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하이브리드/전기자동차를 위한 신뢰할 수 있는 리튬이온 배터리 모니터링 시스템
파워 매니지먼트
글 김의겸 2009-01-06 |   지면 발행 ( 2009년 1월호 - 전체 보기 )


글 : 존 먼슨 / 선임 애플리케이션 엔지니어리니어 테크놀로지 / www.linear.com최신 세대의 고성능 리튬이온(Li-Ion, Lithium Ion) 배터리는 실용적인 차량용 에너지 저장장치로서의 기대를 최종적으로 충족시킬 수 있는 성능과 비용 특성을 제공한다. 이러한 기술의 급속한 도입으로 전례가 없을 정도로 자동차 업계의 설계 활동에 활력을 불어넣고 있으며, 제조업체들은 급성장하고 있는 하이브리드(HEV)와 전기(EV) 자동차 시장에 대한 사업 기회를 선점하기 위해 고군분투하고 있다. 리튬이온 애플리케이션의 성공을 위한 핵심은 성능 모니터링 기능에 있으며, 이것은 동작 가능 시간의 측정 기준으로서 충전 저장량을 계산하는 것뿐만 아니라 셀의 성능을 저하시킬 수 있는 상황들을 방지하여 배터리 팩의 수명을 보장한다. 특히, 리튬이온 셀은 과도충전 또는 과도방전에 대해 다른 전지 화학 기술들에 비해 상당히 낮은 허용오차를 가지고 있다. 결과적으로 개별 셀 전압에 대한 지속적인 모니터링과 밸런싱은 성공적인 EV/HEV 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)을 위해 반드시 필요한 기능이 되고 있다. 100개의 직렬 연결된 셀-전위에 대한 측정이 필요할 수도 있는 BMS 데이터-획득 회로의 고전압 및 핫-플러깅과 관련된 위험으로 인해 설계와 관련한 중대한 기술적 과제들이 나타나고 있다.BMS 핵심 기능리튬이온 셀은 완전 충전 상태에 약 4V, 완전 방전 상태에서 약 2V인 동작 전위를 제공한다. 지정 충전 및 방전 전위는 배터리 형태에 의해 결정되며 셀 공급업체에 의해 세심하게 지정된다. 예를 들어, A123의 ANR26650M1 2.3Ah 셀은 일반적으로 3.6V까지 충전되고, 1.6V에서 고갈될 것으로 생각한다. EV/HEV 애플리케이션에 사용되는 셀 어레이는 최대 400V까지 공급할 수 있도록 일반적으로 구성되며, 모듈식 구성요소들은 일반적으로 100V 이하이다. 배터리 팩 어셈플리는 각 셀 전위를 흐르게 하고, 이러한 신호들을 BMS의 데이터-획득 부문에서 이용한다. 각 셀 전압과 그 외 온도와 같은 파라미터들을 높은 정확도와 해상도(일반적으로 12비트)로 측정하는 것이 목적이다. 획득 회로는 일반적으로 로컬 전력공급기로서 배터리 감지 연결을 활용한다. 안전을 위해 호스트 프로세서로의 디지털 트래픽은 광, 자기 또는 커패시턴스 기반의 전송 기법을 통해 전기적으로 절연되어야 한다.리튬이온 기술을 위한 BMS의 다른 중요한 기능은 셀-밸런싱으로 약간의 배터리 불일치를 보상하고 배터리 팩의 서비스 수명을 극대화시키기 위해 수행된다. 현 세대의 BMS 설계에서 이것은 필요한 가장 높은 셀의 양단에 부하 저항이 걸리도록 스위칭하여 수동적으로 수행된다. 이러한 수동적인 방식은 밸런싱 과정에 생기는 소모열을 제거하기 위한 온도 설계를 필요로 한다. 향후의 밸런싱 구조는 쿨-러닝(cool-running) 고효율 능동 스위치 모드 전력 변환 기법을 통해 계획되고 있다.HEV/HV 배터리 시스템은 설치 전과 차량 수송 또는 보관 시의 긴 비활동 기간을 견딜 수 있도록 설계되어야만 한다. 이러한 이유로 모듈 회로의 휴지 모드의 전력이 배터리 셀의 자체-방전시보다 상당히 낮은 전력을 소모하고 과도방전의 위험을 최소화하는 것이 매우 중요하다. 보다 중요한 것은 배터리가 보관 기간 동안 불균형 상태가 되지 않도록 보장하기 위해 배터리 스트링(string)에 따라 휴지 전류가 잘 매칭되어야 한다.BMS 아키텍처 관련 고려사항방전 및 재충전 모드의 동작을 포함하는 EV/HEV의 부하의 변동을 추적하기 위해서 배터리 모니터링 전자기기는 초당 50샘플 이상의 속도로 모든 셀 전압을 샘플링해야 한다. 