Battery
글: 존 문손(Jon Munson) / 선임 애플리케이션 엔지니어
리니어 테크놀로지 코포레이션 / www.linear.com
LTC6801은 멀티셀 배터리팩에서 최대 12개의 개별 셀들을 동시에 모니터링하여 팩의 성능과 수명을 극대화시킬 수 있다. 또한 보다 큰 배터리 스택들을 지원할 수 있도록 캐스캐이드할 수 있다. 디바이스는 높은 수준의 통합성, 설정 가능성, 그리고 비활성 기간 동안 팩의 드레인을 최소화시킬 수 있는 대기 모드를 포함한 매우 세심하게 고려된 기능들을 제공한다. 이러한 특성들로 인해 LTC6801을 배터리 전원 제품의 성능과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 콤팩트한 솔루션으로 사용할 수 있다.
충전 배터리팩은 특정 셀이 과도하게 방전될 경우에 성능이 너무 빠르게 저하된다. 팩이 완전 방전되면, 가장 약한 셀의 ILOAD· RINTERNAL 전압 강하가 내부 VCELL의 화학 포텐셜(chemical potential)을 넘어서고 셀 단말 전압이 정상 전압에 대해 음이 된다. 이와 같은 조건에서 비가역적인 화학적 과정들이 셀의 전하 저장 성능을 제공하는 내부 물질의 특성을 변화시키기 시작하며, 따라서 셀의 다음 충전 주기가 원래의 에너지 용량을 유지하지 못한다. 뿐만 아니라, 일단 셀이 손상되면 문제를 악화시키고 팩의 유용한 주기 수명을 급속히 단축시켜 다음 사용 시에 전도(reversal)로 인해 어려움을 겪을 수 있다.
니켈 기반 화학기술의 경우, 직렬연결 셀의 과방전이 반드시 안정성 위험을 일으키지는 않지만, 사용자가 상당한 성능 저하를 인식하기 전에 1개 이상의 셀이 전도로 인한 문제를 겪게 되는 것이 일반적이다. 그때는 이미 늦어서 팩을 복구할 수 없다. 보다 에너지가 많은 리튬 기반 셀 화학 기술의 경우, 안전성이 과열 또는 화재로 나타나기 때문에 전도를 반드시 방지해야 한다. 따라서 긴 팩 수명(리튬 셀의 안전성과 함께)을 보장하기 위해서 반드시 각각의 셀 전압을 모니터링해야 한다.
이러한 특수한 문제들에 대한 통합 솔루션을 제공할 수 있도록 개발된 LTC6801에 대해 살펴보자. LTC6801은 마이크로프로세서 지원과는 완전 별도로 디바이스의 확장된 회로를 처리할 수 있는 캐스케이더블 상호연결(cascadable interconnection)을 통해 최대 12개의 직렬연결 셀에 대해 각 셀의 과도전압(OV)과 과소전압(UV) 조건을 감지할 수 있다.
LTC6801의 기능
동작 모드와 프로그램 가능한 쓰레스홀드 수준은 핀-스트램 연결을 통해 설정된다. 9개의 UV 설정(0.77V에서 2.88V까지)과 9개의 OV 설정(3.7V에서 4.5V까지)이 제공된다. 모니터링되는 셀의 수는 4개에서 12개까지 설정될 수 있으며, 샘플링 속도는 3개의 각기 다른 속도 중 하나로 설정하여 전력소모와 감지시간을 최적화시킬 수 있다. 3개의 각기 다른 이력현상(hysteresis) 설정 역시 제공되어 경고 복구 동작을 조정할 수 있다.
직렬연결 셀의 확장된 설정을 지원하기 위해서 갈바닉 절연 차동 클록 신호를 "스택된" 디바이스 회로의 양방향으로 전달함으로써 고장 신호가 전송되며, 배터리팩에 영향을 받은 부하 잡음에 대해 탁월한 내성을 제공한다. 고장을 감지한 회로 내의 모든 디바이스는 이것의 출력 클록 신호를 중단하기 때문에 전체 회로의 모든 고장 지시가 스택의 "아래" 디바이스까지 전달된다. 이것이 포함되면 클록 신호는 LTC6906와 같은 전용 IC 또는 호스트 마이크로프로세서에 의해 스택의 아래에서 발생하고, 조건이 정상일 때에 전체 회로를 통해 루프된다.
그림 1. 8-셀 니켈 팩을 간편하게 모니터링하면서 과방전의 오용으로부터 보호할 수 있는 회로 설계 방법
많은 애플리케이션에서 LTC6801은 LTC6802 등과 같은 보다 정교한 획득 시스템에 대한 예비 모니터(redundant monitor)로서 사용되지만(예를 들어, 하이브리드 자동차), 이것은 또한 휴대형 툴과 백업 전원 등과 같은 보다 낮은 비용의 제품을 위한 독립형 솔루션으로서 이상적이다. LTC6801은 이것이 모니터링하는 배터리로부터 직접 동작 전력을 가져오기 때문에 디바이스 당 사용 가능한 셀의 범위가 부품을 동작시키는데 필요한 전압을 제공하기 위한 화학 기술에 따라 달라진다. 이 범위는 4~12개의 리튬이온 셀 또는 8~12개의 니켈 기반 셀의 그룹을 지원한다. 그림 1은 8-셀 니켈 팩을 간편하게 모니터링하면서 과방전의 오용으로부터 보호할 수 있는 방법을 나타내고 있다. 팩 연속성 고장이 충전 시 OV 조건 발생으로 여전히 감지될지라도 과소전압 경고는 니켈 화학 기술과 관련이 있다는 것에 주의해야 한다.
