에너지 저장 시스템은 고전압 배터리 스택, 배터리 관리 전자 장치, 전력 변환 장비 및 저전압 제어 시스템을 동일한 전기 아키텍처 내에 결합합니다. 이러한 부품은 항상 동일한 전기적 전위에서 작동하는 것은 아니며, 상당한 전자기 노이즈를 생성하는 고전류 스위칭 회로 근처에 위치하는 경우가 많습니다.
이러한 이유로 배터리 에너지 저장 시스템 내의 통신은 단순히 데이터 속도 또는 프로토콜의 문제가 아닙니다. 많은 경우 엔지니어는 전기적으로 분리된 영역 간에 원치 않는 전류 경로, 접지 루프 또는 공통 모드 간섭을 생성하지 않고 정보가 어떻게 교차할 수 있는지 결정해야 합니다.
광섬유 통신은 신호가 전도성 케이블을 통해 전기 전류가 아닌 빛으로 전송되기 때문에 이러한 경계를 넘는 한 가지 방법을 제공합니다. 이는 갈바닉 절연, 통신 경로의 전자기 간섭에 대한 취약성 감소 또는 고전압 및 저전압 제어 도메인 간의 분리가 중요한 경우 광섬유를 특히 유용하게 만듭니다.
따라서 엔지니어링 질문은 단순히 "BMS가 광섬유를 사용해야 하는가?"가 아닙니다.
더 나은 질문은 다음과 같습니다.시스템에 절연 경계가 어디에 있으며 해당 경계를 가로지르는 데 가장 적합한 통신 링크 유형은 무엇입니까?
BMS 전기 절연은 서로 다른 전기적 전위에서 작동하는 통신 또는 제어 회로를 분리하면서도 정보가 서로 통과할 수 있도록 하는 것을 의미합니다. 목표는 통신 경로를 통한 원치 않는 전류 흐름을 방지하는 동시에 로컬 전기 참조를 직접 연결하지 않고 전기 도메인 간에 정보가 교차하도록 하는 것입니다.
이 요구 사항은 고전압 배터리 팩의 전기 구조에서 직접 나옵니다.
고전압 배터리는 일반적으로 여러 셀 또는 모듈을 직렬로 연결하여 만들어집니다. 이렇게 하면 필요한 팩 전압이 생성되지만 스택의 다른 부분이 시스템 접지에 대해 다른 전기적 전위에 있다는 것을 의미하기도 합니다. 스택 하단 근처의 셀 그룹에 연결된 모니터링 회로는 낮은 팩 전위에 가깝게 작동할 수 있습니다. 직렬 체인에서 훨씬 높은 위치에 있는 다른 모니터링 회로는 훨씬 더 높은 전위에서 부동할 수 있습니다.
측정 관점에서 볼 때 두 회로는 셀 전압, 온도 또는 진단 정보를 읽는 것과 같은 유사한 기능을 수행할 수 있습니다. 그러나 전기적으로는 동일한 전위에 참조되지 않습니다.
고전압 배터리 스택 내의 여러 전기적 전위 도메인
이는 근본적인 BMS 설계 문제를 야기합니다. 정보는 배터리 스택을 통과하여 결국 중앙 컨트롤러에 도달해야 하지만 관련된 전자 장치는 다른 전압 도메인에 속할 수 있습니다.
따라서 많은 BMS 아키텍처는 스택형 모니터링 장치, 절연 직렬 인터페이스, 변압기 결합 링크, 절연 CAN 또는 기타 방법을 사용하여 도메인 간에 데이터를 안전하게 이동합니다.
통신 경로 자체가 전기적으로 비전도성으로 유지되어야 하는 경우 광섬유는 또 다른 옵션입니다.
배터리 측 전자 장치와 저전압 컨트롤러 간의 절연 경계
예를 들어, 배터리 모니터링 섹션은 배터리 스택과 함께 부동할 수 있는 반면 중앙 BMS 컨트롤러는 섀시 또는 제어 접지에 참조되는 저전압 공급 장치에서 작동합니다. 마찬가지로 배터리 랙, 전력 변환 시스템 및 감독 컨트롤러는 각각 자체 접지 및 전력 도메인을 가질 수 있습니다.
통신 링크가 이러한 경계 중 하나를 교차할 때마다 인터페이스는 정상적인 통신이 의도치 않게 공통 모드 전류 또는 고장 에너지의 경로가 되지 않도록 설계해야 합니다.
이것이 갈바닉 절연의 역할입니다.
에너지 저장 시스템에서 EMI 및 접지 전위 차이는 어디에서 발생합니까?
에너지 저장 시스템에는 배터리 셀 및 모니터링 전자 장치 외에도 접촉기, DC 버스, DC/DC 스테이지, PCS 장비, 인버터, 게이트 드라이버, 보조 전원 공급 장치, 냉각 시스템 및 외부 제어 네트워크가 포함됩니다.
이는 통신에 전기적으로 까다로운 환경을 조성합니다.
PCS 스위칭 노이즈, 접지 전위 차이 및 통신 간섭
고속 스위칭 전력 전자 장치는 공통 모드 노이즈를 생성합니다.
PCS 또는 인버터는 IGBT 또는 SiC MOSFET과 같은 반도체 장치를 빠르게 스위칭하여 작동합니다. 이러한 스위칭 전환은 전압 및 전류의 크고 빠른 변화를 만듭니다.
전압이 빠르게 변하면 변위 전류가 기생 커패시턴스를 통해 흐를 수 있습니다. 전류가 빠르게 변하면 누설 인덕턴스가 추가적인 전압 교란을 생성할 수 있습니다. 이러한 효과는 함께 공통 모드 및 차동 모드 노이즈에 기여합니다.
