전지 모니터는 전기차 배터리의 성능을 극대화합니다.

BMS는 전기차 배터리의 운영 효율성을 향상시킬 수 있습니다

고급 BMS는 전기차가 작동 중 배터리 팩에서 상당한 충전을 효율적으로 추출하도록 도울 수 있습니다. 이는 배터리의 충전 상태(SOC)를 정확히 측정하여 배터리 사용 시간을 연장하거나 무게를 줄이고, 깊은 방전, 과충전, 과전류 및 열 스트레스를 피하는 방식으로 배터리 안전성을 향상시킬 수 있습니다.   BMS의 주요 기능은 배터리 작동 중 물리적 매개변수를 모니터링하여 배터리 팩 내 각 셀이 안전 작동 영역(SOA) 내에서 유지되도록 보장하는 것입니다. 이것은 충방전 전류, 개별 셀 전압 및 전체 배터리 팩 온도를 모니터링합니다. 이러한 값을 기반으로 배터리의 안전한 작동을 보장할 뿐만 아니라 SOC와 SOH(건강 상태) 계산도 가능하게 합니다.   BMS가 제공하는 또 다른 중요한 기능은 셀 밸런싱입니다. 배터리 팩에서 개별 셀은 원하는 용량과 작동 전압(최대 1kV 이상)을 달성하기 위해 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있습니다. 배터리 제조업체는 배터리 팩을 위해 동일한 셀을 제공하려고 하지만 완벽한 균일성을 달성하는 것은 물리적으로 현실적이지 않습니다. 미세한 차이조차도 충전 또는 방전 수준에서 변화를 일으킬 수 있으며, 배터리 팩 내에서 가장 약한 셀이 전체 성능에 크게 영향을 미칠 수 있습니다. 정밀한 셀 밸런싱은 BMS의 중요한 특징으로, 배터리 시스템이 최대 용량에서 안전하게 작동하도록 보장합니다.

무선 BMS는 통신 배선을 제거하여 복잡성을 감소시킵니다

전기차 배터리는 직렬로 연결된 여러 개의 셀로 구성됩니다. 96개의 셀이 직렬로 연결된 일반적인 배터리 팩은 4.2V에서 충전 시 400V 이상을 생성합니다. 배터리 팩에 셀이 많을수록 더 높은 전압이 생성됩니다. 모든 셀에서 충전 및 방전 전류는 동일하지만, 각 셀의 전압을 모니터링하는 것이 필요합니다.   고출력 자동차 시스템에 필요한 다수의 배터리를 수용하기 위해, 여러 배터리 셀은 종종 여러 모듈로 나뉘어 차량 내 가능 공간에 분산됩니다. 일반적인 모듈은 10~24개 셀로 구성되며, 다양한 차량 플랫폼에 맞게 조립될 수 있습니다. 모듈 설계는 대형 배터리 팩의 기반 역할을 하며, 이를 통해 배터리 팩을 더 넓은 영역에 분산시켜 공간 활용을 더욱 효과적으로 최적화할 수 있습니다.   전기/하이브리드 차량의 높은 EMI(전자기 간섭) 환경에서 분산형 모듈형 토폴로지를 지원하려면 견고한 통신 시스템이 필수적입니다. 격리된 CAN 버스는 이 환경에서 모듈을 상호 연결하는 데 적합합니다. CAN 버스는 자동차 응용 제품에서 배터리 모듈을 상호 연결하기 위한 포괄적인 네트워크를 제공하지만, 추가 부품이 많이 필요하여 비용과 회로 기판 공간이 증가합니다. 게다가, 현대 배터리 관리 시스템(BMS)이 유선 연결을 채택할 경우, 상당한 단점이 따릅니다. 배선은 다른 모듈로 배선을 연결해야 하므로 복잡성이 증가하고 무게도 추가됩니다. 또한, 배선은 노이즈를 수신하기 쉬워 추가 필터링이 필요합니다.   무선 BMS는 통신 배선을 없애는 새로운 아키텍처입니다. 무선 BMS에서는 각 모듈 간 상호 연결이 무선 연결을 통해 이루어집니다. 다수의 셀을 가진 대형 배터리 팩에서 무선 연결은 배선 복잡성을 줄이고, 무게를 낮추며, 비용을 절감하고, 안전성과 신뢰성을 향상시킵니다. 그러나 무선 통신은 높은 EMI 환경과 RF 차폐 금속 구성 요소에 의해 발생하는 신호 전파 장애와 같은 도전에 직면합니다.