이것은 배터리 팩으로부터의 중요한 정보를 처리하기 위한 정보 속도로, 96셀 배터리 팩의 경우, 약 60kbps의 페이로드 출력이면 가능하다. 마이크로프로세서 파워와 다른 필수 오버헤드들의 경우, 모듈 수준에서 처리 과정을 분산시키는 것이 합리적이며, 트래픽을 절연 데이터-링크 내의 트래픽을 에러 플래그 및 다른 ‘사전 정리된(pre-digested)’ 충전 정보와 높은 수준의 제어로 제한한다.또한 물리적 크기와 무게가 차량 내에서의 서비스 가능성과 분산에 실질적인 영향을 미치기 때문에 배터리 셀의 구조를 세심하게 고려해야 한다. 차량 내에서 무게를 분산시키기 위해 배터리를 모듈로 구성할 수 있으며, 이를 통해 통일성과 취급 편의성도 제공할 수 있다. 모듈 크기는 크기를 소형화함으로 인해 비용과 와이어링 하니스 복잡성이 증가되는 경향이 있는 EV/HEV 시장을 고려하여 설계되어야만 한다. 모듈화된 배터리 어셈블리는 데이터 획득 프로세스와 고신뢰성 통신 인터페이스를 제어하기 위한 마이크로프로세서를 포함한다.데이터 획득 방법배터리 팩 모듈 내에서 회로는 셀 전위를 측정하고 제어해야 한다. 배터리 스트링에 따라 각 셀 전압은 연속적으로 보다 높은 일반 모드 전압을 가지기 때문에 전통적인 솔루션은 고품질의 높은 일반 모드 오차 증폭기(difference amplifier)를 사용하는 것이었다. 이러한 오차 증폭기는 ADC에 의해 계수화될 수 있는 변환된 신호를 제공한다. 오차 증폭기 입력에서 큰 일반 모드 전압은 정확도를 제한하는 요소가 될 것이다. LT1991A와 같은 고성능 모놀리식(monolithic) 오차 증폭기의 경우, 일반적인 CMRR(common-mode-rejection ratio)가 90dB이며, 약 50v의 일반 모드 입력 전압 또는 약 12개의 리튬이온 셀 전위에 대해 12비트 성능이 제공된다. 이것은 또한 LT1991A의 입력 전압 성능(최대 60V)에 완벽하게 일치하며, 실제 설계는 12개의 셀 전위에 대한 그룹 읽기를 처리할 수 있다. 이와 같은 회로는 적절하게 절연될 수 있기 때문에 요구되는 만큼의 셀에 대한 읽기를 획득하기 위해 반복적으로 스택할 수 있다. 물론 낮은 휴지 전력과 셀-밸런싱과 같은 다른 BMS 요건은 실행을 위해 상당한 수의 추가적인 구성요소를 필요로 한다.보다 비용-효율적인 접근법은 태스크를 위해 특별히 설계된 통합 모니터링 솔루션을 사용하는 것이다. LTC6802는 최소의 컴포넌트로 배터리 모듈 구성을 가능하게 하면서 앞서 언급한 모든 BMS 성능 요건을 제공하는 ‘빌딩 블록(building block)’ 디바이스이다. 이 멀티-셀 모니터링 부품은 최대 12개의 직렬연결 배터리 전위에 대한 정확한 직접 12비트 계수화 기능, 셀 밸런싱 제어, 온도 읽기 또는 다른 측정 기준들을 위한 2개의 추가적인 ADC 입력 등을 제공한다. LTC6802 ADC는 오차 증폭기 구조를 가지기 때문에 저항 회로에 의존하지 않으며, 각 셀에 대해 단일한 경부하(light load)를 제공하며 휴지 기간 동안 전력을 줄이기 위해 자동으로 저-전력 대기 조건을 산정한다.로컬 마이크로프로세서에 대한 SPI(Serial Peripheral Interface) 디지털 연결은 커맨드 및 데이터 통신을 위한 방법을 제공한다. LTC6802 IC는 마이크로프로세서에 대해 표준 슬레이브 I/O 디바이스로 동작하여 모든 BMS 알고리즘을 소프트웨어-코드화하고 개발자에 의해 전체적으로 제어될 수 있도록 해준다. 다른 제품은 연결될 수 있는 SPI 포트를 포함하고 있기 때문에 많은 스택(stacked) 셀 그룹이 마이크로프로세서의 단일 SPI 포트를 통해 동작할 수 있도록 해줘 모듈 설계 시 추가적으로 비용과 복잡성을 낮출 수 있도록 해준다. 