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리튬 배터리 관리 시스템이 중요한 이유

과학과 기술의 혁신이 증가함에 따라 리튬 배터리가 두각을 나타내고 있습니다. 모바일 장치부터 전력 장비, 에너지 저장 장비에 이르기까지 사람들은 리튬 배터리의 핵심 배터리 관리 시스템을 간과했습니다. BMS는 배터리의 성능, 안전성, 수명을 보장할 수 있습니다. 고품질 BMS는 개선뿐만 아니라 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 잠재적인 위험도 방지합니다. 이것이 BMS의 무엇과도 바꿀 수 없는 가치입니다.

다음으로 저를 따라 리튬 이온 배터리를 살펴보고 배터리 관리 시스템의 역할을 이해해 보세요. BMS의 구성요소부터 BMS의 아키텍처, BMS의 고급 파생 기능까지 BMS의 비밀을 공개하겠습니다. 동시에 사용자 요구에 따라 적합한 배터리 관리 시스템을 선택하는 방법에 대해 논의하고 비용을 절감할 수 있는 권위 있는 지침을 제공할 것입니다. 너무 기대돼요.

리튬 이온 배터리 란?

리튬이온 배터리는 우리 생활과 떼려야 뗄 수 없는 존재입니다. 휴대폰, 노트북, 전기자동차, 휴대용 보조 배터리, 태양에너지 저장장치 등 현재 가장 핫한 이차전지로서, 이 섹션에서는 리튬전지의 장점과 특성을 살펴보고 이 핵심 기술을 완전히 이해하고자 합니다.

주요 특징 및 장점

1. 에너지 밀도: 다른 배터리 구성 요소에 비해 리튬 이온 배터리는 배터리 밀도가 높기 때문에 더 작은 저장 공간에 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.

2. 수명: 리튬 이온 배터리는 납축 배터리보다 수명이 10배 더 깁니다. BSL 리튬 배터리는 3,500회 충전 및 방전 주기 후에도 남은 용량의 80%를 유지할 수 있으며 장기적으로 더 강력한 가치를 갖습니다.

3. 유지보수가 필요하지 않습니다. 물이나 산을 추가할 필요가 없으며 정기적인 유지 관리가 필요하지 않아 납축 배터리에 비해 총 소유 비용이 절감됩니다.

4. 빠른 충전 및 방전: 리튬 배터리는 급속 충전을 지원해 납축 배터리보다 5배 빠른 충전 속도와 가동 중지 시간이 적고, 높은 방전율로 폭발적인 전력이 필요한 애플리케이션에 매우 적합합니다. 예를 들어 72V 관광용 차량이나 골프 카트가 있습니다.

5. 더 가벼운 무게: 리튬 배터리의 무게는 납산 배터리의 ¼에 불과하지만 더 많은 에너지와 더 뛰어난 유연성을 제공합니다.

6. 온도: 리튬 배터리는 극한의 기후 환경에서도 정상적으로 작동할 수 있습니다. BSL 배터리는 -30°C(-22°F)~55°C(131°F)의 온도에서 성능 저하 없이 정상적으로 작동할 수 있습니다. 더 강한 템피 타고난 유연성.

7. 방전 깊이: 리튬 배터리는 방전 깊이가 더 깊어서 정상 방전율이 90%인 반면, 납산 배터리는 40~50%에 불과합니다.

8. 환경적 이점: 리튬 이온 배터리는 무공해이며 점점 더 많은 기업이 납축 배터리를 버리고 리튬 배터리로 전환하기 시작하여 전 세계적으로 지속 가능한 그린 제로 탄소 배출에 크게 기여하고 있습니다.

리튬 배터리 애플리케이션

1. 전기자동차: 전기차, 지게차, 골프 카트 , RV.

2. 휴대용 전자 기기: 휴대폰, 노트북, 드론 등

3. 의료 장비: 심장 박동기 및 기타 의료 장비.

4. 재생에너지 저장장치: 태양 전지. 태양광 시스템.

5. 비상 전원 백업: UPS 비상 전원 시스템

6. 원격모니 토링 시스템: 리튬 이온 배터리 자체 방전율이 낮고 수명이 길어 원격 지역 모니터링 및 경보 시스템에 더 적합합니다.

7. 이동 보조 장치: 전기자전거와 전동휠체어.

배터리 관리 시스템(BMS)의 역할

배터리 팩의 두뇌인 BMS는 리튬 배터리의 안전성, 성능 및 수명을 강력하게 보장합니다. 이는 배터리가 최적의 온도, 전류 및 전압 범위 내에서 작동하도록 보장하고 배터리의 무결성을 실시간으로 모니터링 및 보호하며 사용자 안전을 안정적으로 보장합니다.

