HV BMS Wiring Manual을 요약해봐요 (7) - 전압 센서 배선작업 2

[22 이강산]

안녕하세요. BMS 관리팀입니다. 전압 센서 배선 작업 2입니다. 시간이 촉박한 관계로 바로 내용으로 들어가겠습니다.

루피 해고했습니다. 성실한 패티가 이제부터 작업합니다.

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11.8. Paralleled String Configuration

11.9. Equal currents for all cells

11.10. Wiring for high impedance cables and busbars

11.11. Skin effect issues due to AC currents

11.12. DC to AC Inverters and Inverter Chargers

11.13. Transients

11.14. Wiring Errors

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11.8. Paralleled String Configuration

매뉴얼의 앞선 내용들에서 몇 번 언급된 Paralleled String Configuration입니다. 간략히 설명하자면, 여러 개의 배터리 팩을 병렬로 연결하여 전력을 증가시키거나 용량을 확장하는 방법입니다.

상단의 이미지가 예시입니다. 8셀짜리 (8s1p) 두 개를 병렬 스트링으로 연결한 형태입니다. '우리도 4개의 세그먼트로 나뉘어져 있으니까 이런 구성이 아닌가?' 생각이 들 수도 있지만, 우리는 안전과 편의성을 위해 28s13p를 물리적인 세그먼트로 분할한 것이지 parallel string 구성을 사용한 것이 아닙니다. 우리는 단일 스트링의 28s13p 구성입니다. 더 상세한 설명을 담은 pdf를 첨부하겠습니다.

Orion-Paralleling Multiple Strings.pdf

76.00KB

* 위 설명은 제가 이해한 내용입니다. 혹시나 틀렸다면 반드시 댓글로 알려 주세요.

매뉴얼에 의하면 String들을 paralleling하는 것을 가능한 피하라고 그럽니다. 배터리 관리가 매우 어려워진다고 해요. 만약 이 같은 병렬 스트링 세팅이 필요하면, 각 스트링을 개별 BMS를 가진 개별 배터리 팩으로 취급해야 합니다.

• 오리온 BMS는 병렬 스트링 구성에 사용할 수 없습니다. 특별히 외부에 안전 시스템을 갖추지 않는 한 사용 금지입니다.
• 서로 다른 스트링의 리튬이온 배터리들을 병렬로 연결해야 하는 경우, 각각의 스트링을 자동으로 격리하는 방법을 포함해 특별히 고려할 사항이 있습니다. 관련된 내용은 위에 첨부된 매뉴얼을 참고하라고 합니다.

11.9. Equal currents for all cells

배터리가 모니터링하는 모든 셀들은 항상 동일한 전류를 유지해야 합니다.

• 중간에 배터리 팩을 태핑하여 낮은 보조 전압을 뽑으면 안됩니다. (tapping. 특정 위치에서 전원을 가져오는 것). 일부 셀에서만 전압을 낮추기 위해 전원을 끊으면 셀 간 불균형이 생기고, BMS가 셀을 온전히 보호하지 못합니다.
• 배터리의 각 부분을 독립적으로 충전하거나, 서로 다른 충전기로 동시에 충전하면 안됩니다. 배터리 팩 내의 각각의 부분이 서로 다른 전류를 받을수도 있습니다.
• 다른 배터리 모니터링 장치가 배터리팩에 연결된 경우, 걔도 팩 내의 각 셀에서 정확히 동일한 전류를 뽑아야 합니다.

태핑이나 서로 다른 충전기를 이용하는 행위 예시

11.10. Wiring for high impedance cables and busbars

BMS에서 전압 측정은 각 셀 그룹에서 두번째로 낮은 셀 또는 -선에 대해 이루어집니다. (예시로, BMS가 셀1의 전압 측정 시, 탭 1-과 1 사이의 전압을 측정합니다. 셀2의 경우, 전압 측정을 위해 탭1과 탭2 사이 전압을 측정합니다).

