신호 전파 장애와 같은 도전에 직면합니다.

임베디드 무선 네트워크는 신뢰성과 정밀성을 향상시킬 수 있습니다

ADI가 소개한 SmartMesh® 임베디드 무선 네트워크는 산업용 사물인터넷(IoT) 애플리케이션에서 현장 검증을 완료했습니다. 이 네트워크는 경로 및 주파수 다양성을 활용하여 99.999% 이상의 신뢰성을 제공하며, 산업 및 자동차 환경과 같은 까다로운 조건에서도 안정적인 연결을 유지합니다.   여러 중복 연결 지점을 생성하여 신뢰성을 향상시키는 것 외에도, 무선 메시 네트워크는 배터리 관리 시스템(BMS)의 기능을 확장합니다. SmartMesh 무선 네트워크는 배터리 모듈의 유연한 배치가 가능하게 하고 배터리의 상태(SOC) 및 상태 유지(SOH) 계산을 개선합니다. 이는 기존에 배선 설치가 어려웠던 위치에 설치된 센서에서 데이터를 더욱 많이 수집함으로써 이루어집니다. 또한, SmartMesh는 각 노드에서 시간 상관 측정 결과를 제공하여 더 정밀한 데이터 수집이 가능합니다.   ADI는 LTC6811 배터리 스택 모니터를 ADI SmartMesh 네트워크 기술과 통합하여 중요한 기술적 돌파구를 마련했습니다. 이 통합은 전기 및 하이브리드 차량에서 대규모 다중 셀 배터리 팩의 신뢰성을 향상시키고 비용, 무게, 배선 복잡성을 줄일 가능성을 제공합니다.   LTC6811은 다중 셀 배터리 애플리케이션을 위해 설계된 배터리 스택 모니터입니다. 최대 12개의 직렬로 연결된 셀의 전압을 측정할 수 있으며 전체 측정 오차는 1.2mV 이하입니다. 모든 12개 셀의 측정은 290μs 이내에 완료될 수 있으며, 고소음 환경에서 노이즈를 감소시키기 위해 낮은 데이터 수집 속도를 선택할 수 있습니다. LTC6811은 0V에서 5V까지 배터리 화학 범위에 적합한 배터리 측정 범위를 지원합니다. 여러 장치를 데이지 체인 방식으로 연결하여 매우 긴 고전압 배터리 스택을 동시에 모니터링할 수 있습니다. 이 장치는 각 셀에 대한 패시브 밸런싱을 포함하며, 데이터 교환은 시스템 컨트롤러에 의해 격리 장벽의 양쪽에서 이루어집니다. 컨트롤러는 SOC를 계산하고, 배터리 밸런싱을 제어하며, SOH를 확인하고, 전체 시스템이 안전한 한계 내에서 작동하도록 보장하는 역할을 합니다.   또한, 여러 LTC6811 장치를 데이지 체인 방식으로 연결하면 긴 고전압 배터리 스택을 동시에 모니터링할 수 있습니다. 각 LTC6811은 고속 및 RF 내성이 강한 원격 통신을 위한 isoSPI 인터페이스를 갖추고 있습니다. LTC6811-1을 사용할 경우, 여러 장치가 데이지 체인 방식으로 연결되고 모든 장치가 하나의 호스트 프로세서 연결을 공유합니다. LTC6811-2를 사용할 경우, 여러 장치가 호스트 프로세서에 병렬로 연결되며 각 장치가 개별적으로 주소를 지정받습니다.   LTC6811은 배터리 팩 또는 독립된 전원에서 직접 구동될 수 있으며, 각 배터리 셀에 대한 패시브 밸런싱 기능을 제공하며, 각 셀에 대해 개별적인 PWM 듀티 사이클 제어 기능을 제공합니다. 기타 기능으로는 내장형 5V 레귤레이터, 5개의 범용 I/O 라인, 액티브 상태에서 전류 소비를 4μA로 줄이는 슬립 모드가 포함됩니다.