임베디드 무선 네트워크는 신뢰성과 정밀성을 향상시킬 수 있습니다

ADI에서 선보인 SmartMesh® 임베디드 무선 네트워크는 IoT(사물인터넷) 산업 분야에 적합한 애플리케이션 현장에서 검증을 완료했습니다. 경로 및 주파수의 다양성을 통해 중복성을 확보하여 산업 및 자동차와 같은 까다로운 환경에서도 99.999% 이상의 신뢰성을 제공하는 연결을 구현합니다.
 
무선 메시 네트워크는 다중 중복 연결 지점을 생성하여 신뢰성을 향상시키는 것 외에도 BMS의 기능을 확장합니다. SmartMesh 무선 네트워크는 배터리 모듈의 유연한 배치와 배터리의 SOC(State of Charge) 및 SOH(State of Health) 계산을 개선합니다. 이는 이전에는 배선 설치가 어려웠던 장소에 센서를 설치하여 더 많은 데이터를 수집함으로써 가능해집니다. 또한 SmartMesh는 각 노드로부터 시간적으로 상관된 측정 결과를 제공하여 보다 정밀한 데이터 수집을 가능하게 합니다.
 
ADI는 LTC6811 배터리 스택 모니터와 ADI SmartMesh 네트워크 기술을 통합하며 중요한 혁신을 이루었습니다. 이 통합은 전기 및 하이브리드 차량 내 대형 다중 셀 배터리 팩의 신뢰성을 높이는 동시에 비용, 무게 및 배선 복잡성을 줄일 가능성을 제시합니다.
 
LTC6811은 다중 셀 배터리 애플리케이션을 위해 설계된 배터리 스택 모니터입니다. 최대 12개의 직렬 연결된 셀의 전압을 측정할 수 있으며 총 측정 오류는 1.2mV 미만입니다. 12개의 셀 모두 측정은 290μs 이내에 완료될 수 있으며, 저노이즈 감소를 위해 더 낮은 데이터 획득 속도를 선택할 수 있습니다. LTC6811은 0V에서 5V까지의 배터리 측정 범위를 제공하며 대부분의 배터리 화학 애플리케이션에 적합합니다. 여러 장치를 데이지 체인 방식으로 연결하여 매우 긴 고전압 배터리 스택을 동시에 모니터링할 수 있습니다. 이 장치는 각 셀에 대해 패시브 밸런싱을 포함하고 있으며, 격리 장벽 양쪽의 데이터 교환이 시스템 컨트롤러에 의해 컴파일됩니다. 컨트롤러는 SOC 계산, 배터리 밸런싱 제어, SOH 확인 및 시스템 전반의 안전 한계 내 유지 책임을 집니다.
 
또한 다수의 LTC6811 장치를 데이지 체인 방식으로 연결하여 긴 고전압 배터리 스택을 동시에 모니터링할 수 있습니다. 각 LTC6811은 고속 및 RF 내성을 갖춘 원격 통신을 위한 isoSPI 인터페이스를 제공합니다. LTC6811-1을 사용할 경우, 여러 장치는 데이지 체인으로 연결되며 모든 장치가 하나의 호스트 프로세서 연결을 공유합니다. LTC6811-2를 사용할 경우, 여러 장치는 호스트 프로세서에 병렬로 연결되고, 각 장치는 개별적으로 주소가 지정됩니다.
 
LTC6811은 배터리 팩이나 격리된 전원에서 직접 전원을 공급받을 수 있으며, 각 배터리 셀에 대한 패시브 밸런싱과 함께 각 셀에 대한 개별적인 PWM 듀티 사이클 제어를 제공합니다. 추가 기능으로는 내장형 5V 레귤레이터, 5개의 범용 I/O 라인 및 슬립 모드(전류 소비가 4μA로 감소됨) 등이 포함됩니다.