결과는 모든 전기 통신 링크가 실패하는 것이 아닙니다. 제대로 설계된 CAN, RS-485, SPI 및 기타 전기 인터페이스는 열악한 산업 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다.
그러나 통신 설계자는 동시에 여러 요소를 관리해야 합니다.
공통 모드 전압,
접지,
차폐,
케이블 라우팅,
종단,
절연 등급,
과도 내성,
및 전력 도체와의 물리적 분리.
이러한 효과는 빠른 전압 및 전류 전환이 있는 전력 전자 회로에서 특히 관련이 있습니다.
접지 전위 차이는 통신 문제의 일부가 될 수 있습니다.
두 장비가 반드시 정확히 동일한 접지 전위를 갖는 것은 아닙니다.
통신 매체가 이러한 위치 간에 전도성 경로를 포함하는 경우 해당 전압 차이의 일부가 통신 인터페이스에 나타날 수 있습니다.
이것이 접지 루프가 발생하는 이유 중 하나입니다.
구리 통신 시스템은 절연 트랜시버 또는 기타 갈바닉 절연 장치를 사용하여 여전히 절연될 수 있습니다. 따라서 문제는 단순히 "구리 대 광섬유"가 아닙니다.
차이점은 광섬유 케이블이 애초에 두 끝점 사이에 전기 전도체를 제공하지 않는다는 것입니다.
광섬유 절연은 물리 계층에서 무엇을 변경합니까?
광섬유 절연의 주요 가치는 간단합니다.
전기 데이터는 송신기에서 빛으로 변환됩니다. 광 신호는 광섬유를 통해 전송됩니다. 수신단에서 빛은 다시 전기 신호로 변환됩니다.케이블 자체가 비전도성이므로 송신기 및 수신기는 금속 신호 경로를 설정하지 않고도 서로 다른 전기 도메인에서 작동할 수 있습니다.
구리 통신 대 광섬유 절연
광섬유는 전도성 신호 경로를 제거합니다.
구리 링크에서 전기 신호는 도체 간의 전압 또는 전류 관계에 의존합니다.
이러한 물리적 차이는 여러 가지 유용한 결과를 낳습니다.
첫째, 광섬유는 두 전기 도메인 사이에 갈바닉 연결을 생성하지 않습니다.
둘째, 케이블 매개 접지 루프 전류는 광학 경로를 통해 흐를 수 없습니다.
셋째, 전자기장은 금속 도체에서 할 수 있는 것과 같은 방식으로 광섬유에 신호 전압을 유도하지 않습니다.
이는 광 링크를 고전압 스위칭 시스템, 강한 전자기장 및 전기적으로 분리된 제어 영역 주변에서 특히 매력적으로 만듭니다.
이것이 접지 루프 및 공통 모드 간섭에 도움이 되는 이유
공통 모드 문제는 통신 수신기가 로컬 전기 참조와 송신기 측 참조 간의 전압 차이를 허용해야 할 때 종종 어려워집니다.
케이블 인터페이스를 큰 공통 모드 전압을 허용하도록 설계하는 대신 설계자는 전기 도메인을 분리하고 정보만 광학적으로 전송할 수 있습니다.
이는 특히 케이블 실행이 전기적으로 노이즈가 많은 영역을 통과할 때 물리적으로 분리된 장비 간의 절연을 단순화할 수 있습니다.
그러나 광 링크는 통신 경로만 절연합니다.
송신기 전자 장치, 수신기 전자 장치, 전원 공급 장치, PCB 레이아웃, 크리피지 및 클리어런스, 접지, 서지 보호 및 EMC 설계는 여전히 올바르게 엔지니어링되어야 합니다.
따라서 광섬유는 전체 BMS 또는 PCS를 EMI에 면역으로 만들지 않습니다. 하나의 중요한 전도성 커플링 경로를 제거합니다.
광섬유는 다른 모든 절연 방법을 대체하지 않습니다.
디지털 아이솔레이터, 절연 CAN 트랜시버, 절연 RS-485 인터페이스, 변압기 결합 통신, 옵토커플러 및 커패시티브 또는 자기 절연은 여전히 유효한 엔지니어링 옵션입니다.
광섬유는 절연 경계가 물리적 케이블 실행을 확장할 때, 두 도메인이 물리적으로 분리될 때 또는 통신 경로가 강한 EMI 환경을 통과할 때 더 매력적이 됩니다.
올바른 기술은 절연 장벽의 물리적 위치와 통신 경로의 요구 사항에 따라 달라집니다.
BMS 또는 에너지 저장 아키텍처에 광섬유 링크를 어디에 배치할 수 있습니까?
광섬유는 에너지 저장 시스템 내의 모든 통신 링크를 대체할 필요는 없습니다.
BMS 및 에너지 저장 아키텍처에서 광섬유 링크가 적합한 위치
배터리 랙 또는 모듈 통신
배터리 랙 또는 캐비닛 내에서 시스템의 다른 섹션 간에 전기 절연이 필요한 경우 컨트롤러 또는 모니터링 장치 간에 짧은 광 링크를 사용할 수 있습니다.
필요한 거리는 불과 몇 미터 또는 수십 미터일 수 있지만 링크는 여전히 완전한 전기적 분리의 이점을 누릴 수 있습니다.
이러한 응용 분야의 경우 컴팩트한 산업용 광 링크가 통신용 장거리 광섬유 네트워크보다 더 관련성이 높을 수 있습니다.
배터리 시스템 대 PCS 또는 중앙 컨트롤러
또 다른 중요한 위치는 배터리 시스템과 PCS 또는 감독 컨트롤러 간의 통신 경계입니다.
