맞춤형 배터리 BMS 및 통신 옵션 가이드

배터리 관리 시스템은 단순한 보호 회로 그 이상입니다. 맞춤형 배터리 팩의 BMS는 배터리 작동 상태를 모니터링하고, 셀을 보호하며, 충전 및 방전을 조절하고, 배터리 용량을 측정하며, 필요 시 외부 배터리 장치와 통신할 수 있습니다.

올바른 BMS 설계는 배터리 화학, 직렬 구성, 작동 전류, 최대 부하, 충전기, 작동 온도 및 제품 제어 요구사항에 기반합니다. 간단한 휴대용 기기에는 매우 기본적인 보호가 필요할 수 있지만, 의료 기기, 로봇 또는 산업 시스템은 연료 측정, 데이터 로깅, 실시간 통신이 필요할 수 있습니다.

배터리 관리 시스템이란 무엇인가요?

BMS는 배터리 팩 내 충전식 셀을 제어하는 장치입니다. 이 장치는 배터리를 일정한 전압, 전류, 온도 제한 내에 유지하는 주요 역할을 합니다.

용도에 따라 맞춤형 배터리 BMS는 다음을 포함할 수 있습니다:

과충전 보호
과방전 보호
과전류 보호
단락 방지
온도 모니터링
셀 밸런싱
충전 및 방전 제어
전하 상태 추정
건강 상태 모니터링
사이클 카운트 기록
단층 역사
장치 통신
배터리 인증

이 모든 기능이 모든 프로젝트에 필요한 것은 아닙니다. 불필요한 기능들은 PCB 크기 확장, 현상 및 단위 비용을 초래합니다. BMS는 실제 제품 요구사항에 기반해야 합니다.

기본 보호 BMS

기본 보호 BMS는 휴대용 전자기기, 조명 응용, 스피커, 뷰티 기기 등 호스트 컴퓨터와의 배터리 데이터 교환이 필요 없는 기타 응용 분야에서 가장 인기 있는 BMS 유형입니다.

일반적으로 다음을 모니터링합니다:

개별 셀 전압
팩 커런트
배터리 온도
충전 및 방전 상태

설정된 한계를 초과하면 보호 회로가 충전 또는 방전 라인을 차단합니다.

설정은 선택한 셀과 애플리케이션과 동일해야 합니다. 보호 기능이 너무 낮게 설정되면 정상적인 피크 부하 상태에서 예상치 못한 정지가 발생할 수 있습니다. 너무 높게 설정하면 원하는 보호를 제공하지 못할 수 있습니다.

스마트 BMS

스마트 BMS는 보호 기능과 모니터링, 계산, 저장 및 통신 기능이 결합된 형태입니다.

호스트 장치에 다음과 같은 정보를 포함할 수 있습니다:

팩 전압
개별 셀 전압
충전 또는 방전 전류
남은 수용 능력
배터리 퍼센트
온도
사이클 카운트
예상 러닝타임
고장 상태
제조 데이터

스마트 배터리 팩의 일반적인 응용 분야로는 의료기기, 로봇, AGV, 산업 장비, P.O.S/전문 휴대용 시스템 등이 있습니다.

셀 밸런싱 옵션

직렬로 연결된 셀 간에 일정 기간 동안 전압과 용량의 차이가 발생할 수 있습니다. 이러한 격차를 최소화하고 팩의 사용 가능한 용량을 극대화하기 위해 균형을 맞출 수 있습니다.

수동 균형

수동 균형은 일반적으로 저항기를 통해 열의 형태로 고전압 전력 셀에서 에너지를 받습니다. 비교적 간단하고 작으며 맞춤형 배터리 팩에 널리 사용됩니다.

능동적 균형

능동 균형 – 에너지를 소산시키지 않고 세포에서 다른 세포로 전달합니다. 효율 균형이 걱정되는 대형 또는 고가의 배터리 시스템에 사용될 수 있습니다.

밸런싱 유형은 셀 수, 용량, 예상 불균형, 사용 가능한 공간, 열 설계 및 프로젝트 비용에 따라 달라집니다.

