출처 : electronicdesign.com
배터리 관리 시스템 아키텍처
배터리 관리 시스템 (BMS)은 일반적으로 컷오프 전계 효과 송신기 (FET), 연료 게이지 모니터, 셀 전압 모니터, 셀 전압 밸런스, 실시간 클록, 온도 모니터 및 상태 머신(그림 1). 여러 유형의 BMS IC를 사용할 수 있습니다.
기능 블록의 그룹화는 밸런싱 및 모니터링을 제공하고 마이크로 컨트롤러가 필요한 ISL94208과 같은 단순한 아날로그 프런트 엔드부터 자율적으로 실행되는 독립형 통합 솔루션 (예 : ISL94203)에 이르기까지 매우 다양합니다. 이제 각 블록의 목적과 기술은 물론 각 기술의 장단점을 살펴 보겠습니다.
컷오프 FET 및 FET 드라이버
FET 드라이버 기능 블록은 배터리 팩의 연결 및 부하와 충전기 간의 절연을 담당합니다. FET 드라이버의 동작은 배터리 셀 전압, 전류 측정 및 실시간 감지 회로의 측정을 기반으로합니다. 그림 2는 부하와 충전기, 배터리 팩 사이의 두 가지 다른 유형의 FET 연결을 보여줍니다.
그림 2A는 배터리 팩에 가장 적은 수의 연결을 필요로하며 배터리 팩 작동 모드를 충전, 방전 또는 절전 모드로 제한합니다. 현재의 흐름 방향과 특정 실시간 테스트의 동작에 따라 장치의 상태가 결정됩니다.
2. 부하와 충전기 (A) 사이의 단일 연결에 대한 차단 FET 회로도와 동시 충전 및 방전 (B)을 허용하는 2 단자 연결이 표시됩니다.
예를 들어, ISL94203에는 컷오프 FET의 오른쪽에있는 전압을 모니터링하는 채널 모니터 (CHMON)가 있습니다. 충전기가 연결되어 있고 배터리 팩이 분리되어있는 경우 배터리 팩을 향한 전류 주입으로 인해 전압이 충전기의 최대 공급 전압까지 상승합니다. CHMON의 전압 레벨이 트립되어 BMS 장치가 충전기가 있음을 알 수 있습니다. 부하 연결을 확인하기 위해 부하가 있는지 확인하기 위해 부하에 전류가 주입됩니다. 전류를 주입 할 때 핀의 전압이 크게 상승하지 않으면 결과에 따라 부하가 존재하는 것으로 결정됩니다. 그러면 FET 드라이버의 DFET가 켜집니다. 그림 2B의 연결 방식을 사용하면 충전 중에 배터리 팩을 작동 할 수 있습니다.
FET 드라이버는 배터리 팩의 높거나 낮은쪽에 연결하도록 설계 할 수 있습니다. 하이 사이드 연결에는 NMOS FET를 활성화하기 위해 차지 펌프 드라이버가 필요합니다. 하이 사이드 드라이버를 사용하는 경우 나머지 회로에 대한 견고한 접지 참조를 허용합니다. 로우 사이드 FET 드라이버 연결은 차지 펌프가 필요하지 않기 때문에 비용을 줄이기 위해 일부 통합 솔루션에서 발견됩니다. 또한 더 큰 다이 영역을 소비하는 고전압 장치가 필요하지 않습니다. 낮은 쪽의 차단 FET를 사용하면 배터리 팩의 접지 연결이 플로팅되어 측정에 주입되는 노이즈에 더 취약합니다. 이는 일부 IC의 성능에 영향을 미칩니다.
연료 게이지 / 전류 측정
연료 게이지 기능 블록은 배터리 팩에 들어오고 나가는 전하를 추적합니다. 요금은 현재와 시간의 곱입니다. 연료 게이지를 설계 할 때 몇 가지 다른 기술을 사용할 수 있습니다.
