수동 및 능동 밸런싱은 테스터가 초과 전하를 처리하는 방식에서 주로 다릅니다: 수동 밸런싱은 더 높은 SoC 셀에서 에너지를 제거하여 열로 소산시키는 반면, 능동 밸런싱은 해당 에너지를 더 낮은 SoC 셀로 전송합니다. 다중 셀 모듈 테스트 중 이 차이는 테스트 기간, 열 부하, 효율, 계측, 그리고 밸런싱 회로의 사용 가능한 용량 회복 능력에 영향을 미칩니다.
수동 밸런싱은 더 간단하고 저렴하지만 에너지를 열로 낭비합니다. 능동 밸런싱은 전하를 재분배하므로 더 효율적이지만 더 복잡한 하드웨어, 제어 및 검증이 필요합니다. 적절한 전략은 모듈의 밸런싱 전류, 열, 비용 및 효율 요구 사항에 따라 달라집니다.
두 밸런싱 전략의 기능
수동 바이패스 밸런싱
수동 회로는 상대적으로 높은 전압 또는 SoC를 가진 셀에 스위치 저항을 연결합니다. 활성화되면 저항이 해당 셀 주변으로 전류를 방전시켜 다른 셀만큼 빠르게 전압이 상승하지 않도록 합니다.
초과 전기 에너지는 전적으로 열로 변환됩니다. 따라서 수동 밸런싱은 일반적으로 셀 전압이 상한에 근접하는 충전 상한선 부근에서 사용됩니다.
능동 전하 전송 밸런싱
능동 회로는 더 높은 SoC 셀에서 더 낮은 SoC 셀로 전하를 이동시킵니다. 설계에 따라 스위치 커패시터, 인덕터, 변압기 또는 양방향 DC-DC 컨버터를 사용할 수 있습니다.
에너지가 버려지는 대신 전송되므로 능동 밸런싱은 열 손실을 줄이고 충전, 방전 또는 휴지 기간 동안보다 동적인 균등화를 지원할 수 있습니다.
모듈 테스트 중 차이가 나타나는 방식
수동 밸런싱을 사용한 테스트 동작
수동 밸런싱 테스트에서 테스터는 각 셀 전압을 모니터링하고 셀이 지정된 밸런싱 임계값을 초과할 때 바이패스 경로를 명령합니다. 주요 측정 항목은 다음과 같습니다:
- 바이패스 작동 전, 중, 후의 셀 전압
- 각 밸런싱 저항을 통한 방전 전류
- 밸런싱 시간
- 저항, 스위칭 소자 및 로컬 기판 온도
- 모듈에서 제거된 총 에너지
테스트는 저항 전류가 BMS 또는 모듈 어셈블리의 열 한계를 초과하지 않으면서 셀 편차를 제어하기에 충분한지 확인해야 합니다.
능동 밸런싱을 사용한 테스트 동작
능동 밸런싱의 경우 테스트 시스템은 소스 및 목적지 셀을 모두 측정해야 합니다. 중요한 측정 항목은 다음과 같습니다:
- 셀 간 전압 및 SoC 차이
- 전하 전송 전류 및 방향
- 높은 SoC 셀에서 제거된 에너지
- 낮은 SoC 셀로 전달된 에너지
- 변환 효율
- 스위칭 리플 및 전기적 노이즈
- 인덕터, 커패시터, 변압기, 스위치 및 커넥터의 온도
테스트는 또한 회로가 유효한 작동 조건에서만 전하를 전송하고 과도한 전압 변동이나 원치 않는 전류 경로를 생성하지 않는지 확인해야 합니다.
테스트 프로파일은 동일하지 않습니다
수동 밸런싱은 종종 제어된 충전 상한 시퀀스 동안 평가됩니다. 테스트는 개별 셀이 수렴하도록 허용하면서 모듈을 상한 전압 부근에 유지할 수 있습니다.
능동 밸런싱은 더 넓은 작동 프로파일을 필요로 합니다. 엔지니어는 충전, 방전, 휴지 및 의도적으로 유도된 불균형 조건에서 전하 전송을 평가하여 제어 알고리즘이 동적 조건에서 올바르게 응답하는지 확인할 수 있습니다.