연료 게이지 기능

연료 게이지는 남아 있는 배터리 수명을 추정하는 데 도움을 줍니다. 전압 측정만으로는 충분하지 않은데, 전하 상태 대비 전압은 화학적 화학적 조성, 온도, 전류, 배터리 연수에 따라 달라지기 때문입니다.

연료계 시스템은 다음을 사용할 수 있습니다:

쿨롱 카운팅
전압 측정
전류 측정
온도 보상
셀 모델 알고리즘
학습 및 보정 데이터

장치에 정확한 배터리 잔량 또는 남은 작동 시간이 필요한 경우, 연료 게이지의 선택 및 보정은 제품 개발 중에 이루어져야 합니다.

일반적인 배터리 통신 옵션으로는 전선, 금속 메쉬, 액체 전해질이 있습니다.

어떤 통신 프로토콜은 일부 기기에 적합하고, 어떤 것은 그렇지 않습니다. 호스트 컨트롤러와 배터리 BMS는 동일한 전압, 데이터 형식, 명령어, 커넥터를 가져야 합니다.

UART

많은 임베디드 제품에서 UART는 매우 단순한 직렬 통신 방식입니다. 통과할 수 있는 데이터: 배터리 전압, 배터리 전류, 배터리 온도, 배터리 용량, BMS에서 호스트 컨트롤러로의 배터리 결함 데이터, 또는 그 반대 모두.

UART는 다음과 같은 경우에 사용할 수 있습니다:

통신 거리가 짧습니다
이 장치는 단순한 포인트 투 포인트 연결을 사용합니다
낮은 구현 비용이 중요합니다
호스트 컨트롤러는 UART 인터페이스를 제공합니다

보트 속도, 전압 레벨, 데이터 프레임, 명령 형식이 올바르는지 확인하는 것은 엔지니어의 몫입니다.

I²C

I2C는 2라인 클럭라인과 데이터 라인 통신 프로토콜로, 짧은 거리 내에서 IC 간 통신에 널리 사용됩니다.

배터리와 호스트 컨트롤러가 가까이 있는 소형 전자기기에 유용할 수 있습니다. 설계 고려사항에는 주소 선택, 풀업 저항, 전압 레벨, 전자기 간섭 등이 포함됩니다.

SMBus

SMBus는 I²C 프로토콜의 하위 집합이지만, 시스템 관리를 위한 프로토콜 확장도 명시합니다. 노트북, 의료기기, 전문 휴대용 기기에서 스마트 배터리로 널리 알려져 있습니다.

SMBus를 사용하는 스마트 배터리는 다음과 같은 기능을 제공합니다:

남은 수용 능력
완전 충전 용량
배터리 전압
현재
온도
사이클 카운트
청구 요청
경보 상태

배터리, 충전기, 기기는 호환되는 명령어와 데이터 정의를 지원해야 합니다.

CAN 버스

CAN은 차량, 로봇, AGV, 산업 기계 및 에너지 시스템에서 널리 사용되는 강력한 차동 통신 시스템입니다.

다음 경우 CAN이 선택할 수 있습니다:

전기 환경에는 잡음이 포함되어 있습니다
통신 거리가 더 깁니다
여러 컨트롤러가 네트워크를 공유합니다
신뢰할 수 있는 오류 감지가 필요합니다
배터리는 모터 컨트롤러나 중앙 제어 장치와 통신해야 합니다

통신 방식은 CAN에서 정의하지만, 프로젝트는 호환되는 메시지 맵, 보트 속도, 식별자 및 애플리케이션 계층 데이터 형식이 필요합니다.

RS485

RS485는 장거리 및 전기적으로 노이즈가 큰 응용을 위한 차동 물리계층 표준입니다. 산업 시스템, 고정 장비 및 에너지 저장 제품에 자주 사용됩니다.

합의된 통신 프로토콜(예: 맞춤형 명령 구조나 Modbus 기반 구현)도 완전한 RS485 솔루션의 일부입니다.

RS485는 마스터 컨트롤러와 통신할 수 있는 여러 배터리 모듈이 있을 때 사용할 수 있습니다.

블루투스 통신

기술자나 사용자는 블루투스를 통해 모바일 애플리케이션을 통해 배터리 정보를 확인할 수 있습니다. 설계에 따라 앱은 전압, 전류, 온도, 용량, 사이클 수, 고장 데이터를 표시할 수 있습니다.