배터리 케이블, 부스바의 크기가 매우 크고 저항이 거의 없을 수 있지만, 모든 케이블은 어느 정도의 전기 저항을 보유합니다. 셀 그룹(12개 셀) 사이에 위치하지 않는 한, 셀 탭은 필연적으로 부스바, 배터리 인터커넥트(배터리 간 연결선), 케이블로부터 추가 저항을 겪습니다.

회로에 전류가 흐르지 않는 상태에서 BMS가 측정한 셀 전압은 정확히 그 셀의 전압 (cell voltage)입니다. 팩에 전류가 흐르고 있을 땐, 각 셀의 측정된 전압은 내부 저항으로 인해 강하(또는 상승)하고, 측정된 전압(순간전압)은 셀의 공전압(open cell voltage)과 다를 수 있습니다. (operation manual 부록A에 이와 관련된 작동원리 설명됨). 셀이 연결된 방식에 의해 한 인터커넥트(배터리 간 연결선)와 다른 인터커넥트 간 저항 차이는 순간 전압 측정에 반영되며, BMS가 해당하는 특정 셀을 측정했을 때 추가적인 저항이 반영됩니다.

아래 예시 (한 그룹에 묶인 첫 세 개의 셀들을 나타냄) 그림을 보면, 모든 셀들은 3 밀리옴 저항이 있는데, 부스바 저항 의해 BMS가 셀2에서 총 5mOhm 저항이 관측되었습니다. 이러면 실제 2번 셀은 멀쩡하지만, BMS는 이 셀이 약한 셀이구나 하고 판단을 할 수 있다는 겁니다. 이 부분이 바로 버스바 보정(busbar compensation)이 필요한 곳입니다.

버스바 보정 (Busbar Compensation)

저항이 비교적 낮은 케이블이나 커넥션의 경우, 위 그림처럼 생기는 추가 저항을 BMS에서 '부스바 보정'을 통해 보정할 수 있습니다. 세팅에 관해선 software manual을 참조하세요.

• 저항이 높은 버스바나 전선 (또는 높은 전력 사용하는 상황)의 경우, 전압 강하(or 배터리 충전중인 경우 전압 증가)가 매우 커져서 탭의 전압이 BMS의 최대 전압(5V)를 초과하거나 최소 전압(0V) 아래로 떨어질 수도 있습니다. 이러면 부스바 보정법을 못 써요. (잠시동안이더라도) 전압이 이 범위 밖에서 널을 뛰는 경우가 생긴다면, BMS는 케이블이 셀 그룹을 분할하는 곳(매 12셀마다)에 위치해야 하고, 부스바에 의한 전압 강하가 BMS에 감지되지 않도록 배선되어야 합니다.

보정 세팅을 하기 전에, 먼저 최대 전압 변동을 계산해야 합니다 (아래 공식). 최대 셀 전압, 버스바나 케이블의 저항, 최대 전류를 알고 있다면 구할 수 있습니다. 버스바나 전선의 저항은 단자(terminal)나 crimp*들의 저항도 포함해야 합니다. 나중에 부식 등으로 저항이 약간 증가할 수도 있으니, 이를 고려하여 여유 수치(headroom)도 남겨 둬야 합니다.

[아래가 공식입니다]

Peak Voltage = (셀 최대 V) + (부스바저항)x(최대충전전류)

Lowest Voltage = (셀 최저 V) - (부스바저항)x(최대방전전류)

이 때 Peak V < 5V, Lowest V > 0V 여야 버스바 보정이 가능합니다.

위 그림 (2mOhm 추가 저항이 생긴 케이블)을 기준으로 한번 예시를 들어 봅시다. 만약 셀 최대 최저 전압이 각각 3.65V, 2V이고, 치대 전류가 +/- 200A (최대충전전류와 최대방전전류)일 경우, 주어진 2 mOhm 케이블로 인한 최대 전압은 4.05V, 최저 전압은 1.6V가 나옵니다. 전압 범위가 0V 5V 사이에 있으므로 부스바 보정법을 사용할 수 있겠죠.