셀 밸런싱은 배터리 용량과 성능을 최적화하기 위해 사용됩니다

셀 밸런싱은 배터리 성능에 큰 영향을 미칩니다. 정확한 제조와 선별 과정을 거친다 해도 셀 간에 미세한 차이가 발생할 수 있습니다. 셀 간 용량 불균형은 배터리 팩의 전체 용량 감소를 초래할 수 있습니다. 분명히 스택에서 가장 약한 셀이 전체 배터리 팩 성능을 좌우합니다. 셀 밸런싱은 배터리가 완전히 충전되었을 때 셀 간 전압과 SOC(State of Charge)를 동등하게 만들어 이러한 문제를 극복하는 기술입니다.   셀 밸런싱 기술은 두 가지 유형으로 나뉩니다: 패시브 및 액티브 방식. 패시브 밸런싱을 사용하는 경우, 하나의 셀이 과충전되면 초과 충전 전력이 저항에서 소모됩니다. 일반적으로 저항과 스위치 역할을 하는 파워 MOSFET으로 구성된 션트(shunt) 회로가 사용됩니다. 셀이 과충전되면 MOSFET가 닫히며 초과 에너지가 저항으로 소모됩니다. LTC6811은 내장된 MOSFET를 사용하여 모니터링되는 각 셀의 충전 전류를 제어함으로써 각각의 셀을 밸런싱합니다. 이 통합 MOSFET는 컴팩트한 디자인을 가능하게 하며 60mA의 전류 요구를 충족시킬 수 있습니다. 더 높은 충전 전류가 필요한 경우 외부 MOSFET를 사용할 수 있습니다. 이 장치는 밸런싱 시간을 조절할 수 있는 타이머도 제공합니다.   반면, 액티브 밸런싱은 모듈 내 다른 셀들 간에 초과 에너지를 재분배하는 방식입니다. 이 접근법은 에너지 복구와 낮은 열 발생을 가능하게 하지만, 더 복잡한 하드웨어 설계를 필요로 한다는 단점이 있습니다.   ADI는 LT8584를 활용한 배터리 액티브 밸런싱을 위한 아키텍처를 소개했습니다. 이 아키텍처는 충전 전류를 적극적으로 션트하며, 초과 에너지를 배터리 팩으로 반환함으로써 패시브 션트 밸런서의 문제를 해결합니다. 에너지가 열로 소모되지 않고 스택 내 나머지 배터리를 재충전하는 데 재활용됩니다. 이 장치의 아키텍처는 또한 스택 전체 용량이 소모되기 전에 하나 이상의 셀이 안전한 저전압 임계값에 도달하는 문제를 해결하며, 이는 런타임을 감소시킵니다. 오직 액티브 밸런싱만이 강한 셀에서 약한 셀로 전력을 재분배할 수 있어 약한 셀들이 부하에 지속적으로 전력을 공급할 수 있도록 하며 배터리 팩에서 더 높은 비율의 에너지를 추출할 수 있습니다. 플라이백(flyback) 토폴로지는 배터리 팩 내의 임의의 두 지점 간에 전하를 이동하도록 하며, 대부분의 응용 프로그램에서는 전하를 배터리 모듈(12셀 이상)로 반환하며, 다른 경우에는 전체 배터리 스택 또는 보조 전력 레일로 반환됩니다.   LT8584는 고전압 배터리 팩의 액티브 밸런싱을 위해 특별히 설계된 단일칩 플라이백 DC/DC 변환기입니다. 스위치 모드 방식의 레귤레이터는 높은 효율을 제공하여 밸런싱 가능한 전류를 크게 증가시키고 열 소모를 줄입니다. 또한 액티브 밸런싱은 불균형한 배터리 스택에서 용량 회복을 가능하게 하며, 이는 패시브 밸런싱 시스템으로는 얻을 수 없는 기능입니다. 일반적인 시스템에서 배터리 전체 용량의 99% 이상을 달성할 수 있습니다.   LT8584는 6A, 50V 전력 스위치를 통합하여 응용 회로의 설계 복잡성을 감소시킵니다. 이 장치는 방전 중인 셀만으로 작동하여 외부 전력 스위치를 사용할 때 필요했던 복잡한 바이어싱 방식을 제거합니다. Enable 핀(DIN)은 LTC680x 시리즈 배터리 스택 모니터 IC와 원활하게 협력하도록 설계되었습니다. 추가로 LTC680x 시리즈 장치와 함께 사용할 경우 LT8584는 전류와 온도 모니터링을 포함하는 시스템 원격 검침 기능을 제공합니다. 비활성화 상태에서는 LT8584가 배터리로부터 총 정지 전류 20nA 미만을 소비합니다.

결론

저배출 차량의 핵심은 전기화에 있지만, 리튬 이온 배터리와 같은 에너지 원의 스마트한 관리도 필요합니다. 부적절한 관리는 배터리 팩을 신뢰할 수 없게 만들어 차량의 안전성을 크게 떨어뜨릴 수 있습니다. 능동적 및 수동적 배터리 밸런싱은 배터리를 안전하고 효율적으로 관리하는 데 기여합니다. 분산 배터리 모듈은 지원하기 쉬우며, 유선 또는 무선 수단을 통해 BMS 컨트롤러에 데이터를 신뢰성 있게 전송할 수 있어 신뢰할 수 있는 SOC(충전 상태)와 SOH(건강 상태) 계산을 가능하게 합니다. ADI는 고객이 BMS 개발을 가속화하고 전기차 배터리의 운영 효율성과 안전성을 더 효율적으로 관리할 수 있도록 지원하는 포괄적인 BMS 구성 요소 제품군을 제공합니다.