Johnson Matthey 배터리 시스템: 전자 분야의 현재 및 향후 동향

배터리는 모든 전기 자전거의 필수 부품으로, 주행 거리, 성능 및 내구성을 결정하는 데 도움이 됩니다. 이 기사에서는 전기 자전거 배터리의 현재 및 향후 동향을 살펴보겠습니다.

전기 자전거 배터리에 사용되는 가장 널리 사용되는 셀은 NMC 화학을 사용하는 18650 및 21700 폼 팩터입니다. 몇 가지 중요한 이유로 점점 더 많은 배터리가 더 큰 셀 크기를 사용하고 있습니다. 그 중 가장 중요한 점은 원하는 용량에 도달하는 데 더 적은 수의 셀이 필요하다는 사실입니다. 18650에서 10Ah에 가까운 용량을 달성하려면 병렬로 연결된 3개의 셀이 필요한 반면, 21700에는 2개의 셀이 필요합니다. 질량의 차이는 무시할 수 없습니다. 10S3P 구성에서 18650의 무게는 약 1.5kg인 반면, 동일한 구성에서 21700은 약 0.1kg 더 가볍습니다. 전압이 더 높은 배터리에서는 차이가 더 큽니다.

또한 18650 폼 팩터의 이론적 최대 공칭 용량은 3.5Ah인 반면, 21700의 경우 5.0Ah입니다. 현재 NMC 화학의 최대 중량 에너지 밀도는 250~260Wh/kg입니다. 더 큰 용량의 셀이 발표되었지만 21700 크기에만 해당됩니다. 목표는 5.5~5.65Ah, 아마도 최대 6Ah를 달성하는 것입니다. 이를 통해 전압 범위를 줄인 후 총 배터리 용량 또는 사이클을 확장할 수 있습니다. 현재 공급업체는 더 높은 용량을 달성하기 위해 실리콘과 같은 셀의 새로운 요소를 사용하고 비용을 최적화하기 위해 나트륨을 사용하는 방법을 모색하고 있습니다.

모든 기계 부품은 배터리의 무게와 크기를 증가시킵니다. 프레임에 숨겨진 일체형 배터리는 블록 모듈 구조를 갖는 경우가 많습니다. 하나의 블록에는 상단 및 하단 셀 홀더와 적절한 구성으로 연결된 4-10개의 셀과 다음 섹션에 연결하기 위한 터미널이 있는 커넥터가 포함되어 있습니다. 일반적으로 핫스팟과 전압 강하를 유발하는 추가 절연체, 모선 또는 전선도 있습니다.

가장 긴 축을 가로지르는 셀 배치에는 두 개의 셀 홀더만 필요하며 전류는 셀 커넥터를 통해서만 흐릅니다. 모든 전압 지점에 쉽게 접근할 수 있도록 추가 BMS를 코어팩의 한 쪽에 장착할 수 있으므로 와이어 세트가 필요하지 않습니다. 배터리는 구성 요소 수가 적기 때문에 더 가벼우며, 조립도 더 쉽고 빠릅니다.

하우징도 무게에 큰 영향을 미칩니다. 현재 가장 널리 사용되는 재료는 알루미늄과 플라스틱입니다. 그러나 탄소 섬유를 사용하면 배터리의 질량이 줄어들지만 이로 인해 구성 비용이 추가됩니다.

현재 유럽 규정은 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 배터리의 수리 가능성을 높이고 수명을 연장하는 방향으로 나아가고 있습니다. 따라서 새 배터리는 타사에서 수리하기가 더 쉬울 가능성이 높습니다.

오늘날 배터리 관리 시스템은 다양한 기능을 갖춘 더욱 복잡한 장치입니다. 전기자전거 배터리의 거의 모든 BMS에는 다음과 같은 기능이 포함되어 있습니다.

게다가 BMS는 이제 그 어느 때보다 안전해졌습니다. 이중 보호 기능을 갖추고 있으며 FMEA(고장 모드 및 영향 분석) 및 안전 기능 분석과 같은 요소도 포함되어 있습니다.

내년에는 리튬이온 배터리 안전기준이 확대된다. 예를 들어, 잠재적인 셀 파열을 감지하기 위해 BMS에 가스 센서를 장착하거나 사고가 발생할 경우 배터리 출력을 끄는 가속도계가 있을 수 있습니다.

더욱이, 우리는 추가적인 안전을 위한 종단 간 통신 암호화는 물론 Bluetooth 연결과 같은 스마트 기술의 사용을 곧 보게 될 것입니다. 스마트 모드는 예를 들어 SoC 및 최대 전력을 제한하여 배터리 서비스 수명을 연장하는 데에도 사용할 수 있습니다. 유럽 ​​규정의 변경으로 인해 제3자가 일부 BMS 정보에 공개적으로 액세스하는 등 다른 변경도 강제될 것이 거의 확실합니다.

충전기 제조업체는 최근 몇 년 동안 기성 솔루션에 새로운 기능을 추가했습니다. 현재 배터리와 충전기는 추가 버스를 통해 통신합니다. 이는 전압 및 전류와 같은 중요한 매개변수가 시스템의 두 부분에서 측정되고 서로 비교될 수 ​​있기 때문에 안전성을 향상시킵니다. 차이가 클 경우에는 고장으로 간주하여 충전을 중단합니다. 스마트 충전기는 제한된 전압으로 충전하여 수명을 연장할 수 있습니다. 배터리를 사용하지 않고 오랫동안 보관하려면 배터리를 50~60% SoC까지 충전하여 셀의 자연적인 성능 저하를 줄이는 것이 가능합니다.