각 방법이 모듈 용량에 미치는 의미
수동 밸런싱은 여전히 가장 약한 셀에 의해 제한됩니다
수동 밸런싱은 더 높은 용량의 셀에서 전하를 줄여 셀 전압을 더 균일하게 보이게 할 수 있습니다. 더 약한 셀에 전하를 추가하거나 저항을 통해 소산된 에너지를 회수할 수는 없습니다.
결과적으로 사용 가능한 모듈 용량은 여전히 가장 낮은 용량 또는 가장 제한적인 셀의 영향을 크게 받습니다. 테스트 중 엔지니어는 전압 균등화와 실제 사용 가능한 에너지 회수를 구별해야 합니다.
능동 밸런싱은 전하 활용도를 개선할 수 있습니다
능동 밸런싱은 그렇지 않으면 전압 한계에 도달할 셀에서 전하를 이동시켜 다른 셀로 전달할 수 있습니다. 이는 개별 셀이 충전 또는 방전 사이클을 조기에 제한하는 것을 지연시킬 수 있습니다.
그러나 능동 밸런싱은 심각한 용량 손실, 높은 내부 저항 또는 결함 셀의 영향을 제거하지 않습니다. 셀은 여전히 안전 및 성능 제약 조건이므로 밸런싱을 셀 등급 분류, 매칭 또는 결함 감지의 대체물로 취급해서는 안 됩니다.
전략을 객관적으로 비교하는 방법
에너지 효율 측정
수동 밸런싱의 경우 밸런싱된 에너지의 거의 모두가 열이 됩니다. 핵심 비교는 소스 셀에서 제거된 에너지 대 밸런싱 회로에서 손실된 에너지입니다.
능동 밸런싱의 경우 수신 셀로 전달된 에너지와 소스 셀에서 제거된 에너지의 비율을 계산합니다. 공칭 전송 전류만 측정하지 말고 스위칭, 전도, 자기 및 제어 손실을 포함하십시오.
열 성능 측정
수동 회로는 작동 전류가 셀 및 BMS 기판 근처에 국부적인 열을 생성하므로 직접적인 열 평가가 필요합니다. 테스트 픽스처에는 저항, 스위칭 소자, 셀 단자 및 인클로저 핫스팟 근처에 온도 센서가 포함되어야 합니다.
능동 밸런싱은 일반적으로 전송된 에너지 단위당 열을 줄이지만 열 문제를 제거하지는 않습니다. 고전류 스위치, 인덕터, 변압기, 커넥터 및 보호 부품은 여전히 중요한 열원이 될 수 있습니다.
밸런싱 속도 측정
밸런싱 전략은 의도된 애플리케이션에서 사용 가능한 시간을 기준으로 평가해야 합니다. 저전류 수동 밸런싱은 상당한 불균형을 교정하는 데 오랜 시간이 걸릴 수 있습니다.
능동 밸런싱은 적절히 설계되면 더 빠른 균등화를 지원할 수 있지만 달성 가능한 속도는 컨버터 토폴로지, 제어 한계, 셀 전압 차이, 열 설계 및 허용 전류에 따라 달라집니다.
제어 및 고장 동작 테스트
두 접근 방식 모두 잘못된 전압 감지, 밸런싱 경로의 개방 및 단락, 스위치 고장, 통신 손실 및 과온 조건에 대한 테스트가 필요합니다.
테스트 시스템은 셀이 안전한 작동 한계를 벗어날 때 밸런싱이 비활성화되고 BMS가 예상대로 응답하지 않는 셀을 감지할 수 있는지 확인해야 합니다.
트레이드오프 이해
수동 밸런싱: 단순성 대 에너지 낭비
수동 밸런싱은 비교적 간단한 회로를 사용하며 일반적으로 통합, 제어, 문제 해결 및 비용 최적화가 더 쉽습니다. 불균형이 크지 않고, 밸런싱 전류 요구 사항이 낮으며, 열 방출이 관리 가능한 경우에 적합합니다.