통신 경로가 이러한 영역을 교차하는 경우 광섬유는 신호 케이블 자체가 이들 사이에 전기적 연결이 되는 것을 방지할 수 있습니다.
따라서 이점은 단순히 더 나은 노이즈 성능이 아닙니다.
더 근본적인 이점은 전기 도메인의 분리입니다.
단거리 BMS 절연 링크에 POF가 잘 작동하는 이유는 무엇입니까?
플라스틱 광섬유, 특히 산업용 가시광선 트랜시버와 함께 사용되는 대형 코어 POF는 많은 단거리 내부 광 링크에 적합합니다.
단거리 시스템 내부 및 랙 레벨 링크
산업용 POF 시스템은 일반적으로 미터 또는 수십 미터 단위의 거리에서 사용됩니다.
에너지 저장 시스템에서 이는 다음 간의 통신을 포함할 수 있습니다.
분리된 컨트롤 보드,
배터리 랙,
로컬 모니터링 장치,
제어 캐비닛,
또는 고전압 및 저전압 섹션 간의 절연 인터페이스.
POF에 대한 단일 보편적인 최대 거리는 없습니다.
실제 달성 가능한 거리는 송신기 출력, 수신기 감도, 데이터 속도, 광섬유 감쇠, 커넥터 손실, 작동 온도, 설치 품질 및 필요한 설계 마진을 포함한 전체 광 링크에 따라 달라집니다.
이러한 이유로 POF는 "단거리 산업용 광 플랫폼"으로 취급되어야 하며, 하나의 고정 거리 제한이 있는 광섬유 유형으로 취급되어서는 안 됩니다.
대형 코어 광섬유, 종단 및 설치 고려 사항
재킷 재질, 온도 등급, 굽힘 성능, 인장 강도, 커넥터 설계, 난연 성능 및 장기 기계적 안정성은 모두 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다.
광섬유 자체는 완성된 통신 링크의 일부일 뿐입니다.
언제 POF 대신 HCS 또는 유리 섬유를 사용해야 합니까?
POF는 유용하지만 모든 광 링크에 대한 올바른 선택은 아닙니다.
거리, 온도, 대역폭 또는 환경 요구 사항이 증가함에 따라 다른 유형의 광섬유가 더 많은 마진을 제공할 수 있습니다.
HCS가 더 많은 링크 마진 또는 거리를 제공할 때
일반적인 대형 코어 POF와 비교할 때 HCS는 일반적으로 더 낮은 광학 감쇠를 제공하며 호환되는 트랜시버와 더 긴 산업 링크를 지원할 수 있습니다.
이는 애플리케이션이 여전히 견고한 산업용 광학 아키텍처의 이점을 누리지만 더 긴 전송 거리 또는 추가적인 광학 마진이 필요한 경우 HCS를 유용하게 만듭니다.
정확한 거리는 트랜시버에 따라 다릅니다.
온도 기능도 중요합니다. 특정 HCS 구성은 일반적인 POF 케이블 구성보다 더 넓은 작동 범위를 지원할 수 있으므로 더 까다로운 장비 환경에 적합합니다.
기존 유리 섬유가 더 적합해질 때
표준 유리 다중 모드 또는 단일 모드 광섬유는 통신 요구 사항이 내부 장비 절연 링크를 넘어서는 경우 더 관련성이 높아집니다.
일반적인 이유는 다음과 같습니다.
더 긴 전송 거리,
기존 LC, SC, ST 또는 유사한 인프라와의 통합,
또는 단일 장비 내보다는 캐비닛, 방 또는 시설 간의 통신.
이는 유용한 엔지니어링 구분을 만듭니다.
POF는 종종 짧은 내부 산업 링크에 매력적입니다.
HCS는 더 긴 도달 거리 또는 추가적인 환경 마진이 필요한 중간 지점을 제공합니다.
기존 유리 섬유는 시스템이 내부 절연 제어 링크보다는 산업 네트워크처럼 보이기 시작할 때 더 적합해집니다.
엔지니어는 에너지 저장 절연 링크에 광섬유를 어떻게 선택해야 합니까?
광섬유 선택은 광섬유 재료만으로 시작하는 것이 아니라 완전한 통신 요구 사항으로 시작해야 합니다.
광섬유 절연 링크 선택을 위한 엔지니어링 요인
선택 요인
거리
서비스 루프 및 캐비닛 라우팅을 포함하여 실제 라우팅된 광 경로의 길이는 얼마입니까?
| 데이터 속도 | 링크가 지원해야 하는 대역폭 및 프로토콜 타이밍은 무엇입니까? |
|---|---|
| 광학 예산 | 송신기, 광섬유, 커넥터 및 수신기 조합이 충분한 마진을 제공합니까? |
| 온도 | 링크의 모든 구성 요소가 필요한 온도 범위에서 작동할 수 있습니까? |
| 커넥터 유형 | 광섬유는 어떻게 종단, 설치, 교체 및 유지 보수됩니까? |
| 기계적 환경 | 케이블이 진동, 굽힘, 인장 하중, 마모 또는 반복적인 움직임을 경험합니까? |
| 절연 요구 사항 | 어떤 전기 도메인이 갈바닉으로 분리되어야 합니까? |
| 신뢰성 마진 | 온도, 노화, 커넥터 손실, 오염 및 설치 허용 오차를 고려한 후 얼마나 많은 마진이 남아 있습니까? |
| 거리 및 광학 링크 예산 | 거리는 광섬유 감쇠만으로 평가해서는 안 됩니다. |
| 작동하는 광 링크는 송신기 전력, 수신기 감도, 커넥터 손실, 스플라이스 또는 인터페이스, 온도 효과, 노화 및 엔지니어링 마진에 따라 달라집니다. | 감쇠가 낮은 광섬유는 더 긴 링크를 지원할 수 있지만, 트랜시버 쌍이 해당 광섬유와 함께 작동하도록 설계된 경우에만 가능합니다. |
필요한 통신 속도는 광 송신기 및 수신기와 일치해야 합니다.
