배터리 관리 시스템의 혁신이 EV 채택을 증가시키는 방법

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완전 전기 미래의 현실은 BMS, 온보드 충전기 및 DC/DC 컨버터, 트랙션 인버터로 구성된 전기 파워트레인 시스템의 혁신을 필요로 합니다. 이러한 시스템의 중심에는 전기화를 가능하게 하는 반도체 구성 요소가 있습니다.

한눈에 보기

BMS(배터리 관리 시스템)는 하이브리드 전기 자동차(HEV) 및 전기 자동차(EV)의 폭넓은 채택으로 진화했습니다. 이 백서에서는 BMS 개발에 영향을 미치는 추세와 주요 하위 시스템이 함께 작동하여 안전성과 효율성을 높이는 방법을 자세히 살펴봅니다.

1 BMS의 작동 원리 및 산업 동향	3개의 주요한 BMS 하위 시스템을 통합하여 안전하고 효율적인 배터리 팩을 지원하는 방법을 검토하고, 무선 BMS를 포함한 새로운 배터리 화학 물질과 BMS 추세를 살펴보십시오.
2 배터리 용량 및 배터리 상태에 대한 고급 추정	배터리의 남은 충전량을 정확하게 측정하면 남은 주행 가능 거리에 직접적인 영향을 미칩니다. CSU(셀 감시 장치)에 대해 자세히 알아보고 배터리 팩의 이점을 극대화하기 위해 셀 상태 측정 방법을 자세히 살펴보십시오.
3 기존의 배터리 정션 박스(BJB)와 지능형 배터리 정션 박스(BJB) 비교	실리콘 혁신이 어떻게 지능형 BJB라고 하는 현대적인 아키텍처로의 전환을 가능하게 하는지 알아보고, 통신 인터페이스로서 배터리 제어 유닛(BCU)의 역할에 대해 알아보십시오.

Authors

Mark Ng

Sector general manager

HEV/EV powertrain

Issac Hsu

Marketing manager

Battery management systems

Taylor Vogt

Applications manager

Battery management systems

BMS는 배터리 손상으로부터 보호하고, 지능형 충전 및 방전 알고리즘을 통해 배터리 수명을 연장하고, 남은 배터리 수명을 예상하며, 배터리를 작동 상태로 유지합니다. 리튬 이온 배터리 셀은 아주 어려운 과제를 안고 있으며, 정교한 전자 제어 시스템을 요구합니다. 또한 화재와 폭발로 인한 심각한 부상 위험이 있습니다. 따라서 BMS는 모든 성능, 안전 및 비용 지표를 충족하기 위해 첨단 실리콘이 필요합니다.

일반적으로 모든 설계자가 향상하기 위해 노력하는 세 가지 주요 BMS 과제는 주행 거리 최대화, 비용 향상 및 안전성 향상입니다.

이러한 문제 중 하나를 해결하면 다른 문제에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다. 이 백서에서는 세 가지 과제를 모두 해결할 수 있는 몇 가지 새로운 트렌드에 대해 설명합니다.

BMS의 작동 원리 및 산업 동향

분산 BMS 아키텍처(그림 1)는 모듈식 구조를 가지고 있으며, 일반적으로 CSU(셀 감시 유닛), BCU(배터리 제어 유닛) 및 BDU(배터리 분리 유닛)의 세 가지 주요 서브시스템으로 구성됩니다.

그림 1 일반적인 BMS 아키텍처.

업계에서는 표 1에 나열된 하위 시스템의 이름이 서로 다르기 때문에 다양한 이름 및 머리글자에 대한 기준을 설정하는 것이 좋습니다.

표 1 BMS 서브시스템에 대한 일반적인 업계 약어.

