멀티셀 배터리 모니터링 시스템(BMS) 개발 과정은 제어 및 보호 알고리즘의 유효성을 테스트하기 위해 회로를 시뮬레이팅 하는 편리한 방법이 필요하다. 흔히 여러 대의 실험실 전원 장치가 사용되지만, 이는 매우 많은 비용이 드는 솔루션이다. 따라서 간단한 기능 테스트를 위해 종종 저항 스트링을 바이어스 하여 기초적인 셀 시뮬레이션을 제공한다.
글 : Jon Munson, 애플리케이션 엔지니어
리니어 테크놀로지(Linear Technology)
배터리 시뮬레이터, 왜 필요할까?
많은 신제품들이 고성능과 가벼운 무게 등의 특성을 제공하기 위해 리튬 기반 배터리를 채택하고 있다. 실제로 보다 정교한 애플리케이션은 종종 수백 볼트에 달하는, 원하는 배터리 팩 동작 전압을 달성하기 위해 다수의 셀을 연결해 사용한다.
리튬 배터리 셀은 과충전 또는 과방전에 노출될 경우 배터리에 부정적 영향을 미칠 수 있기 때문에 이러한 직렬 연결 팩들은 잠재적인 문제를 방지하기 위해 각 셀들을 감시하는 모니터링 시스템을 포함하고 있다.
이와 같은 멀티셀 배터리 모니터링 시스템(BMS) 개발 과정은 제어 및 보호 알고리즘의 유효성을 테스트하기 위해 회로를 시뮬레이팅 하는 편리한 방법이 필요하다. 이상적으로 실제 셀에 자극을 제공할 수 있지만 충전 상태(SOC)를 변화시켜 BMS에서 다양한 기능의 동작을 트리거 하는 방법은 느리고 번거로운 작업이 된다.
흔히 여러 대의 실험실 전원 장치가 사용되지만, 이는 매우 많은 비용이 드는 솔루션이다. 따라서 간단한 기능 테스트를 위해 종종 저항 스트링을 바이어스하여 기초적인 셀 시뮬레이션을 제공한다.
그러나 저항 스트링은 상당히 높은 소스-저항으로 인해 많은 제한을 가지기 때문에 실제 셀을 대표하지 못하는 시스템 아티팩트를 초래한다. 전용 전원을 사용하는 경우에도 테스트 대상 시스템에 능동 셀 밸런싱이 없다면 전원이 가상 충전 전류(전류 반전)을 수용해야 한다.
간단히 말하면 BMS 기능에 대한 랩 테스팅을 간편하게 수행할 수 있는 다양한 초소형 배터리 셀 시뮬레이터를 이용하는 것이 바람직하다. 배터리 시뮬레이터 이용의 또 다른 유용한 측면은 시뮬레이터는 실험실로부터 사업장까지 항공 화물로 쉽게 운송할 수 있지만, 실제 리튬 배터리 셀 팩은 통상 해상운송으로 보내야 한다.
실제 회로의 선택
우리가 필요로 하는 일차적 특성은 낮은 소스 임피던스와 2-쿼드런트 동작이다(포지티브 전압으로 양방향 전류를 갖고, 방전과 충전 방향 모두 시뮬레이트할 수 있다).
또한 실제 배터리 팩과 같이 직렬로 연결할 수 있도록 다양한 셀 시뮬레이터를 절연할 필요가 있다. 이 후자 요건은 트랜스포머를 이용하면서 초소형, 스위칭 방식의 아키텍처를 갖추어야 한다는 것을 의미한다. 절연과 2-쿼드런트 동작을 모두 제공하는 특정 스위칭 토폴로지가 동기식 플라이백 컨버터이다.
전압 부스터로 사용되는 간단한 플라이백 컨버터에서 로우 사이드 스위치는 그림 1에서 보듯이 출력 섹션에서 출력 전류를 설정하는 듀티 사이클로 동작한다.
이와 같이 이상적인 형식에서 정류기 다이오드는 스위치가 오프 되는 동안 전도하면서 출력 전류가 인덕터로 흐르도록 허용한다. 동시에 자기 에너지는 한 방향으로 출력 커패시터로 전달된다.
레귤레이션 시 스위치는 12V 전원을 상회하는 플라이백 피크 전압을 경험한다. 여기서 dV는 대부분의 설계에서 전원 전압 수준이다.
그림 2에서 보듯이 컨버터를 절연하기 위해 인덕터를 트랜스포머로 교체한다. 이렇게 하면 출력이 2차 측에 나타난다.
이제 출력은 절연되지만 자기 에너지 전달은 인덕터와 동일하다. 트랜스포머 권선비 N은 원하는 특정 입/출력 전압으로 동작을 최적화하는 값을 선택한다. 여기에서도 스위치는 12V 전원을 상회하는 플라이백 피크 전압 dV를 경험한다.
이 회로는 외부 전류에 의해 출력 전압을 설정 지점 이상으로 강제하지 못하도록 할 수 없다는 점에 주의한다(1쿼드런트 동작만 지원 ==> 포지티브 전원과 포지티브 전류만 지원한다).