그림 1은 이러한 방법을 통해 구현된 높은 셀-카운트를 가진 EV/ HEV 모듈의 기본적인 토폴로지를 나타낸 것이다.셀-밸런싱 회로현재 세대의 BMS 설계에서 셀-밸런싱은 모듈 또는 배터리 팩에서보다 많은 충전량을 가지는 셀의 양단을 연결하는 스위칭 로컬 저항을 통해 수행된다. 전류를 균등화하는 것은 일반적으로 모니터링 IC의 외부에 있는 트랜지스터에 의해 처리된다. 이를 통해 충분한 전류를 제공하고 정확도에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 다이(die)의 가열을 방지할 수 있다. 그림 2는 LTC6802와 함께 사용되는 일반적인 배터리 입력 회로를 나타낸 것으로 밸런싱을 위한 소형 PMOSFET 스위치와 로컬 저항과 필터링 및 보호 기능을 위해 사용되는 다른 수동 부품들을 포함하고 있다.셀-밸런싱 스위치의 제어는 모니터링 IC에 대한 마이크로프로세서의 커맨드를 통해 달성된다. 정확도를 극대화시키기 위해서 모니터링 IC는 ADC 변환 시에 셀-밸런싱 스위치를 개방하여 셀 연결 시의 I·R 드롭을 최소화하여 테스트할 때 각 셀의 전위에 대한 정확한 측정을 보장한다. 불활성 기간 동안 모니터링 IC는 자동으로 모든 밸런싱 스위치를 개방하고 의도하지 않은 배터리 방전을 방지하기 위해 최소 전력소모 조건을 산정한다.또한 그림 2에 나타낸 바와 같이 배터리 입력과 직렬로 연결된 저항을 추가함으로써 셀-밸런싱 스위치를 자체 테스트하는 데 사용할 수 있다. 스위치가 온 상태가 되면, 셀 읽기는 예측 가능한 전압 충전을 나타내고, 스위치와 ADC 포트의 기능성을 모두 확인할 수 있도록 해준다. 하지만 이러한 성능을 제공하기 위해서는 ADC 변환 시에 셀 밸런싱 스위치가 활성화되어야 한다. LTC6802는 간단한 구성 커맨드를 통해 이러한 조건 하에서 이러한 자체-테스트 성능과 ADC 측정이 자동적으로 활성화되도록 해준다.핫-플러깅의 의미대형 배터리 스택을 전자 기기에 연결하는 과정은 설계와 관련하여 상당한 기술적 문제를 제시한다. 일반적으로 데이터 획득 전자 기기는 배터리가 연결되기 전까지는 전원이 공급되지 않는다. 뿐만 아니라 배터리와 전자 기기와의 인터페이스는 많은 수의 접점(contact)을 필요로 하며 일반적으로 많은 개별 커넥터들로 연결된다. 결과적으로 연결이 임의로 발생할 수 있는 핫-플러그 상황이 발생한다. 이것은 비정상적인 서지-전류(surge-current) 경로를 형성하고 커패시턴스들, 특히 그림 2에 나타낸 필터 커패시턴스를 충전한다. IC는 일반적으로 취급 및 어셈블리시의 손상을 방지할 수 있는 내부 보호 구조를 포함하고 있지만, 이러한 구조는 외부 커패시턴스와 관련된 큰 에너지를 관리할 수 있도록 되어 있지 않기 때문에 보드 외부에서 보호 기능을 실행하는 것이 현명하다. 그림 2는 스위치와 IC를 위한 몇 가지 보호 기능의 수준을 나타내었다.셀 입력들 간의 큰 전압 차이를 막기 위해 표준 6.2V/500mW 제너 다이오드(Zener diode)를 각 셀 입력에 대해 추가할 수 있다. 셀 연결 과정에서 접점들과 연결됨으로써 이러한 다이오드들은 자동으로 사라진 입력들에 대해 안전한 전압을 분배할 것이다. 또한 RC 필터가 필요로 하는 과도전류를 전달한다. 배터리로부터의 누설전류를 2μA 정도로 최소화할 수 있도록 충분한 성능을 가진 6.2V 등급 제너 다이오드를 선택했지만, IC를 보호하기에는 여전히 낮았다.회로에 전원이 공급될 때 특정 연결 시퀀스들이 높은 순간 전압을 필터 저항들을 통해 형성할 수 있다. 이러한 전압의 대부분은 관련 MOSFET의 게이트-투-소스(gate-to-source)를 통해 특성이 결정될 것이다. 이러한 이유로 각 MOSFET을 위한 클램프 보호 기능과 함께 3.3k와 같은 직렬 게이트 레지스터가 권고된다. 클램프 보호 기능은 일반적으로 트랜지스터 패키지 내부에 있지만, 그렇지 않은 경우 디스크리트 제너 다이오드가 이러한 보호 기능을 제공할 수 있다. 