활성 전하 균형 방법 분석

뮌헨에 기반을 둔 Infineon Technologies의 자동차 시스템 엔지니어링 부서는 최근 전기 자동차 개발 과제를 받았습니다. 전기자동차는 주행이 가능한 차량으로 하이브리드 전기자동차의 전기적 성능을 입증하는데 큰 의미가 있다. 자동차는 대형 리튬 배터리 팩으로 구동되며 개발자는 균형 잡힌 배터리가 필요하다는 것을 이해합니다. 이 경우 기존의 단순 충전 밸런싱 방식 대신 배터리 간 자동 에너지 전달 방식을 선택해야 합니다. 그들이 개발한 자가충전 밸런싱 시스템은 의무 요금제와 같은 비용으로 우수한 기능을 제공할 수 있다.

배터리 구조

Ni-Cd 및 Ni-MH 배터리는 수년 동안 배터리 시장을 지배해 왔습니다. 18650 리튬 배터리는 출시된 지 얼마 되지 않은 제품이지만, 상당한 성능 향상으로 시장 점유율이 빠르게 상승하고 있다. 리튬 배터리의 저장 용량은 인상적이지만, 그럼에도 불구하고 단일 배터리의 용량으로는 하이브리드 엔진의 요구 사항을 충족시키기에 전압이나 전류가 부족합니다. 여러 배터리를 병렬로 연결하여 배터리 전원 공급 전류를 높이고 여러 배터리를 직렬로 연결하여 배터리 전원 공급 전압을 높일 수 있습니다.

배터리 조립업체는 3P50S와 같은 배터리 제품을 설명하기 위해 두문자어를 사용합니다. 이는 3개의 병렬 배터리와 50개의 배터리가 직렬로 구성된 배터리 팩을 의미합니다.

모듈식 구조는 여러 시리즈의 배터리 셀을 포함하여 배터리를 취급하는 데 이상적입니다. 예를 들어, 3P12S 배터리 어레이에서 12개의 배터리 셀마다 직렬로 연결되어 블록을 형성합니다. 이 배터리는 마이크로컨트롤러를 중심으로 하는 전자 회로에 의해 제어되고 균형을 잡을 수 있습니다.

배터리 모듈의 출력 전압은 직렬로 연결된 배터리의 수와 각 배터리의 전압에 따라 달라집니다. 리튬 배터리의 전압은 일반적으로 3.3V ~ 3.6V이므로 배터리 모듈의 전압은 약 30V ~ 45V입니다.

하이브리드 전원은 450볼트 DC 전원 공급 장치로 구동됩니다. 충전 상태에 따른 배터리 전압의 변화를 보상하기 위해서는 배터리 팩과 엔진 사이에 DC-DC 컨버터를 연결하는 것이 적절하다. 컨버터는 또한 배터리 팩의 전류 출력을 제한합니다.

DC-DC 컨버터가 최상의 상태로 작동하려면 배터리 전압이 150V ~ 300V 사이여야 합니다. 따라서 직렬로 5~8개의 배터리 모듈이 필요합니다.

균형의 필요성

전압이 허용 한계를 초과하면 리튬 배터리가 쉽게 손상됩니다(그림 2 참조). 전압이 상한 및 하한(나노인산리튬 전지의 경우 2V, 상한의 경우 3.6V)을 초과하는 경우 배터리가 복구할 수 없는 손상을 입을 수 있습니다. 그 결과, 적어도 배터리의 자체 방전이 가속화됩니다. 배터리의 출력 전압은 넓은 충전 상태(SOC) 범위에서 안정적이며, 안전 범위 내에서는 전압이 기준을 초과할 위험이 거의 없습니다. 그러나 안전 범위의 양쪽 끝에서 충전 곡선은 비교적 가파르다. 따라서 예방 조치로 전압을 면밀히 모니터링 할 필요가 있습니다.

전압이 임계값에 도달하면 방전 또는 충전 프로세스를 즉시 중지해야 합니다. 견고한 균형 회로의 도움으로 관련 배터리의 전압을 안전한 척도로 되돌릴 수 있습니다. 그러나 이렇게 하려면 한 셀의 전압이 다른 셀의 전압과 달라지기 시작할 때 회로가 셀 간에 에너지를 전달할 수 있어야 합니다.

전하 균형 방법

1. 기존 필수: 일반적인 배터리 처리 시스템에서 각 배터리는 스위치를 통해 부하 저항에 연결됩니다. 이 강제 회로는 개별적으로 선택된 배터리를 방전할 수 있습니다. 그러나 이 방법은 가장 강한 배터리의 전압 상승을 억제하기 위해서만 재충전할 수 있습니다. 전력 소비를 제한하기 위해 회로는 일반적으로 100mA의 작은 전류에서만 방전을 허용하므로 몇 시간이 걸리는 충전 균형이 발생합니다.

2. 자동 밸런싱 방법: 재료와 관련된 많은 자동 밸런싱 방법이 있으며, 모두 에너지를 운반하기 위해 에너지 저장 요소가 필요합니다. 커패시터가 저장 요소로 사용되는 경우 배터리에 연결하려면 많은 스위치 어레이가 필요합니다. 보다 효과적인 방법은 자기장에 에너지를 저장하는 것입니다. 회로의 핵심 구성 요소는 변압기입니다. 프로토타입은 Infineon 개발 팀이 Vogt Electronic Components Co., Ltd.와 협력하여 개발했습니다. 그 기능은 다음과 같습니다.

A. 배터리 간 에너지 전달

ADC 입력의 기본 전압에 여러 셀의 전압을 연결합니다.

회로는 역 스캔 변압기의 원리를 사용합니다. 이 변압기는 자기장에 에너지를 저장할 수 있습니다.