짧은 광섬유라고 해서 모든 트랜시버 조합이 작동하는 것은 아닙니다.
송신기 파장, 수신기 감도, 광섬유 유형, 커넥터 기하학 및 데이터 속도는 호환되는 시스템을 형성해야 합니다.
광섬유의 작동 온도는 독립적으로 고려해서는 안 됩니다.
전체 링크에는 광섬유, 케이블 재킷, 커넥터, 송신기, 수신기 및 주변 전자 장치가 포함됩니다.
한 구성 요소의 허용 온도 범위가 다른 구성 요소보다 낮으면 해당 구성 요소가 전체 링크의 제한 요소가 될 수 있습니다.
커넥터 선택은 삽입 손실 이상의 영향을 미칩니다.
또한 설치 속도, 유지 보수 절차, 서비스 가능성, 기계적 고정, 반복성 및 오염 민감도에도 영향을 미칩니다.
현장에서 서비스될 수 있는 장비의 경우 이러한 실용적인 요인이 명목상의 광 성능만큼 중요할 수 있습니다.
상온 프로토타입에서 작동하는 링크가 자동으로 신뢰할 수 있는 생산 설계가 되는 것은 아닙니다.
광학 예산에는 다음을 위한 충분한 마진이 포함되어야 합니다.
구성 요소 변동,
커넥터 손실,
노화,
굽힘,
오염,
및 설치 허용 오차.
이는 특히 긴 작동 수명을 위해 설계된 에너지 저장 시스템에서 중요합니다.
에너지 저장 절연용 POF 대 HCS 대 기존 유리 섬유
광섬유 유형
일반적인 엔지니어링 역할
거리 위치
고려해야 할 때
| POF | 짧은 내부 제어 및 절연 링크 | 링크에 따라 일반적으로 미터에서 수십 미터까지의 짧은 거리 | 대형 코어, 실용적인 산업 종단, 강력한 갈바닉 절연 | 랙 레벨, 캐비닛 레벨, 짧은 BMS 제어 링크 |
|---|---|---|---|---|
| HCS | 더 많은 마진이 필요한 산업용 광 링크 | 호환되는 트랜시버를 사용한 일반적인 POF보다 더 긴 거리 | 적합한 구성의 더 낮은 감쇠 및 더 강력한 환경 기능 | 더 긴 내부 링크, 더 열악한 조건, 추가 링크 마진 |
| 기존 유리 섬유 | 산업 네트워킹 및 더 긴 상호 연결 | 광학 시스템 및 네트워크 표준에 따라 더 긴 거리 링크 | 고대역폭, 저감쇠, 표준화된 커넥터/네트워크 생태계 | 캐비닛 간, 시설 레벨, 이더넷, 장거리 통신 |
| 이러한 범주는 엄격한 경계로 취급해서는 안 됩니다. | 올바른 선택은 광섬유 재료만으로가 아니라 전체 광학 아키텍처에 따라 달라집니다. | 엔지니어링 요점 | 에너지 저장 시스템은 광섬유가 빠르거나 배터리가 고전압이기 때문에 광섬유를 사용하는 것이 아닙니다. | 진짜 이유는 더 근본적입니다. |
BMS, 고전압 배터리 시스템, PCS 및 감독 컨트롤러는 여러 전기적 전위 도메인을 포함할 수 있습니다. 정보가 이러한 도메인 간에 교차해야 할 때 통신 경로는 의도치 않게 전도성 연결, 접지 루프 경로 또는 공통 모드 간섭 문제를 생성하지 않도록 설계해야 합니다.
광섬유는 정보를 전기적으로가 아니라 광학적으로 전달함으로써 이 특정 물리 계층 문제를 해결합니다.
거리, 온도, 광학 마진 또는 대역폭 요구 사항이 증가하는 경우 HCS 또는 기존 유리 섬유가 더 적합해질 수 있습니다.
따라서 올바른 선택은 네 가지 질문으로 시작합니다.
절연 경계는 어디입니까? 신호는 얼마나 멀리 이동해야 합니까? 링크는 어떤 환경에서 살아남아야 합니까? 그리고 시스템 수명 동안 어떤 신뢰성 마진이 필요합니까?
이러한 질문은 광섬유가 필요한지 여부와 필요한 경우 어떤 유형의 광섬유가 엔지니어링적으로 합리적인지를 결정합니다.
FAQ
BMS는 왜 전기 절연이 필요합니까?
BMS는 특히 고전압 배터리 스택에서 서로 다른 전기적 전위에서 작동하는 회로를 포함할 수 있습니다. 절연을 통해 모니터링 및 제어 정보가 이러한 도메인 간에 원치 않는 전도성 경로를 생성하지 않고 교차할 수 있습니다.
고전압 BMS에서 구리 통신 대신 광섬유 통신을 사용하는 이유는 무엇입니까?
광섬유는 송신기 및 수신기 사이에 금속 전기 경로를 제공하지 않습니다. 이는 케이블 매개 접지 루프를 제거하고 통신 경로의 공통 모드 간섭 노출을 줄일 수 있습니다. 구리 링크도 절연될 수 있지만 인터페이스에서 전기 절연 방법이 필요합니다.
언제 POF 대신 HCS를 사용해야 합니까?
광섬유 통신이 에너지 저장 시스템의 EMI 문제를 제거합니까?
엔지니어는 BMS-PCS 통신용 광섬유를 선택할 때 무엇을 확인해야 합니까?