서브 시스템 이름	일명:	약어
셀 감시 장치	셀 감시 회로 셀 모니터 유닛	CSU CSC CMU
BCU(Battery Control Unit)	배터리 전기 컨트롤러 배터리 에너지 컨트롤 모듈 배터리 관리 유닛	BCU BEC BECM BMU
배터리 분리 유닛	배터리 정션 박스	BDU BJB

CSU는 각 셀의 전압과 온도를 감지하여 모든 배터리 셀의 매개변수 정보를 수집합니다. CSU는 셀 밸런싱을 수행하여 배터리 셀 사이의 불일치를 보상하는 데 도움이 됩니다. BCU는 CSU의 매개 변수 정보를 포함해야 하며 팩 관리를 수행하기 위해 배터리 팩의 전압 및 전류도 감지해야 합니다. BCU는 수집된 모든 전압, 전류 및 온도 데이터에 따라 각 배터리 셀의 전체 상태에 따라 배터리 충전 및 방전 방법을 할당합니다. 배터리 상태에 대한 지속적인 모니터링은 충전 상태, 전원 상태 및 상태 계산을 통해 수행됩니다. BCU는 절연 모니터링을 수행하고, 충돌 또는 단락 발생 시 접촉기를 제어하고, 온도 센서를 지속적으로 모니터링하고, 진단을 수행하여 모든 수신 매개 변수가 실제로 유효한지 점검해야 하므로 지능형 보호 제어는 BCU의 중요한 기능입니다. 이 정보는 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 자동차 컨트롤 유닛 또는 전자 컨트롤 유닛으로 전송됩니다.

새로운 배터리 케미스트리

리튬 이온은 다양한 화학 성분을 나타낼 수 있지만 궁극적으로 금속 산화물 음극과 흑연 양극의 충전 및 방전 반응을 기반으로 하는 배터리로 구성됩니다. 더 인기 있는 리튬 이온 화학 성분 중 두 가지는 니켈 망간 코발트(NMC)와 리튬-철 인산염(LFP)입니다.

NMC는 탁월한 에너지 밀도 때문에 주된 화학 성분으로서, 주행 거리에 직접적인 영향을 미칩니다. 그러나 최근 몇 년 동안 니켈과 코발트에 대한 수요가 급증했으며 자동차 제조업체는 격변하는 시장을 헤지하기 위한 전략을 채택하고 있습니다. 니켈과 코발트도 희귀하고 지구에서 추출하기가 어렵습니다.

LFP는 여전히 소수 화학 성분이지만 에너지 밀도는 낮지만 상당한 장점이 있습니다. LFP는 비싸고 희귀한 니켈 및 코발트 원소가 없으며 비용이 적게 듭니다. 또한 사이클 수명이 길기 때문에 수명이 길어집니다. 또한 LFP 배터리는 니켈과 코발트 배터리보다 안정성이 높고 화재 발생 가능성이 낮으므로 보호 장치가 덜 필요합니다.

따라서 LFP는 주행 거리가 경제성, 안전성 또는 지구 친화성(코발트 및 니켈 사용 안 함)만큼 중요하지 않은 대용량 차량 부문에서 가장 중요한 화학 물질이 될 가능성이 높습니다. LFP는 매우 평평한 방전 곡선을 나타내기 때문에 매우 정확한 배터리 모니터링 기술이 필요합니다. BMS의 다음 단계 문서에서 기사에서 첨단 반도체가 어떻게 새로운 배터리 화학 분야에서 BMS 아키텍처를 지원하는지 알아보십시오. 보다 안전하고 경제적인 전기 자동차.

한편 일부 벤더들은 LFP와 경쟁하기 위해 더 저렴한 가격의 나트륨 이온 세포를 사용하는 것을 검토하고 있습니다.

액체 전해질을 사용하는 기존의 리튬 이온 배터리와 달리, 솔리드 스테이트 배터리는 유리, 세라믹, 고체 폴리머 또는 아황산염으로 구성된 고체 전해질을 사용합니다. 여러 자동차 제조업체에서는 더 나은 에너지 밀도, 향상된 신뢰성 및 노후화 특성, 훨씬 빠른 충전, 그리고 가장 중요한 안전 개선과 같은 고유한 성능 장점을 감안하여 솔리드 스테이트 배터리를 연구하고 있습니다. 고온에서 액체 전해질은 인화성이 됩니다. 고체 전해질은 열 안정성을 높여 화재나 폭발의 위험을 제한할 수 있습니다.