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능동 밸런싱으로 자동차 배터리 스택의 사용 시간 극대화
이나리 기자 | 승인 2017.09.06 10:12

[EPNC=이나리 기자] 에너지 밀도와 피크 전력이 높은 리튬 폴리머 또는 리튬 인산철(LiFePO4) 셀을 직렬로 연결한 대형 배터리 스택이 완전 전기차(EV 또는 BEV)와 가솔린·전기 하이브리드차(Hybrid Electric Vehicle),  플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 에너지 저장 시스템(Energy Storage System) 등 다양한 애플리케이션에서 사용되고 있다. 특히 전기차 시장은 배터리 셀을 직렬·병렬로 연결한 대형 배터리 어레이에 대한 수요가 폭발적으로 늘어날 것으로 전망된다. 2016년에는 전세계 PHEV 판매가 77만 5000 대였는데, 2017년에는 이 판매가 113만 대에 달할 것으로 전망된다.(출처: EVvolumes.com)

이처럼 고용량 셀의 수요는 갈수록 증가하고 있지만, 배터리 가격은 여전히 꽤 높게 유지되고 있다. 특히 배터리는 EV 또는 PHEV에서 가장 비싼 부품으로 자리잡았다. 수백 킬로미터의 주행 거리가 가능한 배터리 가격은 통상적으로 약 1만 달러 대로 판매된다. 이런 높은 가격 때문에 대다수 배터리는 저가격대의 제품 또는 재생 셀이 사용되고 있다. 그러나 이런 셀은 용량 불일치가 높기 때문에 단일 충전으로 가능한 사용시간, 즉 주행거리를 단축시킨다. 또 가격이 비싸고 품질이 우수한 셀이라 하더라도 계속해서 사용하면 노후화가 진행되고 차이가 발생되는 문제가 발생한다. 

차이가 발생한 셀들을 사용해 스택 용량을 높이기 위해서는 두 가지 접근법이 필요하다. 첫째는, 애초부터 더 큰 배터리를 사용하는 것이다. 하지만 이 방법은 비용적으로 효과적이지 않다. 둘째는, 능동 밸런싱을 하는 것이다. 능동 밸런싱은 배터리 팩으로 용량을 회복하기 위한 새로운 기법으로서 최근 들어 사용률이 빠르게 늘고 있다.

“모든 직렬 연결 셀, 밸런싱 필요로 한다”

배터리 스택의 모든 셀은 동일한 충전 상태(State of Charge: SoC)일 때 ‘밸런싱(평형)’이 된다. SoC는 배터리를 충전하고 방전할 때 개별 셀이 자신의 최대 용량 중에서 현재 남아 있는 용량을 의미한다. 예를 들어 10Ahr(암페어시) 셀은 용량이 5Ahr가 남았으면 50% SoC라고 할 수 있다. 

배터리 셀의 손상이나 수명 단축을 방지하기 위해서는 일정한 SoC 범위 이내로 유지해야 한다. 그러나 적정한 SoC의 최소 또는 최대 값은 애플리케이션에 따라 달라진다. 예를 들어, 배터리 사용 시간을 중요하게 요구하는 애플리케이션의 경우에는 모든 셀을 20% 최소 SoC에서부터 100% 최대 SoC(최대로 충전된 상태) 범위로 동작할 수 있다. 반면 배터리 수명을 되도록 길게 해야 하는 애플리케이션에서는 SoC 범위를 30% 최소에서부터 70% 최대로 제한할 수 있다. 전기차와 전기 저장 시스템은 통상적으로 이런 SoC 한계를 사용한다.

배터리 수명을 되도록 길게 해야 하는 애플리케이션은 크고 비싼 배터리를 사용해야 하고, 배터리를 교체하려면 비용이 엄청나게 비싸다. 따라서 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)의 주된 역할은 배터리 스택 내의 모든 셀을 면밀하게 모니터링하고 어떤 셀도 해당 애플리케이션의 최소 또는 최대 SoC 한계 이상으로 충전되거나 방전되지 않도록 하는 것이다.