에너지 저장 시스템은 고전압 배터리 스택, 배터리 관리 전자 장치, 전력 변환 장비 및 저전압 제어 시스템을 동일한 전기 아키텍처 내에 결합합니다. 이러한 부품은 항상 동일한 전기적 전위에서 작동하는 것은 아니며, 상당한 전자기 노이즈를 생성하는 고전류 스위칭 회로 근처에 위치하는 경우가 많습니다.
이러한 이유로 배터리 에너지 저장 시스템 내의 통신은 단순히 데이터 속도 또는 프로토콜의 문제가 아닙니다. 많은 경우 엔지니어는 전기적으로 분리된 영역 간에 원치 않는 전류 경로, 접지 루프 또는 공통 모드 간섭을 생성하지 않고 정보가 어떻게 교차할 수 있는지 결정해야 합니다.
광섬유 통신은 신호가 전도성 케이블을 통해 전기 전류가 아닌 빛으로 전송되기 때문에 이러한 경계를 넘는 한 가지 방법을 제공합니다. 이는 갈바닉 절연, 통신 경로의 전자기 간섭에 대한 취약성 감소 또는 고전압 및 저전압 제어 도메인 간의 분리가 중요한 경우 광섬유를 특히 유용하게 만듭니다.
따라서 엔지니어링 질문은 단순히 "BMS가 광섬유를 사용해야 하는가?"가 아닙니다.
더 나은 질문은 다음과 같습니다.시스템에 절연 경계가 어디에 있으며 해당 경계를 가로지르는 데 가장 적합한 통신 링크 유형은 무엇입니까?
BMS 전기 절연은 서로 다른 전기적 전위에서 작동하는 통신 또는 제어 회로를 분리하면서도 정보가 서로 통과할 수 있도록 하는 것을 의미합니다. 목표는 통신 경로를 통한 원치 않는 전류 흐름을 방지하는 동시에 로컬 전기 참조를 직접 연결하지 않고 전기 도메인 간에 정보가 교차하도록 하는 것입니다.
이 요구 사항은 고전압 배터리 팩의 전기 구조에서 직접 나옵니다.
고전압 배터리는 일반적으로 여러 셀 또는 모듈을 직렬로 연결하여 만들어집니다. 이렇게 하면 필요한 팩 전압이 생성되지만 스택의 다른 부분이 시스템 접지에 대해 다른 전기적 전위에 있다는 것을 의미하기도 합니다. 스택 하단 근처의 셀 그룹에 연결된 모니터링 회로는 낮은 팩 전위에 가깝게 작동할 수 있습니다. 직렬 체인에서 훨씬 높은 위치에 있는 다른 모니터링 회로는 훨씬 더 높은 전위에서 부동할 수 있습니다.
측정 관점에서 볼 때 두 회로는 셀 전압, 온도 또는 진단 정보를 읽는 것과 같은 유사한 기능을 수행할 수 있습니다. 그러나 전기적으로는 동일한 전위에 참조되지 않습니다.
고전압 배터리 스택 내의 여러 전기적 전위 도메인
이는 근본적인 BMS 설계 문제를 야기합니다. 정보는 배터리 스택을 통과하여 결국 중앙 컨트롤러에 도달해야 하지만 관련된 전자 장치는 다른 전압 도메인에 속할 수 있습니다.
따라서 많은 BMS 아키텍처는 스택형 모니터링 장치, 절연 직렬 인터페이스, 변압기 결합 링크, 절연 CAN 또는 기타 방법을 사용하여 도메인 간에 데이터를 안전하게 이동합니다.
통신 경로 자체가 전기적으로 비전도성으로 유지되어야 하는 경우 광섬유는 또 다른 옵션입니다.
배터리 측 전자 장치와 저전압 컨트롤러 간의 절연 경계
예를 들어, 배터리 모니터링 섹션은 배터리 스택과 함께 부동할 수 있는 반면 중앙 BMS 컨트롤러는 섀시 또는 제어 접지에 참조되는 저전압 공급 장치에서 작동합니다. 마찬가지로 배터리 랙, 전력 변환 시스템 및 감독 컨트롤러는 각각 자체 접지 및 전력 도메인을 가질 수 있습니다.
통신 링크가 이러한 경계 중 하나를 교차할 때마다 인터페이스는 정상적인 통신이 의도치 않게 공통 모드 전류 또는 고장 에너지의 경로가 되지 않도록 설계해야 합니다.
이것이 갈바닉 절연의 역할입니다.
에너지 저장 시스템에서 EMI 및 접지 전위 차이는 어디에서 발생합니까?
에너지 저장 시스템에는 배터리 셀 및 모니터링 전자 장치 외에도 접촉기, DC 버스, DC/DC 스테이지, PCS 장비, 인버터, 게이트 드라이버, 보조 전원 공급 장치, 냉각 시스템 및 외부 제어 네트워크가 포함됩니다.
이는 통신에 전기적으로 까다로운 환경을 조성합니다.
PCS 스위칭 노이즈, 접지 전위 차이 및 통신 간섭
고속 스위칭 전력 전자 장치는 공통 모드 노이즈를 생성합니다.
PCS 또는 인버터는 IGBT 또는 SiC MOSFET과 같은 반도체 장치를 빠르게 스위칭하여 작동합니다. 이러한 스위칭 전환은 전압 및 전류의 크고 빠른 변화를 만듭니다.
전압이 빠르게 변하면 변위 전류가 기생 커패시턴스를 통해 흐를 수 있습니다. 전류가 빠르게 변하면 누설 인덕턴스가 추가적인 전압 교란을 생성할 수 있습니다. 이러한 효과는 함께 공통 모드 및 차동 모드 노이즈에 기여합니다.