셀 밸런싱은 배터리 용량과 성능을 최적화하기 위해 사용됩니다

셀 밸런싱은 배터리의 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 이는 정밀한 제조 및 선별을 통해서도 셀 간 미세한 차이가 발생할 수 있기 때문입니다. 셀 간 용량 불일치가 발생할 경우, 배터리 팩의 전체 용량이 감소할 수 있습니다. 스택(stack) 내에서 가장 약한 셀이 배터리 팩 전체 성능을 지배하게 되는 것은 명백합니다. 셀 밸런싱은 배터리가 완전히 충전되었을 때 셀 간 전압과 SOC(State of Charge)를 균등화하여 이러한 문제를 해결하는 데 도움을 주는 기술입니다.   셀 밸런싱 기술은 수동(passive) 및 능동(active) 타입으로 나뉘어집니다. 수동 밸런싱을 사용할 경우, 셀이 과충전되면 초과 충전량이 저항에서 소모됩니다. 일반적으로 션트 회로가 사용되며, 이는 저항 및 스위치로 사용되는 파워 MOSFET로 구성됩니다. 셀이 과충전되면 MOSFET가 닫혀 초과 에너지를 저항으로 소모시킵니다. LTC6811은 모니터링되는 각 셀의 충전 전류를 제어하기 위해 내장된 MOSFET을 사용하여, 모니터링되는 각 셀을 밸런싱합니다. 통합된 MOSFET은 컴팩트한 설계를 가능하게 하며, 60mA의 전류 요구를 충족할 수 있습니다. 더 높은 충전 전류를 위해서는 외부 MOSFET을 사용할 수 있습니다. 해당 장치는 또한 밸런싱 시간을 조정할 수 있는 타이머를 제공합니다.   반면에, 능동 밸런싱은 모듈 내 다른 셀들 간에 초과 에너지를 재분배합니다. 이 접근 방식은 에너지 회수와 열 발생 감소를 가능하게 하지만, 단점은 더 복잡한 하드웨어 설계가 필요하다는 점입니다.   ADI는 LT8584를 사용하여 배터리의 능동 밸런싱을 달성하기 위한 아키텍처를 도입했습니다. 이 아키텍처는 충전 전류를 능동적으로 션트하며 에너지를 배터리 팩으로 반환하여, 수동 션트 밸런서와 관련된 문제를 해결합니다. 에너지는 열로 소모되지 않으며, 대신 스택 내 나머지 배터리를 재충전하는 데 재사용됩니다. 이 장치의 아키텍처는 또한 스택 내 하나 이상의 셀이 전체 스택 용량이 소진되기 전에 안전한 저전압 임계값에 도달하여 실행 시간이 줄어드는 문제를 해결합니다. 오직 능동 밸런싱만이 강한 셀에서 약한 셀로 전하를 재분배할 수 있으며, 이를 통해 약한 셀이 부하에 전력을 계속 공급할 수 있도록 하며 배터리 팩에서 더 높은 에너지 비율을 추출할 수 있습니다. 플라이백 토폴로지는 배터리 팩 내 두 지점 사이에서 전하를 상호 이동할 수 있게 합니다. 대부분의 애플리케이션에서는 전하가 배터리 모듈(12셀 이상)로 반환되며, 다른 애플리케이션에서는 전하가 전체 배터리 스택이나 보조 전력 레일로 반환됩니다.   LT8584는 고전압 배터리 팩의 능동 밸런싱을 위해 특별히 설계된 단일 칩 플라이백 DC/DC 변환기입니다. 스위치 모드 레귤레이터의 높은 효율은 달성 가능한 밸런싱 전류를 크게 증가시키는 동시에 열 방출을 줄입니다. 또한, 능동 밸런싱은 불일치한 배터리로 구성된 스택에서 용량 회수(capacity recovery)를 가능하게 하며, 이는 수동 밸런싱 시스템으로는 달성할 수 없는 기능입니다. 기본 시스템에서는 총 배터리 용량의 99% 이상을 달성할 수 있습니다.   LT8584는 6A, 50V 통합 파워 스위치를 특징으로 하며, 애플리케이션 회로의 설계 복잡성을 줄여줍니다. 이 장치는 방전 중인 셀들에 전적으로 의존하여 작동하며, 외부 전원 스위치를 사용할 때 일반적으로 요구되는 복잡한 바이어싱(biasing) 방식을 필요로 하지 않습니다. enable 핀(DIN)은 LTC680x 시리즈 배터리 스택 모니터 IC와 원활하게 조정되도록 설계되었습니다. 또한, LTC680x 시리즈 장치와 함께 사용할 때 LT8584는 전류 및 온도 모니터링을 포함한 시스템 원격 측정 기능을 제공합니다. 비활성화 상태에서는, LT8584는 배터리에서 총 정적 전류가 20nA 미만으로 소모됩니다.

결론

저배출 차량의 핵심은 전동화에 있으며, 이는 리튬 이온 배터리와 같은 에너지원의 스마트한 관리도 요구합니다. 부적절한 관리는 배터리 팩의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있으며, 차량의 안전성을 크게 저하시킬 수 있습니다. 능동 및 수동 배터리 밸런싱 모두 안전하고 효율적인 배터리 관리를 위해 기여합니다. 분산 배터리 모듈은 지원이 용이하며, 유선 또는 무선 방식을 통해 BMS 컨트롤러에 데이터를 안정적으로 전송할 수 있어 믿을 수 있는 SOC와 SOH 계산을 가능하게 합니다. ADI는 고객들이 BMS 개발을 가속화하고 전기차 배터리의 작동 효율성과 안전성을 더욱 효율적으로 관리할 수 있도록 도와주는 포괄적인 BMS 구성 요소를 제공합니다.