직렬·병렬 셀 어레이의 경우, 병렬로 연결된 셀들은 자동으로 상호 간에 밸런싱이 된 것으로 간주할 수 있다. 다시 말해서, 셀 단자들 사이에 전도 경로가 존재한다면, 시간이 경과하면서 병렬로 연결된 셀들 간에 충전 상태가 자동으로 균등화될 것이다. 마찬가지로 직렬로 연결된 셀들에 대해서는 여러 가지 요인에 의해서 시간이 지나면서 셀들의 충전 상태가 차이가 날 것으로 간주할 수 있다. 

팩 내부의 온도 차이 또는 셀들 간에 임피던스, 자체 방전 비율, 부하 부담 등의 차이로 인해 점차적으로 SoC가 달라질 것이다. 배터리 팩 충전과 방전 전류에 비해 이런 셀들 간의 차이가 작더라도 셀들을 규칙적으로 밸런싱하지 않는 한 누적된 차이가 점점 더 커질 것이다. 이런 이유로 셀들 간에 SoC가 점차적으로 차이 나는 것을 보정하기 위해 직렬 연결 배터리를 밸런싱 한다. 통상적으로 수동 또는 소모성 밸런싱은 용량이 잘 매칭된 셀로 이루어진 스택으로 SoC를 다시 밸런싱 하고자 할 때 사용하기 적합하다.

[그림 1a] 셀 밸런싱 토폴로지 예
[그림 1b], [그림 1c] 셀 밸런싱 토폴로지 예

수동 밸런싱[그림 1a]은 단순하면서 비용이 저렴하지만 속도가 느리고, 배터리 팩 내에서 원치 않는 열을 발생시키며, 스택 내에서 SoC가 가장 낮은 셀을 기준으로 나머지 모든 셀의 남은 용량을 낮추는 방식으로 밸런싱을 한다. 또 수동 밸런싱에서 흔하게 발생되는 오차 요인은 용량 차이로 인한 SoC 오차를 효과적으로 처리하지 못한다. 일반적으로 모든 셀은 노후화될수록 점점 용량이 감소하는데, 앞에서 언급된 이유로 인해 용량 감소가 각기 다른 비율로 일어나게 된다. 

스택 전류는 모든 직렬 셀들이 똑같이 흘러 들어가고 나온다. 또 스택 내에서 용량이 가장 낮은 셀로 인해 스택으로 사용할 수 있는 용량이 결정된다. 그러므로 [그림 1b]과 [그림 1c]처럼, 같은 능동 밸런싱 기법을 사용해야만 스택 전체에 걸쳐서 전하를 재분배하고 셀들 간의 차이로 인해 용량이 감소되는 것을 방지할 수 있다.

“셀들 간의 차이는 사용 시간을 크게 감소시킨다”

용량이나 SoC에 있어서 셀들 간의 차이는 밸런싱하지 않는 한 사용 가능한 배터리 스택 용량을 심각하게 단축시킨다. 스택 용량을 극대화하기 위해서는 스택을 충전하고 방전할 때 모두 셀들을 밸런싱을 해야 한다.

예를 들어 [그림 2]는 (공칭) 100Ahr 셀들로 이뤄졌고 최소 용량 셀 대비 최대 용량 셀의 용량 오차가 10%인 10셀 직렬 스택을 사전에 지정된 SoC 한계에 도달할 때까지 충전·방전하고 있다. SoC 범위를 30%에서 70% 사이로 제한하고 밸런싱을 하지 않으면 한 번의 완전한 충전·방전 사이클 후에 사용 가능한 스택 용량이 이론적으로 가능한 용량으로부터 25% 감소한다.

수동 밸런싱은 스택 충전 시에 각 셀의 SoC를 균등화할 수 있으나, 방전 시에 10번 셀이 다른 셀들을 앞서서 30% SoC에 도달하는 것을 막지 못한다. 그러므로 스택 충전 시, 수동 밸런싱을 하더라도 스택 방전 시에 상당한 용량이 감소돼 사용할 수 없게 된다. 또 능동 밸런싱을 사용해야만 스택 방전 시, SoC가 높은 셀에서 낮은 셀로 전하를 재분배함으로써 용량을 회복할 수 있다. 