결과는 모든 전기 통신 링크가 실패하는 것이 아닙니다. 제대로 설계된 CAN, RS-485, SPI 및 기타 전기 인터페이스는 열악한 산업 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다.
그러나 통신 설계자는 동시에 여러 요소를 관리해야 합니다.
공통 모드 전압,
접지,
차폐,
케이블 라우팅,
종단,
절연 등급,
과도 내성,
및 전력 도체와의 물리적 분리.
이러한 효과는 빠른 전압 및 전류 전환이 있는 전력 전자 회로에서 특히 관련이 있습니다.
접지 전위 차이는 통신 문제의 일부가 될 수 있습니다.
두 장비가 반드시 정확히 동일한 접지 전위를 갖는 것은 아닙니다.
통신 매체가 이러한 위치 간에 전도성 경로를 포함하는 경우 해당 전압 차이의 일부가 통신 인터페이스에 나타날 수 있습니다.
이것이 접지 루프가 발생하는 이유 중 하나입니다.
구리 통신 시스템은 절연 트랜시버 또는 기타 갈바닉 절연 장치를 사용하여 여전히 절연될 수 있습니다. 따라서 문제는 단순히 "구리 대 광섬유"가 아닙니다.
차이점은 광섬유 케이블이 애초에 두 끝점 사이에 전기 전도체를 제공하지 않는다는 것입니다.
광섬유 절연은 물리 계층에서 무엇을 변경합니까?
광섬유 절연의 주요 가치는 간단합니다.
전기 데이터는 송신기에서 빛으로 변환됩니다. 광 신호는 광섬유를 통해 전송됩니다. 수신단에서 빛은 다시 전기 신호로 변환됩니다.케이블 자체가 비전도성이므로 송신기 및 수신기는 금속 신호 경로를 설정하지 않고도 서로 다른 전기 도메인에서 작동할 수 있습니다.
구리 통신 대 광섬유 절연
광섬유는 전도성 신호 경로를 제거합니다.
구리 링크에서 전기 신호는 도체 간의 전압 또는 전류 관계에 의존합니다.
이러한 물리적 차이는 여러 가지 유용한 결과를 낳습니다.
첫째, 광섬유는 두 전기 도메인 사이에 갈바닉 연결을 생성하지 않습니다.
둘째, 케이블 매개 접지 루프 전류는 광학 경로를 통해 흐를 수 없습니다.
셋째, 전자기장은 금속 도체에서 할 수 있는 것과 같은 방식으로 광섬유에 신호 전압을 유도하지 않습니다.
이는 광 링크를 고전압 스위칭 시스템, 강한 전자기장 및 전기적으로 분리된 제어 영역 주변에서 특히 매력적으로 만듭니다.
이것이 접지 루프 및 공통 모드 간섭에 도움이 되는 이유
공통 모드 문제는 통신 수신기가 로컬 전기 참조와 송신기 측 참조 간의 전압 차이를 허용해야 할 때 종종 어려워집니다.
케이블 인터페이스를 큰 공통 모드 전압을 허용하도록 설계하는 대신 설계자는 전기 도메인을 분리하고 정보만 광학적으로 전송할 수 있습니다.
이는 특히 케이블 실행이 전기적으로 노이즈가 많은 영역을 통과할 때 물리적으로 분리된 장비 간의 절연을 단순화할 수 있습니다.
그러나 광 링크는 통신 경로만 절연합니다.
송신기 전자 장치, 수신기 전자 장치, 전원 공급 장치, PCB 레이아웃, 크리피지 및 클리어런스, 접지, 서지 보호 및 EMC 설계는 여전히 올바르게 엔지니어링되어야 합니다.
따라서 광섬유는 전체 BMS 또는 PCS를 EMI에 면역으로 만들지 않습니다. 하나의 중요한 전도성 커플링 경로를 제거합니다.
광섬유는 다른 모든 절연 방법을 대체하지 않습니다.
디지털 아이솔레이터, 절연 CAN 트랜시버, 절연 RS-485 인터페이스, 변압기 결합 통신, 옵토커플러 및 커패시티브 또는 자기 절연은 여전히 유효한 엔지니어링 옵션입니다.
광섬유는 절연 경계가 물리적 케이블 실행을 확장할 때, 두 도메인이 물리적으로 분리될 때 또는 통신 경로가 강한 EMI 환경을 통과할 때 더 매력적이 됩니다.
올바른 기술은 절연 장벽의 물리적 위치와 통신 경로의 요구 사항에 따라 달라집니다.
BMS 또는 에너지 저장 아키텍처에 광섬유 링크를 어디에 배치할 수 있습니까?
광섬유는 에너지 저장 시스템 내의 모든 통신 링크를 대체할 필요는 없습니다.
BMS 및 에너지 저장 아키텍처에서 광섬유 링크가 적합한 위치
배터리 랙 또는 모듈 통신
배터리 랙 또는 캐비닛 내에서 시스템의 다른 섹션 간에 전기 절연이 필요한 경우 컨트롤러 또는 모니터링 장치 간에 짧은 광 링크를 사용할 수 있습니다.
필요한 거리는 불과 몇 미터 또는 수십 미터일 수 있지만 링크는 여전히 완전한 전기적 분리의 이점을 누릴 수 있습니다.
이러한 응용 분야의 경우 컴팩트한 산업용 광 링크가 통신용 장거리 광섬유 네트워크보다 더 관련성이 높을 수 있습니다.
배터리 시스템 대 PCS 또는 중앙 컨트롤러
또 다른 중요한 위치는 배터리 시스템과 PCS 또는 감독 컨트롤러 간의 통신 경계입니다.
