무선 BMS 설계 및 칩셋 옵션

작성 날짜: 오월 28, 2021
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

이 배터리 케이블과 하네스를 버릴 준비가 되셨나요? 무선 배터리 관리 시스템(BMS)이 그것을 가능하게 할 수 있습니다.

자동차 칩 부족, 공장 폐쇄, 그리고 중요한 자동차용 구성 요소의 장기 리드 타임에도 불구하고, 산업은 새로운 발전을 계속하고 있습니다. 세계에서 두 번째로 큰 온실가스 생산국인 미국의 차량 전동화는 이제 불가피해 보입니다. 캘리포니아 주는 2035년까지 가솔린 차량을 금지할 계획을 가지고 있으며, GM은 2040년까지 전 세계 차량을 제로 배출로 계획하고 있고, 다른 미국 자동차 제조사들도 이를 따를 계획입니다. 중국도 2035년까지 가솔린 차량을 완전히 단계적으로 폐지할 계획입니다. 만약 당신이 녹색 에너지 사업에 종사한다면 전망이 밝습니다.

전기차에서 중요한 하위 시스템 중 하나는 배터리 관리 시스템(BMS)입니다. 이 전력 관리 하위 시스템은 전기차에서 여러 중요한 작업을 담당합니다:

충전 및 방전 속도 모니터링
여러 셀 간의 충전 분배 균형 조정
셀 건강 예측 및 마모 레벨링 수행
안전 위험 식별 및 경고

BMS 디자인 주변의 많은 뉴스와 문헌이 전기 자동차에 초점을 맞추고 있지만, 여러 배터리 셀에서 충전 및 방전을 균형 있게 필요로 하는 모든 유형의 전동화 시스템에서 BMS를 사용할 수 있습니다. 이 시스템의 목표는 전체 배터리 수명을 최대화하는 것입니다. 단일 충전 주기에 대한 총 운영 수명뿐만 아니라 마모를 고르게 분배함으로써 배터리 셀의 수명도 최대화합니다.

2020년 말, 일부 회사들이 소비자 시장의 전기차를 대상으로 한 새로운 유형의 무선 BMS를 발표하기 시작했습니다. 이제 2021년 4월 현재, 새로운 GM Hummer는 미국 자동차 전자 부품 공급업체인 Visteon과 파트너십을 맺고 무선 BMS를 포함할 것입니다. 이제 주요 반도체 회사들이 무선 BMS 칩셋을 제공함에 따라, 디자이너들은 새로운 차량을 위한 무선 BMS 디자인을 구축할 기회를 가지게 되었습니다. 이 시스템들은 배터리 OEM이 향후 몇 년 동안 더 많은 배터리 기술의 발전을 상용화함에 따라 계속해서 중요성을 띨 것입니다.

이 기사에서는 무선 BMS 디자인을 지원하는 최신 칩셋에 대해 살펴볼 것입니다. 우리는 주로 수요가 많은 전기차에 초점을 맞출 것이지만, 무선 BMS의 응용 범위는 소비자 및 상업용 자동차를 훨씬 넘어섭니다. 농업, 물류, 보안, 산업 자동화와 같은 분야에서 사용되는 로봇 차량, 항공기, 드론도 무선 BMS의 혜택을 받을 수 있으며, 디자이너는 이러한 분야를 대상으로 혁신적인 무선 BMS 제품을 개발할 수 있습니다.

무선 BMS의 장점

장기적인 전기화의 성공은 배터리 수명을 연장하는 데 달려 있으므로, 전기화된 장비에는 BMS가 필요합니다. 그렇다면, 설계에 무선 기능을 추가하는 것이 어떤 이점이 있는지 묻는 것은 타당한 질문입니다.

케이블 및 와이어 하네스 감소: 차량이나 다른 장비에서 와이어 하네스를 통합하거나 완전히 제거할 수 있다면, 귀중한 공간을 절약하고 총 중량을 줄일 수 있습니다. 이 시스템에서 사용되는 케이블은 저렴하지 않으며 EV에서 가장 무거운 구성 요소 중 하나이므로, 이러한 케이블을 제거하면 최종 구매자에게 절약 효과를 전달할 수 있습니다.
모듈성: 무선 연결을 사용하면 독점 케이블 어셈블리가 필요 없어집니다. 배터리 시스템 주변의 모든 것을 더 모듈화할 수 있어서 제3자 벤더가 이 분야에서 혁신하고 참여할 수 있습니다.
보다 간단한 유지보수: BMS를 배터리 셀에 연결하는 데 케이블이 적게 관여하면, 셀 및 기타 전자 장치에 접근하고 유지보수하며 필요한 경우 교체하기가 더 쉽습니다. 독점 유선 BMS 대신 범용 무선 BMS를 사용하면 설계와 유지보수에 플러그 앤 플레이 접근 방식을 가능하게 합니다.
시장 출시 시간 단축: 매 모델의 각 반복마다 재설계될 수 있는 케이블 및 와이어 하네스의 무더기를 사용하는 것보다 범용 무선 프로토콜을 사용하는 것이 더 간단합니다. 무선으로 전환하면 이를 제거하고 시장 출시 시간을 단축합니다.