핵심 기능

1. 모니터링
BMS는 전압, 전류, 온도 등 각 배터리의 상태를 하루 종일 지속적으로 모니터링합니다. 이러한 실시간 데이터 수집은 최적의 성능을 위해 언제든지 조정할 수 있으므로 배터리 팩을 사전에 관리하는 데 필수적입니다.

2. 보호
배터리 관리 시스템은 배터리 셀을 손상 및 고장으로부터 보호하는 데 중요한 역할을 합니다. 극한 온도 조건을 관리하고 연결 및 단락을 감지합니다.
6가지 주요 보호 기능을 제공합니다.

• 충전 보호

• 방전 보호

• 과열 보호

• 단락 보호

• 과전류 보호

• 균형 보호

이러한 보호 덕분에 BMS는 배터리의 안전성과 전원 공급 장치의 전반적인 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

3. 상태 감지
배터리 관리 시스템은 배터리의 SOC(충전 상태)와 SOH(상태)를 감지할 수 있습니다.
예를 들어 SOC는 남은 배터리 전력을 확인하고 남은 주행 거리나 전원 공급 시간을 추정할 수 있습니다. SOH는 배터리 상태를 감지하고 잠재적인 배터리 문제를 가능한 한 빨리 감지할 수 있으므로 오류가 발생하기 전에 예방 및 유지 관리를 구현하는 데 도움이 됩니다.

4. 열 관리
BMS는 배터리 팩의 열 상태를 감지하는 데 중요한 역할을 합니다. 실시간 모니터링과 냉각 전략 구현을 통해 BMS는 과열 위험을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 과열은 배터리 수명을 크게 단축할 수 있으며, 심한 경우 열 폭주로 이어질 수 있습니다. BMS를 사용하면 화재를 냉각하거나 자동으로 소화하여 열 폭주를 방지할 수 있습니다.

열 폭주(Thermal runaway)는 배터리 온도가 계속 상승하여 제어할 수 없는 치명적인 반응입니다. 일반적으로 배터리 단락으로 인해 발생합니다. 단락이 발생하면 전류가 무제한으로 흐르고 열이 발생합니다.

열로 인해 내부 배터리가 손상되어 전류가 증가하고 계속해서 열이 발생합니다. 이 피드백 루프는 배터리를 심각하게 손상시킬 수 있으며 심지어 화재가 발생하거나 폭발할 수도 있습니다.

BMS는 배터리 셀의 온도를 모니터링하고 내장된 소화 시스템을 기반으로 열폭주 가능성을 방지하는 조치를 취함으로써 배터리를 종합적으로 보호할 수 있습니다.

5. 성능 최적화
BMS는 전기 및 열 관리를 통해 배터리 팩 내 셀의 균형을 보장합니다. 이 균형이 이루어지면 배터리 용량과 성능이 극대화됩니다.

6. 보고:
BMS는 배터리 작동에 관한 중요한 정보를 외부 장치에 제공합니다. 시기적절한 정보 덕분에 배터리를 효과적으로 사용하고 유지 관리할 수 있습니다.

BMS의 주요 구성 요소

1. 감지 요소

• 전압 센서

전압 모니터링 장치는 각 배터리 셀의 전압을 모니터링하는 데 필수적인 부분입니다. 배터리 안전성과 효율성은 규정을 준수하는 전압 수준을 유지하는 데 달려 있습니다. 전압 장치는 각 배터리 셀의 전압 차이를 측정합니다. 배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리 전압을 면밀히 모니터링하여 셀 밸런싱 절차를 수행하여 배터리의 모든 셀이 균등하게 충전 및 방전되도록 합니다. 또한 SOC(충전 상태)를 계산하여 배터리가 손상될 수 있는 과충전이나 과방전으로부터 배터리를 보호합니다.

• 전류 센서

전류 모니터링은 여러 가지 이유로 중요합니다. 먼저, 쿨롱 계산이라는 기술을 통해 시간에 따른 전류를 통합하여 SOC를 계산합니다. 또한 과전류나 단락 등의 이상 조건을 식별하여 보호 조치를 구현할 수 있습니다. 사용 가능한 전류 센서에는 홀 효과 센서, 션트 저항기 및 변류기가 포함됩니다. BMS 설정에서 홀 효과 센서는 AC 및 DC 전류를 모두 측정할 수 있는 유연성을 갖고 센서와 전류 전달 도체 사이에 전기적 절연을 제공하기 때문에 널리 사용됩니다.