통신 경로가 이러한 영역을 교차하는 경우 광섬유는 신호 케이블 자체가 이들 사이에 전기적 연결이 되는 것을 방지할 수 있습니다.
따라서 이점은 단순히 더 나은 노이즈 성능이 아닙니다.
더 근본적인 이점은 전기 도메인의 분리입니다.
단거리 BMS 절연 링크에 POF가 잘 작동하는 이유는 무엇입니까?
플라스틱 광섬유, 특히 산업용 가시광선 트랜시버와 함께 사용되는 대형 코어 POF는 많은 단거리 내부 광 링크에 적합합니다.
단거리 시스템 내부 및 랙 레벨 링크
산업용 POF 시스템은 일반적으로 미터 또는 수십 미터 단위의 거리에서 사용됩니다.
에너지 저장 시스템에서 이는 다음 간의 통신을 포함할 수 있습니다.
분리된 컨트롤 보드,
배터리 랙,
로컬 모니터링 장치,
제어 캐비닛,
또는 고전압 및 저전압 섹션 간의 절연 인터페이스.
POF에 대한 단일 보편적인 최대 거리는 없습니다.
실제 달성 가능한 거리는 송신기 출력, 수신기 감도, 데이터 속도, 광섬유 감쇠, 커넥터 손실, 작동 온도, 설치 품질 및 필요한 설계 마진을 포함한 전체 광 링크에 따라 달라집니다.
이러한 이유로 POF는 "단거리 산업용 광 플랫폼"으로 취급되어야 하며, 하나의 고정 거리 제한이 있는 광섬유 유형으로 취급되어서는 안 됩니다.
대형 코어 광섬유, 종단 및 설치 고려 사항
재킷 재질, 온도 등급, 굽힘 성능, 인장 강도, 커넥터 설계, 난연 성능 및 장기 기계적 안정성은 모두 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다.
광섬유 자체는 완성된 통신 링크의 일부일 뿐입니다.
언제 POF 대신 HCS 또는 유리 섬유를 사용해야 합니까?
POF는 유용하지만 모든 광 링크에 대한 올바른 선택은 아닙니다.
거리, 온도, 대역폭 또는 환경 요구 사항이 증가함에 따라 다른 유형의 광섬유가 더 많은 마진을 제공할 수 있습니다.
HCS가 더 많은 링크 마진 또는 거리를 제공할 때
일반적인 대형 코어 POF와 비교할 때 HCS는 일반적으로 더 낮은 광학 감쇠를 제공하며 호환되는 트랜시버와 더 긴 산업 링크를 지원할 수 있습니다.
이는 애플리케이션이 여전히 견고한 산업용 광학 아키텍처의 이점을 누리지만 더 긴 전송 거리 또는 추가적인 광학 마진이 필요한 경우 HCS를 유용하게 만듭니다.
정확한 거리는 트랜시버에 따라 다릅니다.
온도 기능도 중요합니다. 특정 HCS 구성은 일반적인 POF 케이블 구성보다 더 넓은 작동 범위를 지원할 수 있으므로 더 까다로운 장비 환경에 적합합니다.
기존 유리 섬유가 더 적합해질 때
표준 유리 다중 모드 또는 단일 모드 광섬유는 통신 요구 사항이 내부 장비 절연 링크를 넘어서는 경우 더 관련성이 높아집니다.
일반적인 이유는 다음과 같습니다.
더 긴 전송 거리,
기존 LC, SC, ST 또는 유사한 인프라와의 통합,
또는 단일 장비 내보다는 캐비닛, 방 또는 시설 간의 통신.
이는 유용한 엔지니어링 구분을 만듭니다.
POF는 종종 짧은 내부 산업 링크에 매력적입니다.
HCS는 더 긴 도달 거리 또는 추가적인 환경 마진이 필요한 중간 지점을 제공합니다.
기존 유리 섬유는 시스템이 내부 절연 제어 링크보다는 산업 네트워크처럼 보이기 시작할 때 더 적합해집니다.
엔지니어는 에너지 저장 절연 링크에 광섬유를 어떻게 선택해야 합니까?
광섬유 선택은 광섬유 재료만으로 시작하는 것이 아니라 완전한 통신 요구 사항으로 시작해야 합니다.
광섬유 절연 링크 선택을 위한 엔지니어링 요인
선택 요인
거리
서비스 루프 및 캐비닛 라우팅을 포함하여 실제 라우팅된 광 경로의 길이는 얼마입니까?
| 데이터 속도 | 링크가 지원해야 하는 대역폭 및 프로토콜 타이밍은 무엇입니까? |
|---|---|
| 광학 예산 | 송신기, 광섬유, 커넥터 및 수신기 조합이 충분한 마진을 제공합니까? |
| 온도 | 링크의 모든 구성 요소가 필요한 온도 범위에서 작동할 수 있습니까? |
| 커넥터 유형 | 광섬유는 어떻게 종단, 설치, 교체 및 유지 보수됩니까? |
| 기계적 환경 | 케이블이 진동, 굽힘, 인장 하중, 마모 또는 반복적인 움직임을 경험합니까? |
| 절연 요구 사항 | 어떤 전기 도메인이 갈바닉으로 분리되어야 합니까? |
| 신뢰성 마진 | 온도, 노화, 커넥터 손실, 오염 및 설치 허용 오차를 고려한 후 얼마나 많은 마진이 남아 있습니까? |
| 거리 및 광학 링크 예산 | 거리는 광섬유 감쇠만으로 평가해서는 안 됩니다. |
| 작동하는 광 링크는 송신기 전력, 수신기 감도, 커넥터 손실, 스플라이스 또는 인터페이스, 온도 효과, 노화 및 엔지니어링 마진에 따라 달라집니다. | 감쇠가 낮은 광섬유는 더 긴 링크를 지원할 수 있지만, 트랜시버 쌍이 해당 광섬유와 함께 작동하도록 설계된 경우에만 가능합니다. |
필요한 통신 속도는 광 송신기 및 수신기와 일치해야 합니다.