무선 BMS 아키텍처

아래의 블록 다이어그램은 무선 BMS 시스템의 일반적인 레이아웃을 보여줍니다. 배터리 셀과 주 BMS 시스템 컨트롤러 사이의 무선 채널이 존재하는 곳을 볼 수 있습니다. 각 배터리 셀에는 BMS 제어 장치로 데이터를 전송하고 BMS 제어 장치로부터 데이터를 수신하는 작은 모듈이 포함되어 있습니다.

무선 BMS 블록 다이어그램 및 아키텍처.

이 아키텍처에서는 시스템의 두 가지 주요 부분이 있습니다: 각 배터리 팩을 위한 모니터링 유닛과 이 모니터링 유닛과 인터페이스하는 중앙 제어 유닛입니다. 본질적으로, 각 배터리는 네트워크상의 클라이언트이며 주 컨트롤러에 정보를 보고합니다. BMS 제어 장치는 여전히 데이터(예: 차량 가속도 또는 기타 신호)를 수신할 수 있으며, 이는 배터리 팩에서 더 많은 전력이 필요하다는 것을 나타낼 수 있으며, BMS 컨트롤러는 충전/방전 속도를 그에 따라 조정할 수 있습니다.

이는 배터리 팩의 각 셀에 케이블을 연결해야 하는 전형적인 유선 BMS 컨트롤러와 대비됩니다. 이는 배터리 하우징 내부와 외부에 케이블의 혼란을 만듭니다. 이는 무선 BMS의 주요 장점 중 하나를 보여줍니다; 시스템에서 필요한 배선량을 약 50% 줄였습니다. 이는 또한 전기차의 복잡한 구조를 통해 배선을 라우팅할 필요를 없애고, 제어 유닛과 BMS 모니터 모듈 간의 커넥터와 피팅이 필요 없게 합니다.

무선 BMS의 도전

무선 BMS 아키텍처는 일부 시스템을 단순화하고 효율성과 비용 측면에서 여러 이점을 제공할 수 있지만, 무선 BMS 설계 및 구현에는 여러 가지 도전이 있습니다. 이러한 도전에는 다음이 포함됩니다:

시작 시 네트워크 형성: 이상적으로, 개별 셀의 BMS 유닛과 BMS 컨트롤러를 연결하는 무선 네트워크는 사용자의 문제 해결 없이 빠르게 형성되어야 합니다. 이는 설계에서 선택된 무선 프로토콜에 영향을 미칠 것입니다; 모든 구성 요소가 동일한 프로토콜을 사용하는 것은 아니지만, 일반적으로 2.4 GHz 프로토콜(예: 블루투스)입니다.
낮은 지연 시간: 사용되는 무선 프로토콜에 관계없이 응답 시간은 상대적으로 빨라야 합니다. 이는 전기화된 차량에서 매우 중요한데, 가속 중에 배터리 전력이 매우 빠르게 요구되어 배터리가 빠르게 방전될 수 있기 때문입니다. BMS 제어 유닛은 이러한 상황이 발생했을 때를 알고, BMS 모니터링 유닛을 빠르게 구성하여 응답할 필요가 있습니다.
다중 경로 오류: 무선 BMS 모듈이 배치되는 공간은 매우 좁아 다중 경로 오류와 운영 중 패킷 오류의 가능성이 생깁니다. 또한, 차량 내 환경은 다양한 주파수에서 간섭할 수 있는 여러 소음원을 포함합니다. 설계 시 및 격리를 위한 지원 구성 요소를 선택할 때 소음 환경을 고려해야 합니다.
낮은 전력 소비: BMS 모듈이 큰 배터리 팩에 연결되어 있다고 해서 놀랄 일은 아니지만, 차량이 작동하지 않을 때에도 전력을 소비합니다. 이 전력 소비는 네트워크 오버헤드를 제거함으로써 이상적으로 최소화되어야 합니다.

무선 BMS 칩셋

컨트롤러에서

반도체 회사에서 마케팅하는 다른 구성 요소와 마찬가지로, 무선 BMS 제품용 칩은 일반적인 비자동차용 IC와 크게 다르지 않습니다. 네트워크를 호스팅하고 모니터링 데이터를 캡처하는 컨트롤러 모듈 아키텍처는 몇 가지 구성 요소만 필요합니다. 자동차용 무선 BMS 컨트롤러 MCU는 산업 수요에 기반하여 이렇게 마케팅되며, 다른 MCU에서 구현할 수 없는 특별한 기능을 수행하기 때문이 아닙니다. 그러나 이러한 MCU는 적절한 RF 프론트 엔드와, 가능하다면 주 ECU와 인터페이스하기 위한 CAN 트랜시버와 고도로 통합되어 있습니다.