저 분해능 ADC (아날로그-디지털 컨버터)가 내장 된 전류 감지 증폭기와 MCU는 전류 측정 방법 중 하나입니다. 높은 공통 모드 환경에서 작동하는 전류 감지 증폭기는 신호를 증폭하여 고해상도 측정을 가능하게합니다. 하지만이 디자인 기술은 동적 범위를 희생합니다.
다른 기술은 고분해능 ADC 또는 값 비싼 연료 게이지 IC를 사용합니다. 부하 동작의 전류 소비 대 시간을 이해하면 최상의 연료 게이지 설계 유형이 결정됩니다.
가장 정확하고 비용 효율적인 솔루션은 오프셋이 낮고 공통 모드 정격이 높은 16 비트 이상의 ADC를 사용하여 감지 저항기의 전압을 측정하는 것입니다. 고해상도 ADC는 속도를 희생하면서 넓은 동적 범위를 제공합니다. 배터리가 전기 자동차와 같은 불규칙한 부하에 연결되면 느린 ADC가 부하에 전달되는 고 크기 및 고주파 전류 스파이크를 놓칠 수 있습니다.
불규칙한 부하의 경우 전류 감지 증폭기 프런트 엔드가있는 SAR (연속 근사 레지스터) ADC가 더 바람직 할 수 있습니다. 오프셋 오류는 배터리 충전량의 전체 오류에 영향을줍니다. 시간이 지남에 따라 측정 오류가 발생하면 심각한 충전 상태 배터리 팩 오류가 발생합니다. 충전을 측정 할 때는 16 비트 분해능으로 50µV 이하의 측정 오프셋이 적합합니다.
셀 전압 및 배터리 수명 최대화
배터리 팩에있는 각 셀의 셀 전압을 모니터링하는 것은 전반적인 상태를 확인하는 데 필수적입니다. 모든 셀에는 적절한 작동 및 배터리 수명을 보장하기 위해 충전 / 방전이 발생해야하는 작동 전압 창이 있습니다. 애플리케이션에서 리튬 화학 배터리를 사용하는 경우 작동 전압은 일반적으로 2.5V에서 4.2V 사이입니다. 전압 범위는 화학 물질에 따라 다릅니다. 전압 범위 밖에서 배터리를 작동하면 셀의 수명이 크게 줄어들고 쓸모 없게 될 수 있습니다.
셀은 직렬 및 병렬로 연결되어 배터리 팩을 형성합니다. 병렬 연결은 배터리 팩의 전류 드라이브를 증가시키는 반면 직렬 연결은 전체 전압을 증가시킵니다. 셀의 성능에는 분포가 있습니다. 시간이 0 일 때 배터리 팩 셀의 충전 및 방전 속도는 동일합니다. 각 셀이 충전과 방전 사이를 순환함에 따라 각 셀의 충전 및 방전 속도가 변경됩니다. 그 결과 배터리 팩 전체에 분산 분포가 생깁니다.
배터리 팩이 충전되었는지 확인하는 간단한 방법은 각 셀의 전압을 설정된 전압 수준으로 모니터링하는 것입니다. 전압 한계에 도달하는 첫 번째 셀 전압은 배터리 팩 충전 한계를 트립합니다. 평균보다 약한 셀 배터리 팩은 가장 약한 셀이 먼저 한계에 도달하여 나머지 셀이 완전히 충전되지 않도록합니다.
설명한대로 충전 방식은 충전 당 배터리 팩 ON 시간을 최대화하지 않습니다. 충전 방식은 더 많은 충전 및 방전주기가 필요하기 때문에 배터리 팩의 수명을 줄입니다. 약한 세포는 더 빨리 방전됩니다. 방전주기에서도 발생합니다. 약한 셀이 방전 한계를 먼저 트립하고 나머지 셀은 남은 전하를 남깁니다.