셀 전도의 방지 방법
셀 반전(cell reversal) 전도는 전통적인 니켈 기반 멀티셀 팩에 있어서 주요한 손상 메커니즘이며, 다른 주목할만한 충전-방전 현상이 시작되기 전에 실질적으로 발생할 수 있다.
다음과 같은 시나리오를 가정해 보자. 8-셀 NiCd(nickel-cadmium) 팩은 드릴과 같은 수공구에 전력을 공급한다. 일반적인 사용자들은 이것이 원래 속도의 50%까지 느려질 때까지 드릴을 사용하며, 이것은 공칭 9.6V 팩이 약 5V 이하로 로딩되고 있다는 것을 의미한다. 셀들이 그림 2의 왼쪽 다이어그램에서와 같이 완벽하게 매칭된다고 가정할 때, 이것은 각 셀이 약 0.6V까지 낮게 동작했다는 것을 의미하며 셀에 대해 허용 가능하다. 하지만, 셀에 불일치가 있어 아마도 5개의 셀이 여전히 1.0V 이상이라면 다른 나머지 3개는 0전압 이하일 수 있으며 그림 2의 중간 다이어그램에 나타낸 역응력(reverse stress)으로 어려움을 겪게 된다.
그림 2의 오른쪽 다이어그램에 나타낸 바와 같이 팩에 단지 1개의 약한 셀이 있다(현실적인 시나리오)고 가정할 경우를 가정할 경우에도 감지된 팩 강도에서 감지하기 힘든 감소만이 발생하여 스택 전압은 여전히 8V 이상이면서도 첫 번째 셀 반전이 발생할 수 있다. 실질적으로 존재하는 불가피한 불일치로 인해 사용자들은 자신도 모르게 정기적으로 셀을 반전시켜 자신들의 배터리팩의 용량과 수명을 감소시키기 때문에 각 셀의 방전을 초기에 감지할 수 있도록 해주는 회로는 사용자에게 상당한 부가가치를 제공한다.
LTC6801 솔루션의 사용 방법
LTC6801이 제공할 수 있는 최저 UV 설정(0.77V)은 니켈-셀 팩의 수명저하를 감지하는 데 이상적이다. 그림 1은 부하가 차단되었을 때 사용되는 MOSFET 스위치를 나타낸 것으로 LTC6801의 출력 상태에 의해 제어된다. 셀이 방전되고 이것의 전위가 쓰레스홀드 이하로 떨어졌을 때, 부하가 제거되어 셀 방전과 이것의 저하 영향들이 방지된다.
그림 2. 각 셀에 따른 다이어그램 시나리오
이것은 또한 배터리팩으로부터 가장 안전하게 에너지를 추출할 수 있도록 해주는 데 매우 보수적인 단일 팩-전위 쓰레스홀드를 가진 경우와 같이 셀의 상대적인 일치가 이루어진다고 가정할 수 없기 때문이다. 10kHz 클록은 LTC6906 실리콘 오실레이터에 의해 생성되며, LTC6801 출력 상태 신호가 감지되면 부하 차단 동작을 제어하는 데 사용된다. 이러한 예에는 디바이스를 스택한 경우가 포함되지 않기 때문에 캐스케이더블 클록 신호는 다른 LTC6801에 전달되지 않고 간단하게 루프-백된다. LED는 전력이 부하에 제공될 수 있다는 시각적인 표시를 제공한다. 일단 스위치가 개방되면, 약한 셀의 전압은 일정 정도 복구되는 경향이 있으며, LTC6801은 부하 스위치를 재활성화시킨다(0.77V 과소전압 설정에 대해 이력현상 없음). 이 디지털 부하-제한 동작의 회전율은 DC 핀의 설정에 의해 결정된다: 최고속 응답 모드(DC = VREG)의 경우, 가장 약한 셀이 안전하게 완전 방전 상태에 도달함에 따라 진동이 분명해지고 느려지면서 전달된 부하 전력의 듀티 사이클이 낮아져서 점점 줄어든다.
일부 애플리케이션의 경우, 그림 1에 나타낸 바와 같이 가장 약한 셀이 완전 방전 상태에 가까워졌을 때 부하를 즉각적으로 중단시키는 것이 불가능하다. 이러한 상황의 경우, 그림 3의 회로가 좋은 대안이 될 수 있다. 이 회로는 부하 간섭을 일으키지 않지만, 배터리가 방전 상태에 거의 도달했다는 가청 경보 표시만을 제공한다. 이때 LED는 경보가 활성화되었고 어떠한 셀도 방전되지 않았다는 표시를 제공한다.
그림 3. 부하 간섭을 일으키지 않지만, 배터리가 방전 상태에 거의 도달했다는 가청 경보 표시만을 제공하는 회로 사례
소스 클록이 없을 경우에는 항상 LTC6801의 대기 모드가 시작되며, 전력소모가 팩의 일반적인 자체 방전 상태보다 한층 더 낮은 30μA까지 낮아진다. 두 그림 모두에서 회로들은 사용되지 않을 때 배터리 드레인을 최소화시킬 수 있도록 회로를 대기 모드로 전환하기 위해서 오실레이터(와 다른 페리페럴 회로)를 불능화시키는 스위치를 나타내고 있다.
결론
LTC6801은 멀티셀 배터리팩에서 최대 12개의 개별 셀들을 동시에 모니터링하여 팩의 성능과 수명을 극대화시킬 수 있다. 또한 보다 큰 배터리 스택들을 지원할 수 있도록 캐스캐이드할 수 있다. 디바이스는 높은 수준의 통합성, 설정 가능성, 그리고 비활성 기간 동안 팩의 드레인을 최소화시킬 수 있는 대기 모드를 포함한 매우 세심하게 고려된 기능들을 제공한다. 이러한 특성들로 인해 LTC6801을 배터리 전원 제품의 성능과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 콤팩트한 솔루션으로 사용할 수 있다.
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