• 예외가 있을지 몰라도, 4피트 (약 1.2미터)가 넘어가는 케이블은 버스바 보정이 불가능합니다. 이 경우 셀 탭을 건너뛰거나, 케이블을 재배치해서 케이블을 셀 그룹 또는 커넥터 사이에 위치하도록 배선해야 합니다. 전선 두께에 따라 4피트보다 짧은 전선임에도 보정이 불가능할 수 있습니다.
• 배터리 DC 부하나 전력원이 연결된 경우에만 버스바 보정이 작동합니다. 빠르게 펄스되는 전류**에는 보정법을 사용할 수 없습니다. DC 버스에 상당량의 AC component (?)***를 넣는 필터링되지 않는 고주파 인버터나, 과한 노이즈 뿜는 모터 컨트롤러/인버터 또한 부스바 보정에 악영향 줄 수 있습니다. 이 경우 부스바 보정법 말고, 케이블을 셀 그룹 사이에 설치하는 방식으로 대체해야 합니다. 노이즈가 표피 효과(skin effect)를 일으키는 경우, BMS와 함께 쓰기 위해선 필터링이 필요할 수도 있습니다.

버스바 보정은 짧은 케이블에서의 추가적인 저항을 보정하는데 효과적인 방법이긴 하지만, 일단 웬만하면 케이블을 셀 그룹 사이에 배치하는 방식도 써주세요.

* crimp가 단선을 의미하는 것인지 크림핑(전선 피복 벗김)을 의미하는 것인지 명확하지 않습니다. 문맥상 무엇이 옳은지 아신다면 꼭 알려주세요.

** 대부분의 AC 인버터나 AC 인버터/충전기에서 생성되는 고속 펄스 등이 해당. 자세한 내용은 'using the Orion BMS with AC intverters' 참조

*** DC(직류)가 흘러야 할 버스에 교류 요소가 걸리는 것으로 일단 해석했는데, 더 정확한 내용이 있다면 답변 바랍니다.

참고자료: high impedance

11.11. Skin effect issues due to AC currents

모터 컨트롤러 같은 장치는 특히 노이즈가 심합니다. 대부분의 경우 자체적인 필터 기능이 있어서, 노이즈가 DC 버스에 심각한 AC component를 유도하지는 않습니다. BMS도 자체적인 노이즈 차단 능력이 있긴 합니다만, 강한 고주파 AC component가 배터리를 연결하는 케이블에 표피 효과를 유도할수도 있습니다. 표피 효과란 케이블 내에 에디 전류가 형성되어 전선의 외곽으로만 전류가 흐르는 현상인데, 이 때문에 케이블 내 저항이 올라갈 수 있습니다. BMS가 이렇게 바뀌는 저항값을 측정해버려서 계산 값에 오류가 생길 수도 있어요.

• 만약 모터 컨트롤러가 구려서 노이즈 방출을 잘 못 막아주는 경우, 원형 케이블 대신 적절한 직사각형 버스바나 스트랩을 사용해서 표피 효과를 완화해줘야 합니다.
• 표피 효과가 생길만한 환경에선, 모든 원형 케이블들은 셀 그룹 사이에 위치하도록 배선해야 BMS가 똑바로 작동하는 데 도움이 됩니다.
• 모터 컨트롤러 외부에 필터를 추가해서 모터컨트롤러가 방출하는 노이즈를 억제하는 방법도 있습니다.
• 엄청 많이 나오는 AC 노이즈는 케이블의 stray inductance에서 역기전력을 발생시킬수도 있습니다. 이런 일이 생기면 안전한 수준까지 노이즈 방출량을 억제해줘야 합니다.

11.12. DC to AC Inverters and Inverter Chargers

적절한 배치와 적절한 부스바를 쓰는 평범한 경우 BMS는 대부분의 단상 DC to AC 인버터와 함께 사용 가능합니다. 근데 이때 고려사항이 있습니다. DC to AC 인버터 (또는 인버터 충전기)는 DC 버스에 상당한 AC component (사인파 형태의 전류 펄스)를 둘 수 있습니다. 위에서 나왔던 AC component가 또 말썽을 일으키는군요.