배터리 팩 충전 당 ON 시간을 개선하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 첫 번째는 충전주기 동안 가장 약한 셀로의 충전 속도를 늦추는 것입니다. 이는 셀 전체에 전류 제한 저항이있는 바이 패스 FET를 연결하여 수행됩니다.(그림 3A). 전류가 가장 높은 셀에서 전류를 가져 와서 셀 충전 속도가 느려집니다. 결과적으로 다른 배터리 팩 셀이 따라 잡을 수 있습니다. 궁극적 인 목표는 모든 셀이 동시에 완전히 충전 된 한도에 도달하도록하여 배터리 팩의 충전 용량을 최대화하는 것입니다.
3. 바이 패스 셀 밸런싱 FET는 충전주기 (A) 동안 셀의 충전 속도를 늦 춥니 다. 액티브 밸런싱은 방전주기 동안 강한 셀에서 전하를 훔치고 약한 셀 (B)에 전하를 제공하는 데 사용됩니다.
두 번째 방법은 충전 변위 방식을 구현하여 방전 사이클에서 배터리 팩의 균형을 맞추는 것입니다. 이는 알파 셀에서 유도 결합 또는 용량 저장을 통해 충전하고 저장된 전하를 가장 약한 셀에 주입함으로써 달성됩니다. 이는 가장 약한 셀이 방전 한계에 도달하는 데 걸리는 시간을 늦 춥니 다.(그림 3B).
온도 모니터링
오늘날의 배터리는 일정한 전압을 유지하면서 많은 전류를 전달합니다. 이로 인해 배터리에 불이 붙는 폭주 상태가 발생할 수 있습니다. 배터리를 구성하는 데 사용되는 화학 물질은 휘발성이 매우 높습니다. 배터리가 올바른 물체에 찔려도 배터리에 불이 붙을 수 있습니다. 온도 측정은 안전을 위해서만 사용되는 것이 아니라 배터리를 충전 또는 방전하는 것이 바람직한 지 여부도 결정할 수 있습니다.
온도 센서는 ESS (에너지 저장 시스템) 애플리케이션의 경우 각 셀을 모니터링하고 더 작고 휴대 가능한 애플리케이션의 경우 셀 그룹을 모니터링합니다. 내부 ADC 전압 레퍼런스에 의해 전원이 공급되는 서미스터는 일반적으로 각 회로의 온도를 모니터링하는 데 사용됩니다. 또한 내부 전압 레퍼런스는 온도 판독 값과 환경 온도 변화의 부정확성을 줄이는 데 도움이됩니다.
상태 머신 또는 알고리즘
대부분의 BMS 시스템에는 감지 회로의 정보를 관리 한 다음 수신 된 정보로 결정을 내리기 위해 MCU (마이크로 컨트롤러) 또는 FPGA (Field-Programmable Gate Array)가 필요합니다. ISL94203과 같은 특정 장치에서 디지털로 인코딩 된 알고리즘은 하나의 칩으로 독립형 솔루션을 가능하게합니다. 독립형 솔루션은 MCU에 결합 할 때도 유용합니다. 독립형 상태 머신을 사용하여 MCU 클록 사이클과 메모리 공간을 확보 할 수 있기 때문입니다.
기타 BMS 빌딩 블록
다른 기능적인 BMS 블록에는 배터리 인증, 실시간 클록 (RTC), 메모리 및 데이지 체인이 포함될 수 있습니다. RTC와 메모리는 블랙 박스 애플리케이션에 사용됩니다. RTC는 타임 스탬프로 사용되며 메모리는 데이터 저장에 사용됩니다. 이를 통해 사용자는 치명적인 사건이 발생하기 전에 배터리 팩의 동작을 알 수 있습니다. 배터리 인증 블록은 BMS 전자 장치가 타사 배터리 팩에 연결되는 것을 방지합니다. 전압 레퍼런스 / 레귤레이터는 BMS 시스템 주변의 주변 회로에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 마지막으로, 데이지 체인 회로는 스택 된 장치 간의 연결을 단순화하는 데 사용됩니다. 데이지 체인 블록은 광 커플러 또는 기타 레벨 시프 팅 회로의 필요성을 대체합니다.