[그림 2] 셀들 간의 차이로 인한 스택 용량 감소

[그림 3]은 이상적인 능동 밸런싱을 사용함으로써 셀들 간의 차이로 인한 용량 감소를 100% 회복하는 것을 보여준다. 정상 상태(Steady State) 사용일 때는 스택이 70% SoC의 ‘최대로’ 충전된 상태에서 방전되며, 이때는 저장된 전하를 1번 셀(용량이 가장 높은 셀)에서 가져와서 10번 셀(용량이 가장 낮은 셀)로 전달한다. 이렇게 하지 않으면 10번 셀이 나머지 셀들에 앞서서 30% 최소 SoC에 도달함으로써 스택 방전이 정지된다. 마찬가지로 충전 시에는 10번 셀에서 전하를 가져와서 1번 셀로 전달해야 한다. 그러지 않으면 10번 셀이 가장 먼저 70% 상한 SoC 한계에 도달하게 되고, 충전 사이클이 정지된다. 배터리 스택의 작동 수명 중 어느 시점이 되면, 셀 노후화의 차이로 인해서 셀들 간에 용량 차이가 발생될 수밖에 없다. 이 때 능동 밸런싱 솔루션만이 SoC가 높은 셀에서 SoC가 낮은 셀로 전하를 재분배해서 용량 회복을 할 수 있다. 따라서 배터리 스택 수명 전반에 걸쳐서 배터리 스택 용량을 극대화하기 위해서는 능동 밸런싱 솔루션을 사용해서 개별 셀들을 효율적으로 충전·방전하고 스택 전체로 SoC 평형을 유지할 수 있다.

[그림 3] 이상 능동 밸런싱을 사용한 용량 회복

“고효율 양방향 밸런싱을 사용해서 최대의 용량 회복”

LTC3300-2[그림 4]는 고성능 능동 밸런싱에 대한 요구를 충족하는 새로운 제품이다. 고효율 양방향 능동 밸런싱 제어 IC인 LTC3300-2는 고성능 BMS 시스템의 핵심적 요소로 사용할 수 있고, 직렬로 연결된 최대 6개 리튬이온 또는 LiFePO4 셀을 동시에 밸런싱 할 수 있다.

SoC 밸런싱은 선택한 셀과 12개 혹은 그 이상의 인접 셀들 사이에 전하를 재분배해서 이뤄진다. 밸런싱 의사결정과 밸런싱 알고리즘은 LTC3300-2를 제어하는 별도의 모니터링 디바이스와 시스템 프로세서를 사용해서 처리해야 한다. 방전 시에는 선택한 셀에서 12개 또는 그 이상의 인접 셀 그룹으로 전하를 재분배한다. 마찬가지로 충전 시, 12개 또는 그 이상의 인접 셀 그룹으로부터 선택한 셀로 전하를 전달한다. 이 IC의 모든 밸런서가 양쪽 방향으로 동시에 동작할 수 있으므로 스택 밸런싱 시간을 최소화한다. 

더불어 LTC3300-2는 SPI 버스 호환 직렬 버스를 제공하고, 디지털 아이솔레이터를 사용해서 이들 디바이스를 병렬로 연결할 수 있다. 또 A0부터 A4까지 핀에 의해서 결정되는 디바이스 어드레스를 사용해서 다중의 디바이스를 고유하게 식별할 수 있다. LTC3300-2는 4개 핀을 사용해서 직렬 인터페이스를 제공한다. 이들 핀은 CSBI, SCKI, SDI, SDO다. 필요에 따라서 SDO와 SDI 핀을 함께 연결하면 단일 양방향 포트를 형성할 수 있고, 5개 어드레스 핀(A0부터 A4까지)은 디바이스 어드레스를 설정한다. 모든 직렬 통신 관련 핀은 전압 모드이며, 전압 레벨은 VREG과 V- 전원을 참조한다.

LTC3300-2의 각 밸런서는 비절연 임계 모드 동기 플라이백 전력 스테이지를 사용해서 개별 셀을 고효율로 충전·방전하고, 각 6개 밸런서로 각각의 트랜스포머를 필요로 한다. 각 트랜스포머의 일차 측은 밸런싱하려는 셀로 연결하고, 이차 측은 밸런싱 하려는 셀을 포함한 12개 또는 그 이상의 인접 셀들로 연결한다.