모니터에서

전기 자전거와 같은 일부 배터리 관리 시스템에서는, 셀 모니터링 및 밸런싱 칩이 일반적으로 나머지 제어 구성 요소와 동일한 보드에 장착됩니다. 차량에서는 배터리 팩이 충분히 크기 때문에, 케이블링 관점에서만 보더라도 이러한 것을 배터리에 직접 배치하는 것이 더 합리적입니다.

전형적인 배터리 모니터링/밸런싱 칩은 주 컨트롤러에서 실행되는 표준 알고리즘을 구현하면서 여러 셀을 지원할 수 있는 버전으로 제공됩니다. 그러나 2021년 중반까지, 우리는 다른 마이크로컨트롤러에서 발견된 것과 같은 수준의 통합을 아직 보지 못했습니다. 그러나 이러한 모듈의 크기와 무게를 계속 줄이기 위해, 이 분야에서 활동적인 회사들이 경량 처리 및 RF 프론트 엔드를 통합한 자동차 배터리 밸런서 IC를 생산할 것으로 기대합니다.

아래에 표시된 각 영역에서 가장 최신의 구성 요소를 살펴보겠습니다:

Texas Instruments, BQ79616-Q1

Texas Instruments는 이미 활성 및 수동 셀 밸런싱을 위한 BMSb 칩 제품군으로 잘 알려져 있습니다. Texas Instruments의 BQ79616-Q1은 다른 솔루션보다 더 높은 밸런싱 전류가 필요한 큰 배터리 어레이를 목표로 하는 배터리 관리 칩입니다. 이 칩은 16개의 직렬 셀로 최대 240 mA의 밸런싱 전류를 가능하게 하며, 여러 칩을 사용하여 더 높은 셀 수로 확장할 수 있습니다. BQ79616-Q1을 무선 BMS의 일부로 사용하려면 외부 MCU와 RF 섹션이 필요하다는 점에 유의하세요. 가장 중요한 것은, 이 구성 요소는 자동차 시스템을 위해 ASIL-D 준수 및 자동차 전력 시스템을 위한 ISO 26262 준수를 지원합니다.

BQ79616-Q1 BMS 모니터링/밸런싱 칩 및 웨이크업 컨트롤러로 사용되는 BQ79616-Q1의 블록 다이어그램. 출처: BQ79616-Q1 데이터시트.

Infineon, CYW89820

Infineon의 CYW89820은 자동차 시스템을 위해 특별히 설계된 저비용 Bluetooth 지원 MCU SoC입니다. 이 구성 요소는 BR, EDR @ 2 Mbps 및 3 Mbps, 그리고 eSCO, BLE, LE @ 2 Mbps를 지원하는 Bluetooth 5.0 코어 사양을 지원합니다. 이 구성 요소는 통합 전력 조절기(벅 컨버터 + LDO), 통합 ADC, 전력 관리 제어 장치를 제공합니다. 마지막으로, 이 구성 요소는 공중을 통한 펌웨어 업데이트, 최대 11.5 dBm까지 프로그래밍 가능한 TX 전력, 그리고 –94 dBm(BLE @ 1 Mbps)까지의 수신 감도를 제공합니다.

CYW89820 Bluetooth 5.0 SoC 블록 다이어그램. 출처: CYW89820 데이터시트.

Texas Instruments, SimpleLink MCU (CC26xx)

Texas Instruments의 CC26xx MCU는 자동차 애플리케이션에서 인증받을 수 있는 2.4 GHz 지원 MCU의 범위를 포함합니다. 이 라인의 최신 제품인 CC2662R-Q1은 아직 미리보기 단계에 있지만, 자동차 인증 구성 요소가 될 예정이며 2.4 GHz에서 작동하는 무선 BMS에 이상적입니다. 이전 제품인 CC2652R도 통합 PA를 제공하는 멀티 프로토콜 지원으로 무선 BMS 디자인에 사용될 수 있습니다.

차량 전력 관리에 필요한 기타 구성 요소

차량 및 관련 분야의 전력 관리는 배터리 모니터링을 넘어 다양한 구성 요소를 필요로 합니다. 이 시스템들은 차량의 다른 시스템과 통합하기 위한 자체 전력 조절 및 인터페이스 구성 요소 세트가 필요합니다. 무선 BMS 제품에 필요할 수 있는 몇 가지 다른 구성 요소를 살펴보세요:

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