센서 융합을 통해 배터리 관리 시스템 성능과 배터리 수명을 향상시키는 방법

센서 융합은 전기 자동차(EV), 주거용 및 대형 발전 설비 규모의 배터리 에너지 저장 시스템(BESS), 자율 이동 로봇(AMR)과 같은 응용 분야의 배터리 관리 시스템(BMS)을 설계할 때 매우 유용하게 사용할 수 있는 기술입니다. 예를 들어, BMS에서는 배터리 성능과 수명을 극대화하기 위해 충전 상태(SoC)와 배터리 수명 상태(SoH)와 같은 중요한 특성을 모니터링하고 관리해야 합니다. 배터리의 SoC와 SoH를 파악하려면 전압, 전류, 온도 측정을 실시간으로 결합하는 센서 융합 기술을 적용하면 됩니다.

하지만 최적의 결과를 얻으려면 BMS의 센서는 높은 정확도와 환경에 대한 내구성을 갖춰야 합니다. 작은 센서 오류라도 시간이 지남에 따라 오류가 누적되면 SoC 및 SoH가 부정확하게 추정되는 결과를 초래할 수 있습니다. 또한 SoC 및 SoH를 계산할 때는 셀의 온도 이력과 함께 충전 및 방전 속도를 고려해야 합니다. 이러한 각 과제는 센서 융합을 통해 해결할 수 있습니다.

여기에서는 온도 변화가 정확도에 미칠 수 있는 영향을 포함하여 SoC와 SoH의 의미와 이를 계산하는 방법에 대해 간단히 살펴보겠습니다. 그런 다음 센서 융합을 통해 BMS 성능을 개선하는 방법을 살펴보고 자동차 및 산업용 BMS 설계에 사용할 수 있는 전압, 전류 및 온도 센서의 몇 가지 예를 소개합니다.

SoC와 SoH란 무엇인가요?

SoC는 간단히 말해 배터리의 충전량을 의미합니다. 리튬(Li) 배터리는 방전 곡선이 매우 평탄하고 약 80% 방전될 때까지 전압이 거의 일정하므로 출력 전압을 측정하는 것은 SoC를 측정하는 데 유용한 방법이 아닙니다. SoC를 측정하려면 BMS는 전류 흐름을 모니터링하고 배터리에 들어가고 나오는 전기량(쿨롱)을 측정해야 합니다.

SoC는 측정된 수치인 반면, SoH는 새 배터리일 때의 수명과 대비하며 현 배터리의 수명을 백분율로 나타낸 추정치입니다. SoH를 추정하기 위해 수많은 알고리즘이 개발되었으며, 이러한 모든 알고리즘은 센서 융합에 기반합니다. SoH 알고리즘에 사용되는 일반적인 몇 가지 파라미터는 다음과 같습니다.

• 임피던스
• 자체 방전 속도
• 충전 수용 능력
• 충전/방전 주기 횟수
• 배터리 사용 수명
• 배터리 온도 이력
• 누적된 충전 및 방전 에너지

SoC 및 SoH용 센서 융합은 개별 팩의 온도 센서, 멀티 셀 배터리 모니터의 전압 및 온도 센서, 고전압(HV) 전력 분배 버스의 전류 모니터, 메인 제어 장치의 중앙 집중식 고전압 감지 및 온도 센서 등 배터리 시스템 전체에 분산된 센서를 사용하여 구현됩니다(그림 1). SoC 및 SoH 수치를 올바르게 계산하기 위해서는 장기간 매우 정확하고 안정적이며, 혹독한 조건에서도 작동할 수 있는 센서가 필요합니다.

그림 1: BMS에서 센서 융합을 지원하려면 다양한 온도, 전압 및 전류 센서(녹색 상자)가 필요합니다. (이미지 출처: Vishay)

다행히도 Vishay에서는 BMS 설계 활동을 지원하는 다양한 부품을 제공합니다. 다음 센서는 그 중 극히 일부만을 소개한 것입니다.

HV 버스 전류 감지

WSLP 계열 저항기는 HV 버스 전류 감지 션트로서 사용하기에 매우 적합합니다. 이 저항기는 섭씨 1도당 75ppm(ppm/°C)까지의 낮은 온도 계수와 섭씨 1도당 3µV 미만의 기전력(EMF)으로 고온 응용 분야에서 고정밀 감지를 지원하며, 0.0002Ω에서부터 0.1Ω까지의 저항 값으로 제공됩니다. HV 버스 전류 감지를 위한 또 다른 방식은 2kA 이상의 펄스를 처리할 수 있는 25µΩ 이하의 저항 값을 가진 WSBS/WSBM 파워 션트를 선택하는 것입니다. 또한 WSK1216 전력 금속 스트립 저항기는 4단자 설계를 갖추고 있으며 허용 오차 범위는 1%이고 최저 저항은 0.0002Ω입니다.

전압 감지

MCA1206MD5004BP500 5MΩ 장치와 같은 박막 칩 저항기는 주 제어 장치와 배터리 모니터의 HV 감지에 사용할 수 있습니다. 이 자동차 등급 장치 제품군에서는 1Ω ~ 10MΩ의 저항 값을 사용할 수 있습니다. 이는 -55°C ~ 175°C의 작동 온도 범위와 최저 ±10ppm/K의 낮은 온도 계수로 제공됩니다. TNPW 고안정성 박막 칩 저항기는 정밀도와 오랜 안정성이 필요한 경우에 사용하도록 설계되었습니다. 1000시간 수명 테스트 후 저항 드리프트가 0.05% 이하로 낮습니다.

온도 센서

또한 Vishay는 표면 온도 감지 응용 제품을 위해 설계된 NTCALUG 계열 러그 온도 센서와 같이 특정 BMS 응용 분야에 적합한 다양한 온도 센서를 제공합니다(그림 2). 이는 전기 절연과 견고한 열 접촉을 조합하여 -40°C ~ +150°C에서 정확하고 신뢰할 수 있는 측정값을 제공합니다.

배터리 모니터 회로 및 주 제어 장치 설계에는 주변 환경으로부터의 보호를 위해 유리로 둘러싸인 NTCS 계열 표면 실장 NTC 서미스터의 이점을 활용할 수 있습니다. 이 서미스터로는 -40°C ~ +150°C 범위에서의 고감도, 고정밀 감지가 가능합니다. 세라믹 기반 기술을 사용하며 0402, 0603, 0805의 세 가지 크기로 제공됩니다.

그림 2: Vishay는 러그(왼쪽) 및 표면 실장(오른쪽) NTC 온도 센서를 포함하여 다양한 온도 센서 포장 유형을 제공합니다(크기와 비율은 실제와 다름). (이미지 출처: Vishay)

결론

센서 융합은 BMS에서 전압, 전류 및 온도를 측정하여 배터리 SoC 및 SoH를 정확하게 파악하고 배터리 수명을 연장하며 배터리 시스템 성능을 극대화하는 데 유용합니다. 위에서 살펴본 바와 같이 Vishay는 고성능 BMS 설계에 적합한 환경적으로 견고하고 정밀한 센서와 기타 부품 일체를 제공합니다.

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