이차 측의 셀 수는 외부 소자의 항복 전압에 따라서만 제한적이다. 셀 충전·방전 전류는 외부 검출 저항과 적합한 외부 스위치와 트랜스포머 비율을 사용해서 10암페어 이상의 값으로 프로그램 할 뿐 아니라 동기 동작과 적절한 소자 선택을 통해서 높은 효율을 달성할 수 있다. 더불어 BMS 시스템 프로세서를 통해서 각 밸런서를 개별적으로 작동할 수 있으며, BMS가 밸런싱을 정지하도록 명령하거나 결함 조건이 검출될 때까지 계속해서 작동한다.

[그림 4] LTC3300-2 고효율 양방향 다중셀 능동 밸런서


효율의 중요성

배터리 팩에 최대의 적은 열이다. 높은 주변 온도는 급속하게 배터리 수명과 성능을 저하시킨다. 사용 시간을 늘리거나 팩을 급속 충전하기 위해서는 고전류 배터리 시스템의 밸런싱 전류 역시 높을 수밖에 없다. 또 밸런싱 효율이 좋지 않으면 배터리 시스템 내에서 원치 않는 열을 발생시킨다. 이런 문제를 해결하기 위해서는 특정 시점에 가동할 수 있는 밸런서 수를 줄이거나 비싼 열 완화 기법을 사용해야 한다. 

[그림 5]에서 보듯이 LTC3300-2는 충전·방전 방향 모두 90% 이상의 효율을 달성한다. 그러므로 80% 효율 솔루션 보다 밸런싱 전류를 두 배 이상으로 달성할 수 있을 뿐 아니라 밸런서 전력 소모량이 동일하다. 또 밸런서 효율이 높으면 전하 재분배를 더 효과적으로 할 수 있기 때문에 더 효과적으로 용량을 회복하고 충전을 빠르게 할 수 있다.

[그림 5] LTC3300-2의 전력 스테이지 동작

맺음말

전기차와 PHEV 같은 새로운 애플리케이션이 빠르게 성장하면서 이런 애플리케이션으로 긴 수명과 신뢰할 수 있는 동작에 대한 요구가 계속해서 높아지고 있다. 배터리나 가솔린으로 구동되는 모든 자동차는 5년 이상의 기간 동안 눈에 띄는 성능 저하를 일으키지 않고서 사용할 수 있어야 한다. 

EV나 PHEV에 있어서 성능이란 배터리 전력으로 주행할 수 있는 거리를 말한다. EV와 PHEV 업체는 높은 배터리 성능과 더불어 최소한의 거리를 보장하는 다년간의 보증을 제공해야 경쟁력을 높일 수 있다. 최근 전기차 수가 늘어나고 점차 시간이 지날수록, 배터리 팩 내에서 균일하지 못한 셀 노후화가 문제로 드러나고 있다. 이는 배터리 사용 시간을 단축하는 주된 요인으로 지목된다. 또 직렬 연결 배터리의 사용 시간은 스택 내에서 용량이 가장 낮은 셀에 따라 제한되고, 약한 셀 하나가 전체 배터리를 약화시킬 수 있다. 

자동차 업체에게 거리 문제로 인해서 보증 기간 내에 배터리를 교체하거나 수리하는 것은 비용이 많이 드는 일이다. 이런 경우가 발생되지 않도록 방지하기 위해서는 더 용량이 크고, 더 비싼 배터리를 사용하거나, 아니면 LTC3300-2 같은 고성능 능동 밸런서를 사용해서 노후화로 인해 균일하지 못한 셀들 간의 용량 차이를 보정할 수 있다. 즉, 심하게 차이가 나는 셀들로 이루어진 스택에 LTC3300-2을 활용함으로써 셀 용량이 동일하게 매칭된 스택과 거의 비슷한 사용 시간을 달성하도록 구현할 수 있다.

글: 사무엘 노크(Samuel Nork) 리니어 보스턴 디자인센터 디렉터,
토니 암스트롱(Tony Armstrong) 리니어 파워 부문 제품 마케팅 디렉터

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr

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