• 많은 AC 인버터는 배터리 팩에서 전류를 뽑을 때 AC 사인파의 정현파를 두 배의 주파수로 직교한 사인파 형태로 추출한답니다. 예를 들어 60Hz 인버터면 120Hz를 추출합니다. (솔직히 이게 무슨 의미인지 정확히 모르겠으나, 작동 원리에 너무 집착하지 않아도 될 것 같습니다.) 여러 동기화된(synchronized) 인버터가 존재하거나, 동일한 배터리 팩에 여러 상이 존재하는경우, 이런 주파수가 겹칠 수 있으며 때로는 더 높은 주파수가 나올 수 있습니다. 이 고주파가 또 표피 효과를 일으킨답니다.

고주파가 존재하는 경우, 배터리 팩의 물리적 배치와 상호 연결이 매우 중요합니다. 케이블이나 셀 간 연결선에서의 극미량의 stray inductance도 역기전력을 촉발할 수 있습니다. 역기전력이나 표피 효과가 있으면, 인버터에서 필터링 할 수 있도록 하거나 또다른 셀 탭 구성을 만들어야 합니다.

DC to AC 인버터 (혹 인버터/충전기)를 어떻게 연결하고 조종하는지에 대한 정보는 'Using the Orion BMS with DC to AC inverters" application note를 참고하세요.

11.13. Transients

Transients는 전기 시스템의 전압이나 전류가 순간적으로 변하는 것입니다. 이하 과도상태 혹은 과도현상이라고 번역하겠습니다. 배터리 팩에서 이러한 과도상태는 억제 되어야 합니다. 극심한 과도상태에 노출된 리튬 배터리는 쇼트나고 thermal runaway가 발생할수도 있기 때문입니다. (활활 타오른다는 뜻이에요).

• 극심한 과도상태는 종종 전류의 급작스러운 변동과 stray inductance의 콤보로 발생합니다. 모터 컨트롤러나 충전기의 대량의 커패시터가 회로에 연결되거나, 퓨즈 용단이나 전류의 갑작스러운 연결같이 전류가 갑자기 변하는 경우 발생할 수 있습니다.
• 컨택터의 normal switching에 의한 과도상태는 적절한 pre-charge 회로 사용 및 모터컨트롤러의 슬루율 제한을 통해 억제할 수 있습니다.
• 병렬 다이오드와 함께 여러개의 충전기를 쓰는 구성(multiple chargers with series diodes)은 BMS와 같이 쓸 수 없습니다. 막대한 transients를 촉발할 수 있어요.BMS는 여러 충전기를 직렬로 연결한 구성과 쓰면 안됩니다.
• 막대한 과도상태 겪은 경우, BMS와 리튬 셀들이 손상되었는지 점검, 테스트 해야 합니다. 손상된 장치를 계속 쓰면 큰일납니다.
• BMS는 고전압 측정 회로에서의 적당한 과도상태에 대한 보호 기능만 있습니다. 강한 transients는 내부 퓨즈를 끊어버릴 수 있고, 과도상태에 지속적으로 노출될 경우 BMS가 망가집니다.

11.14. Wiring Errors

첫 장의 경고문에서도 언급한 내용입니다. BMS 배선을 잘못하면 고장날 수 있으며, 회사에서 보증해주지 않습니다.

• BMS는 각 셀 탭 내부에 퓨즈가 있어서 과전류로부터 BMS와 연결된 선들을 보호합니다. 내부 퓨즈는 +/-24V를 넘는 전압을 받으면 끊어집니다. (가끔 더 낮은 전압에서 터지거나, 높은 전압에서도 안터지는 경우가 있긴 합니다.)
• 두 셀들 순서를 바꿔서 배선하거나, (잠깐 정도) 반대 순서로 배선하는 등 사소한 배선 오류는 BMS가 버텨주긴 합니다. 그러나 장기적으로 배선 오류에 노출되면 BMS가 날아갑니다. 보통 오류가 난 채로 5분 이상 배터리 팩과 연결하면 큰일 터집니다.
• 하네스들이 배선이 잘 되었나 의심이 들면, 지체없이 연결 해제해버리세요.
• 배선 오류시 BMS는 "open wire" fault, "wiring fault", "low cell fault" 오류 코드를 리포트할 겁니다.

빠르게 다음 글을 들고 오겠습니다.

감사합니다.