그림 3과 같이 정류기를 다른 스위치로 교체하면 동기식 버전이 생성된다. 이 버전은 스위치가 순방향 전도 다이오드보다 적은 전력을 소모하므로 효율을 향상시킬 뿐 아니라 이제 회로가 대칭이 되므로 또 하나의 쿼드런트 동작을 생성한다.
이 회로는 2차 측에서, 1차 권선 플라이백 전류로부터 주 전원으로 되돌아가는 역 전류를 수용할 수 있다. 따라서 강제된 역 출력 전류에서도 출력이 설정 지점을 유지할 수 있다. 우리는 시뮬레이트 되는 배터리 셀이 과도하게 '충전되는' (전류가 포지티프 출력 전압으로 흘러 들어가는) 경우 회로의 소스 전원 자체가 역 전류를 경험할 수 있다는 가능성을 염두에 둘 필요가 있다.
출력은 모두 절연되기 때문에 단일 벌크 전원이 편리하게 전체 어레이에 전력을 공급할 수 있으므로 소스 전원은 얼마든지 많은 회로와 공유할 수 있다. 이러한 어레이 연결은 정상적인 사용 중에 소스 전원이 전류 반전을 경험할 가능성이 낮으므로(즉, 순 '충전 전력 < 전체 동작 손실 동안), 기생 회로 손실 문제도 완화된다.
상세한 회로 설명
이러한 컨버터 기능에 특히 적합한 IC가 리니어 테크놀로지의 LT3837이다. 이 회로의 일반적인 애플리케이션은 고전압 벌크 전원 레일에서 수 암페어로 로우 배터리와 같은 전압을 제공하는 것이다.
셀 시뮬레이터 기능과의 유일한 차이점은 가변 출력 전압이라고 할 수 있다. 턴키 고전력 벌크 전원은 12V로 제공되므로, 소스로 사용할 수 있도록 설계를 최적화할 수 있다.
리튬 셀 케미스트리 범위는 2V 약간 미만에서부터 4V 조금 넘는 사이이므로 범용 및 다양한 SOC 상태를 시뮬레이트 할 수 있도록 그에 대응하는 튜닝 범위를 제공할 수 있다.
그림 4는 모든 부분이 자세히 나와 있는 어레이의 한 섹션을 보여준다. 전압 조정을 제공하기 위해 피드백 네트워크는 영(0) 볼트가 약 4.2V 출력을 나타내고 3V가 약 1.9V 출력을 명령하는 것과 같은 연산 증폭기 제어 신호를 지원한다.
강력한 사용자 제어를 위해 각각의 셀 회로는 "버니어(vernier)" 미세 튜닝을 갖도록 구성되며, 어레이 세트는 개략(coarse) 및 미세(fine) 조정으로 그룹별로 제어된다. (마스터 조정 신호 MCTL은 여러 개의 컨버터 섹션에 연결할 수 있다).
그림에 보이는 값의 경우 출력 전압 coarse 그룹은 약 ±0.9V이고, fine 그룹은 약 ±0.15V이며, vernier 셀은 약 ±0.1V이다. 따라서 그룹별로 원하는 최대 범위를 달성할 수 있다(버니어 제어를 제공하기 위해 전체 제한까지 셀 교차 제어 기능은 구현되지 않았다).
모든 제어 회로는 12V 벌크 전원으로부터 유도되는 3.3V에 의해 전력 공급이 이루어진다. 컴퓨터를 이용하는 전압 제어를 하려면 연산 증폭기 신호를 16채널 LTC2668과 같은 DAC로 교체할 수 있다.
Q101 및 T100은 주 플라이백 소자이며, Q102는 동기식 정류기이다. Q102에 대한 신속한 절연 제어를 제공할 수 있도록 게이트는 전류 버퍼 Q103 및 Q104를 통해 T101에 의해 구동된다.
피드백은 T100에서 보조 권선으로부터 스케일링된다. 10mΩ 직렬 저항이 출력에 포함되어 있으므로, 볼트미터에 켈빈 연결을 이용하고 신호 I+ 및 I-를 사용하여 전류 감지 측정을 할 수 있다.
회로의 전체 출력 임피던스는 약 25mΩ이며, 견고한 ±6A 성능을 제공한다. 정적 손실은 셀 섹션당 약 1와트이므로, 24셀 어레이에서는 12V 전원 반전의 가능성이 최소화되며, TDK-Lambda SWS300-12와 같은 상용 12V/300W 전원과 함께 사용할 수 있도록 전력 레벨을 스케일할 수 있다.
결론
배터리 시뮬레이터 이용은 고밀도와 쉽게 운송 가능한 BMS 개발 툴을 제공할 수 있는 실용적인 솔루션이다.
24셀 시뮬레이터는 12V 벌크 전원을 갖춘 2RU 랙 장착 가능한 섀시 패키지로 제공되며, 1.9V~4.2V 범위에서 정밀하게 조정 가능한 전압 및 ±6A 성능을 제공할 수 있다.
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