블루투스를 추가하기 전에 OEM 팀은 다음을 고려해야 합니다:

사이버보안
사용자 권한
펌웨어 업데이트
모바일 애플리케이션 유지보수
페어링 방법
데이터 프라이버시
대기 전력 소비

제품에 대한 모니터링이나 서비스 요구가 없다면, 블루투스를 마케팅 장치로 추가해서는 안 됩니다.

배터리 인증

일부 고가치 또는 교체 가능한 배터리 팩은 인증이 적용되어 기기가 허가된 배터리를 식별할 수 있도록 돕습니다.

인증은 다음을 지원할 수 있습니다:

액세서리 호환성
위조 방지
서비스 추적
보증 관리
제품 구성
제어 충전 매개변수

구현은 보안 IC 또는 디지털 키/챌린지 응답 방식을 통해 이루어질 수 있습니다. 인증 요구사항에 대한 요구사항을 처음부터 정의하는 것은 중요하며, 이는 배터리 및 호스트 장치 개발 작업에 영향을 미칩니다.

적합한 BMS 선택 방법

OEM 팀이 BMS를 개발하기 전에 다음 정보를 확인하세요:

배터리 화학
직렬 및 병렬 구성
명목 전압과 최대 전압
연속 방전 전류
최대 전류와 지속 시간
충전 전류
작동 온도
온도 센서의 수와 위치
균형 맞추기 요구사항
연료계 정확도
통신 프로토콜
커넥터 핀배열
고장 대응
수면 전류 목표
인증 요건

또한 BMS는 실제 장치 내에서 테스트되어야 합니다. 전류 스파이크는 표준 실험실 검사 중에는 발생하지 않을 수 있지만, 모터, 무선 모듈, 히터(및 기타 부하)에서는 발생할 수 있습니다.

맞춤형 BMS 개발 프로세스

일반적인 맞춤형 BMS 프로젝트는 다음과 같습니다:

배터리 및 기기 요구사항을 검토하세요
보호 및 모니터링 구성 요소를 선택하세요
전압, 전류, 온도 한계를 정의하세요
통신 프로토콜을 확인해
회로도와 PCB 설계
필요할 때 펌웨어를 개발하세요
프로토타입 보드 제작
샘플 배터리 팩 조립
테스트 보호 및 통신 기능
기기 내 배터리 검증
승인된 하드웨어 및 펌웨어 버전을 동결하세요
파일럿 및 대량 생산 시작

샘플과 생산 배터리 간의 일관성을 유지하기 위해 모든 중요한 설정은 문서화되어야 합니다.

GLOFLUX의 맞춤형 배터리 지원

GLOFLUX는 리튬-이온, 리튬-폴리머, LiFePO4 배터리 팩에 대한 유연한 BMS 통합 솔루션을 제공합니다. 이는 보호 회로, 균형 조절 시스템, 연료 측정, 모니터링 시스템, 통신 및 배터리 인클로저 통합 등 다양할 수 있습니다.

응용 분야는 다음과 같습니다:

의료 장비
서비스 로봇
AGV 및 AMR
산업 시스템
POS 단말기
스마트 기기
휴대용 조명
교체 가능한 배터리 모듈

고객은 기술 평가를 위해 장치 사양, 통신 문서, 커넥터 정의 또는 기존 배터리 샘플을 제출할 수 있습니다.

결론

모든 배터리 관리 시스템이 똑같은 것은 아니며, 기능성이 최선을 다하는 것은 아닙니다. 선택한 셀, 작동 전류, 충전기, 장치 컨트롤러 및 서비스 요구사항을 안전하게 전달하는 장치입니다.

간단한 휴대용 제품에는 간단한 휴대용 보호가 충분할 수 있습니다. 의료기기나 전문 기기에는 스마트 모니터링과 SMBus가 적합할 수 있으며, CAN이나 RS485는 로봇과 산업 시스템에는 더 적합할 수 있습니다. 요구 사항은 하드웨어 충돌, 펌웨어 지연, 예상치 못한 제품 종료를 방지하기 위해 미리 식별됩니다.