• 온도 센서

열 센서는 배터리 온도 상태를 모니터링하는 데 사용됩니다. 배터리는 작동 시 열을 발생시키며, 열 환경은 효율성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 또한, 과열은 열 폭주라는 위험한 상태로 이어질 수 있으며, 이는 배터리 고장이나 심지어 화재까지 일으킬 수 있습니다. 이러한 문제는 열전대 및 서미스터를 포함한 온도 센서를 배터리 팩 내에 전략적으로 배치하여 해결할 수 있습니다. 기본적으로 개별 셀의 온도와 배터리 팩 주변의 주변 온도를 측정합니다. 배터리 관리 시스템(BMS)은 이러한 센서로부터 데이터를 수집하여 지능적인 결정을 내릴 수 있습니다. 이러한 결정에는 안전한 열 조건을 유지하기 위해 냉각 시스템을 활성화하거나 충전 및 방전 속도를 조정하는 것이 포함될 수 있습니다.

2. 배터리 컨트롤러

배터리는 BMS 프레임워크의 핵심 구성 요소입니다. 중앙 처리 장치 및 의사 결정 센터로서 여러 배터리 작동을 조정합니다. 사전 정의된 제어 알고리즘을 기반으로 다양한 센서에서 수집된 데이터를 처리하고 배터리가 최적의 성능과 안전성을 유지하도록 조치를 취하는 구성 요소입니다. 마이크로컨트롤러 또는 디지털 신호 프로세서(DSP)는 일반적으로 배터리 모니터 및 보호기와 함께 배터리 컨트롤러 장치에 사용됩니다.

• 배터리 모니터 및 보호기

배터리 모니터는 배터리의 전압, 전류, 온도를 지속적으로 모니터링합니다. 이 정보를 사용하여 배터리의 충전 상태, 상태 및 전반적인 상태를 확인할 수 있습니다. 배터리 모니터에서 이상이 감지되면 배터리 보호 장치가 반응합니다. 보호 장치는 손상을 방지하기 위해 배터리를 분리하거나 충전/방전 속도를 변경하는 등 적절한 조치를 취하여 배터리의 과충전 또는 과방전을 방지합니다.

• 제어 알고리즘

알고리즘은 배터리 관리 시스템(BMS)이 지능적인 결정을 내리는 데 도움이 되는 일련의 규칙과 수학적 모델입니다. 이러한 알고리즘을 설계할 때는 배터리 화학, 의도된 사용 및 원하는 성능 특성을 모두 고려해야 합니다. 매우 복잡할 수 있으며 모든 요소를 고려하여 신중하게 설계되었습니다. 예를 들어, 제어 알고리즘은 과충전을 방지하기 위해 배터리가 완전 충전에 가까워질 때 충전 전류를 어떻게 동적으로 조정해야 하는지 결정할 수 있습니다. SOC(충전 상태)를 확인하기 위해 다른 알고리즘이 전압 및 전류 센서의 데이터를 사용할 수도 있습니다. 배터리가 효율적이고 안전하게 작동하려면 이러한 알고리즘이 효과적이어야 합니다.

• 마이크로컨트롤러 또는 디지털 신호 프로세서(DSP)

마이크로컨트롤러 또는 디지털 신호 프로세서(DSP)는 배터리 컨트롤러의 핵심입니다. 제어 알고리즘은 이 구성 요소에 의해 실행됩니다. 마이크로컨트롤러는 다양성과 통합 용이성으로 인해 매우 인기 있는 범용 프로세서가 되었습니다. 데이터 수집, 통신 및 제어 알고리즘 실행뿐만 아니라 다른 많은 작업을 처리하는 기능도 있습니다. 반면에 DSP는 수치 처리에 탁월한 특수 프로세서입니다. DSP는 특정 애플리케이션, 특히 고속 데이터 처리가 필요한 애플리케이션에 선호될 수 있습니다. 마이크로컨트롤러와 DSP는 궁극적으로 BMS와 해당 애플리케이션의 특정 요구 사항에 따라 선택됩니다.

3.통신 인터페이스

통신 인터페이스는 BMS의 핵심 구성 요소로, 장치나 다른 시스템과 정보를 교환할 수 있습니다. 통신 인터페이스에는 데이터 로깅, 보고 및 통신 프로토콜이 포함됩니다.

통신 프로토콜
BMS의 장치 간 데이터 형식과 교환은 통신 프로토콜에 의해 제어됩니다. 이러한 프로토콜은 장치가 서로를 이해하고 성공적으로 통신할 수 있도록 보장하는 데 필요합니다. 일반적인 BMS 관행은 다음과 같습니다.

• CAN(컨트롤러 영역 네트워크): 자동차 응용 분야에 자주 사용됩니다. 실시간 통신을 지원하며 신뢰성과 내구성이 좋습니다.

• I2C(내부 집적 회로): 임베디드 시스템에서 I2C는 저속 주변 장치를 연결하는 데 자주 사용됩니다. 일반적으로 단거리 통신을 하는 단일 장치에 사용됩니다.