이러한 경우에는 MOSFET의 VGS 사양을 초과하지 않도록 게이트 제너 전압을 선택해야 한다. 그림 2에서 표시된 MOSFET의 VGS 등급과 일치하도록 다이오드를 선택했다. 게이트 레지스터는 게이트 제너와 IC의 스위치-제어 핀 사이의 과도전류를 안전한 수준으로 제한하면서 고속 게이트 제어 응답을 지속적으로 보장한다.레퍼런스 설계의 세부사항그림 3은 12개의 직렬연결 리튬이온 셀 그룹을 LTC6802-1 모니터링 IC에 연결하기 위한 완벽한 구조를 나타낸 것이다. 보다 많은 셀 수를 가진 배터리 모듈은 마이크로프로세서 또는 절연 데이터 트랜시버와 함께 필요한 만큼 이 회로를 반복하면 된다. 보다 많은 셀 수를 가진 모듈에서 사용되는 추가적인 IC는 SPI 연결을 단순히 연결하는 것이다. LTC6802의 독특한 레벨 시프팅(level shifting) 아키텍처는 전통적인 전압-모드 SPI 신호가 마이크로프로세서와 직접 통신할 수 있도록 구성할 수 있다. IC들 간의 통신을 위해 연결된 디바이스들이 전류-모드 SPI 신호로 동작하도록 구성할 수도 있다. LTC6802는 다양한 셀 모듈 배치 아키텍처를 지원하기 위해서 최소 4개의 셀 이상에서 동작할 수 있다.구조는 생산 또는 차량에서 동작 시에 발생할 수 있는 스타트-업 서지와 ESD 이벤트에 대해 고신뢰성을 제공할 수 있는 데이터 포트의 처리 방법을 보여준다. 아래의 SPI 포트는 저-커패시턴스 제너 다이오드와 같은 동작과 연결된 로직 라인들의 클램핑을 제공하는 표준 버스 기반 서지 차단기(surge suppressor)를 사용한다. 직렬 저항은 갑작스러운 과부하로부터 서지 차단기를 보호하지만, 지속적이고 강력한 고장이 발생하는 경우에는 안전하게 페일-오픈(fail-open)된다. 위의 SPI 포트에서는 다른 처리 방법이 사용되는 데, 양의 과부하는 최상위 셀 연결에 대해 쇼트기 다이오드(Shottkey diode)에 의해 클램핑되며, 음의 과부하는600V 다이오드에 의해 절연된다. 시작 시에는 과부하가 음인 경우에 대해 설계되는데 모듈 전위의 스택-업(stack-up)이 연속적이지 않은 어셈블리 또는 차량에 통합된 모듈의 서비스 단계에서 상대적으로 발생 가능성이 높은 시나리오이기 때문이다. 다시 말해, 직렬 저항이 포트 전류를 제한하고 완전 고장 발생 시 희생 요소가 된다.LTC6802는 이외에도 온보드 5V 직렬 레귤레이터, 범용 ADC 입력, GPIO(general purpose digital inputs and outputs) 등과 같이 모듈 회로를 단순화시킬 수 있는 몇 가지 유용한 기능을 제공한다. 예를 들어, GPIO는 2개의 ADC 입력을 8채널 성능으로 확장시킴으로써 멀티플렉서(multiplexer) 제어 기능으로 사용될 수 있다. 적절한 IC 동작을 보장하기 위해서 통신의 휴지 기간을 알려주는 오픈-드레인(open-drain) 출력 감시 타이머(watchdog timer)가 제공될 수 있다.결론LTC6802 셀-모니터링 플랫폼의 출현으로 고품질의 리튬이온 배터리 데이터 획득 및 셀-밸런싱 제어의 비용과 복잡성을 대폭 줄일 수 있다. 통합 솔루션은 상당한 부품-수 절감을 제공하여 신뢰성을 근본적으로 향상시키고 최신 BMS 내의 풍부한 기능성을 소형으로 실현할 수 있도록 해준다. 뿐만 아니라, 보호 메커니즘의 적절한 활용은 EV/HEV 고에너지 전력원의 엄격한 환경에서 고신뢰성 동작을 제공한다.

<EPNC>

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2009년 1월호
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(2009-01-06)  하이브리드/전기자동차를 위한 신뢰할 수 있는 리튬이온 배터리 모니터링 시스템
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