단점은 에너지 손실, 열 발생, 느린 균등화 및 모듈의 사용 가능한 용량을 개선하는 능력이 제한적이라는 점입니다.
능동 밸런싱: 효율 대 복잡성
능동 밸런싱은 모듈의 저장 에너지를 더 많이 보존하고 균등화와 관련된 열 부담을 줄일 수 있습니다. 모듈이 크고 에너지 효율이 중요하거나 불균형이 상당할 것으로 예상되는 경우 더 매력적입니다.
단점은 더 많은 부품 수, 더 복잡한 제어, 더 큰 전자기 및 스위칭 노이즈 고려 사항, 더 높은 비용 및 더 까다로운 검증 프로세스입니다.
밸런싱 전류만 비교하지 마십시오
더 높은 밸런싱 전류 정격이 자동으로 더 나은 설계를 의미하지는 않습니다. 테스트는 효율, 온도 상승, 셀 스트레스, 스위칭 과도 현상, 측정 정확도 및 밸런싱 전류가 전체 전압 및 SoC 범위에서 사용 가능한지 여부도 검사해야 합니다.
어셈블리 품질과 밸런싱 능력을 혼동하지 마십시오
셀 선별, 용량 매칭, 내부 저항 매칭, 일관된 기계적 압축 및 낮은 저항 인터커넥트는 BMS가 교정해야 하는 불균형을 줄입니다.
밸런싱 회로는 정상적인 편차를 보상해야 합니다. 불량한 셀 매칭, 손상된 셀, 느슨한 연결 또는 어셈블리 결함을 숨기는 데 사용해서는 안 됩니다.
테스트 프로그램에 적용하는 방법
모듈의 작동 프로파일, 예상 셀 불일치, 열 한계 및 요구되는 에너지 효율을 기반으로 밸런싱 전략을 선택하십시오.
- 주요 초점이 저비용 및 간단한 BMS 검증인 경우: 예상 불일치 및 밸런싱 전류가 적당할 때 수동 밸런싱을 사용하고 방전 전류 정확도, 밸런싱 시간 및 온도 상승 테스트를 강조하십시오.
- 주요 초점이 최대 에너지 활용인 경우: 소스-목적지 에너지 측정, 전송 효율 계산 및 동적 충전/방전 프로파일로 능동 밸런싱을 평가하십시오.
- 주요 초점이 열 관리인 경우: BMS 회로와 셀 어셈블리 모두의 온도를 포함하여 의도된 밸런싱 전류에서 측정된 열 발생을 비교하십시오.
- 주요 초점이 회수 또는 불일치 셀인 경우: 먼저 셀 등급 분류 및 매칭을 수행한 다음 선택한 밸런싱 방법이 나머지 용량, SoC 및 저항 편차를 안전하게 관리할 수 있는지 테스트하십시오.
- 주요 초점이 안전 및 생산 출시인 경우: 센서 오류, 실패한 스위칭 경로, 과온 이벤트 및 수렴하지 못하는 셀을 포함한 정상 밸런싱 및 고장 조건을 모두 테스트하십시오.
잘 설계된 모듈 테스트는 셀 전압이 수렴할 뿐만 아니라 효율적이고 안전하게 수렴하며 기본적인 셀 또는 어셈블리 문제를 숨기지 않는다는 것을 증명합니다.
요약 표:
| 전략 | 에너지 처리 | 효율 | 열 영향 | 복잡성 | 테스트 초점 |
|---|---|---|---|---|---|
| 수동 (바이패스) | 초과 에너지를 열로 소산 | 낮음~중간 | 저항 및 스위치 근처의 국부적 열 | 낮음; 간단한 회로 및 제어 | 방전 전류 정확도, 밸런싱 시간, 온도 상승, 전압 수렴 |
| 능동 (전하 전송) | 높은 SoC 셀에서 낮은 SoC 셀로 에너지 전송 | 높음; 에너지 보존 | 전송 단위당 열은 낮지만 여전히 국부적임 | 높음; 더 많은 부품 및 제어 | 전송 효율, 전달된 에너지, 동적 프로파일, 스위칭 노이즈 |
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