짧은 광섬유라고 해서 모든 트랜시버 조합이 작동하는 것은 아닙니다.
송신기 파장, 수신기 감도, 광섬유 유형, 커넥터 기하학 및 데이터 속도는 호환되는 시스템을 형성해야 합니다.
광섬유의 작동 온도는 독립적으로 고려해서는 안 됩니다.
전체 링크에는 광섬유, 케이블 재킷, 커넥터, 송신기, 수신기 및 주변 전자 장치가 포함됩니다.
한 구성 요소의 허용 온도 범위가 다른 구성 요소보다 낮으면 해당 구성 요소가 전체 링크의 제한 요소가 될 수 있습니다.
커넥터 선택은 삽입 손실 이상의 영향을 미칩니다.
또한 설치 속도, 유지 보수 절차, 서비스 가능성, 기계적 고정, 반복성 및 오염 민감도에도 영향을 미칩니다.
현장에서 서비스될 수 있는 장비의 경우 이러한 실용적인 요인이 명목상의 광 성능만큼 중요할 수 있습니다.
상온 프로토타입에서 작동하는 링크가 자동으로 신뢰할 수 있는 생산 설계가 되는 것은 아닙니다.
광학 예산에는 다음을 위한 충분한 마진이 포함되어야 합니다.
구성 요소 변동,
커넥터 손실,
노화,
굽힘,
오염,
및 설치 허용 오차.
이는 특히 긴 작동 수명을 위해 설계된 에너지 저장 시스템에서 중요합니다.
에너지 저장 절연용 POF 대 HCS 대 기존 유리 섬유
광섬유 유형
일반적인 엔지니어링 역할
거리 위치
고려해야 할 때
| POF | 짧은 내부 제어 및 절연 링크 | 링크에 따라 일반적으로 미터에서 수십 미터까지의 짧은 거리 | 대형 코어, 실용적인 산업 종단, 강력한 갈바닉 절연 | 랙 레벨, 캐비닛 레벨, 짧은 BMS 제어 링크 |
|---|---|---|---|---|
| HCS | 더 많은 마진이 필요한 산업용 광 링크 | 호환되는 트랜시버를 사용한 일반적인 POF보다 더 긴 거리 | 적합한 구성의 더 낮은 감쇠 및 더 강력한 환경 기능 | 더 긴 내부 링크, 더 열악한 조건, 추가 링크 마진 |
| 기존 유리 섬유 | 산업 네트워킹 및 더 긴 상호 연결 | 광학 시스템 및 네트워크 표준에 따라 더 긴 거리 링크 | 고대역폭, 저감쇠, 표준화된 커넥터/네트워크 생태계 | 캐비닛 간, 시설 레벨, 이더넷, 장거리 통신 |
| 이러한 범주는 엄격한 경계로 취급해서는 안 됩니다. | 올바른 선택은 광섬유 재료만으로가 아니라 전체 광학 아키텍처에 따라 달라집니다. | 엔지니어링 요점 | 에너지 저장 시스템은 광섬유가 빠르거나 배터리가 고전압이기 때문에 광섬유를 사용하는 것이 아닙니다. | 진짜 이유는 더 근본적입니다. |
BMS, 고전압 배터리 시스템, PCS 및 감독 컨트롤러는 여러 전기적 전위 도메인을 포함할 수 있습니다. 정보가 이러한 도메인 간에 교차해야 할 때 통신 경로는 의도치 않게 전도성 연결, 접지 루프 경로 또는 공통 모드 간섭 문제를 생성하지 않도록 설계해야 합니다.
광섬유는 정보를 전기적으로가 아니라 광학적으로 전달함으로써 이 특정 물리 계층 문제를 해결합니다.
거리, 온도, 광학 마진 또는 대역폭 요구 사항이 증가하는 경우 HCS 또는 기존 유리 섬유가 더 적합해질 수 있습니다.
따라서 올바른 선택은 네 가지 질문으로 시작합니다.
절연 경계는 어디입니까? 신호는 얼마나 멀리 이동해야 합니까? 링크는 어떤 환경에서 살아남아야 합니까? 그리고 시스템 수명 동안 어떤 신뢰성 마진이 필요합니까?
이러한 질문은 광섬유가 필요한지 여부와 필요한 경우 어떤 유형의 광섬유가 엔지니어링적으로 합리적인지를 결정합니다.
FAQ
BMS는 왜 전기 절연이 필요합니까?
BMS는 특히 고전압 배터리 스택에서 서로 다른 전기적 전위에서 작동하는 회로를 포함할 수 있습니다. 절연을 통해 모니터링 및 제어 정보가 이러한 도메인 간에 원치 않는 전도성 경로를 생성하지 않고 교차할 수 있습니다.
고전압 BMS에서 구리 통신 대신 광섬유 통신을 사용하는 이유는 무엇입니까?
광섬유는 송신기 및 수신기 사이에 금속 전기 경로를 제공하지 않습니다. 이는 케이블 매개 접지 루프를 제거하고 통신 경로의 공통 모드 간섭 노출을 줄일 수 있습니다. 구리 링크도 절연될 수 있지만 인터페이스에서 전기 절연 방법이 필요합니다.
언제 POF 대신 HCS를 사용해야 합니까?
광섬유 통신이 에너지 저장 시스템의 EMI 문제를 제거합니까?
엔지니어는 BMS-PCS 통신용 광섬유를 선택할 때 무엇을 확인해야 합니까?