• 직렬 주변기기 인터페이스(SPI): SPI는 임베디드 시스템에 적합하며 근거리 통신에 사용됩니다. I2C 프로토콜보다 빠르므로 고속 요구 사항이 있는 애플리케이션에 사용됩니다.

• 모드버스: 산업 환경에서 자주 사용됩니다. 동일한 네트워크에 연결된 여러 장치 간에 통신이 가능하다는 장점이 있습니다.

• RS-485: RS-485는 1980년대 중반에 등장하기 시작한 직렬 통신 프로토콜로 원래 산업용으로 개발되었습니다. 정보통신산업협회와 전자산업연맹이 공동으로 발행합니다.

• 블루투스: 스마트폰, 모바일 기기 등 개인용 기기에 데이터를 전송하는 무선 통신 기술입니다.

데이터 로깅 및 보고

BMS는 특정 기간 동안의 전압, 전류, 온도 및 SOC에 대한 데이터를 기록합니다. 이를 통해 잠재적인 위험에 대한 성능 분석 및 문제 해결이 용이해집니다.

이 데이터를 다른 시스템 및 장치로 전송함으로써 보고 프로세스가 외부화됩니다. 예를 들어 SOC는 BMS를 통해 전기차 대시보드에 표시돼 운전자가 언제든지 전력량과 예상 주행거리를 확인할 수 있다. 산업용 애플리케이션에서 BMS는 모니터링 및 제어를 위해 중앙 제어 시스템에 데이터를 제공할 수 있습니다.

4. 보호회로

배터리 시스템의 안전성과 신뢰성을 보장하기 위해 보호 회로는 BMS의 중요한 부분입니다. 잠재적으로 유해하거나 위험한 상황을 방지하기 위해 배터리 상태를 지속적으로 모니터링하고 실시간으로 조정하거나 개입합니다.

BMS에는 네 가지 주요 안전 기능이 있습니다.

• 과충전 방지

• 과방전 보호

• 짧은 회로 보호

• 열 보호

5.밸런싱 회로

밸런싱 회로는 BMS 프레임워크의 기본 구성 요소입니다. 다중 셀로 구성된 배터리 팩에서는 배터리 팩 내의 모든 셀이 동일한 충전 상태(SOC)를 갖도록 하기 위해 셀 밸런싱이 필수적입니다. 최적의 성능을 보장하는 것 외에도 배터리 팩의 내구성과 신뢰성도 향상됩니다.

• 패시브 밸런싱:
패시브 밸런싱에는 SOC가 높은 셀에서 SOC가 더 높은 셀의 전하가 낮은 셀로 과도한 에너지를 열의 형태로 분산시키는 작업이 포함됩니다.

• 액티브 밸런싱:
수동 밸런싱과 달리 능동 밸런싱은 전하를 놓아 두는 대신 셀 간에 전하를 재분배합니다. DC-DC 컨버터, 인덕터, 커패시터는 모두 액티브 밸런싱에 사용됩니다. 활성 밸런싱 중에 SOC가 높은 셀에서 SOC가 낮은 셀로 에너지가 전달됩니다.

배터리 관리 시스템의 유형

1. 중앙 집중식 BMS 건축학

배터리 어셈블리에는 중앙 BMS가 하나만 있으며 모든 배터리 팩은 중앙 BMS에 직접 연결됩니다.

장점:

컴팩트하고 저렴합니다.

단점:

배터리가 모두 BMS에 연결되어 있기 때문에 많은 포트 연결이 가능합니다. 필수이므로 있다 많은 나중에 유지 관리가 불편한 배선 하니스 케이블.

2. 모듈형 BMS 토폴로지

중앙 집중식 BMS와 유사하게 모듈식 BMS는 여러 개의 반복 모듈로 나누어져 있으며 각 모듈에는 인접한 배터리 팩에 연결하기 위한 자체 와이어 묶음이 있습니다. 이러한 BMS 서브모듈은 서브모듈의 상태를 모니터링하고 주변 장치와 통신하는 마스터 BMS 모듈에 의해 모니터링될 수 있습니다.

장점:

모듈성은 문제 해결 및 유지 관리에 더 도움이 되며 배터리 팩을 확장하는 것도 편리합니다.

단점:

총 비용이 더 높으며 다양한 애플리케이션으로 인해 사용되지 않는 중복 기능이 있을 수 있습니다.

3.마스터/슬레이브 BMS

모듈형 토폴로지와 유사하게 슬레이브 장치는 측정 정보를 전달하는 것으로 제한되는 반면, 마스터 장치는 계산, 제어 및 외부 통신을 담당합니다. 모듈식 유형과 유사하지만 슬레이브 장치는 기능이 더 단순하고 잠재적으로 오버헤드가 적으며 사용되지 않는 기능이 적은 경향이 있습니다.