Battery IC Technology
이 글은 리튬이온, 니켈, 납산 등 배터리들을 충전할 때의 차이점에 대해 논하면서, 멀티케미스트리 충전 IC와 마이크로컨트롤러로 충전 알고리즘을 어떻게 구현할 수 있는지 요약하였다. 또한, 시스템의 미달전압이나 과전압 감시, 과충전, 극한 온도 등, 안전 문제에 대해서도 설명한다.
글: 케이쓰 켈러(Keith Keller) / 아날로그 필드 애플리케이션/전원관리
텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments) / www.ti.com
당면과제
니켈, 리튬이온 및 납산 셀을 위한 배터리 충전IC를 설계하려면 충전과 안전에 대해 특별히 고려를 해야 한다.
케미스트리 성질에 좌우되는 종합적인 충전 알고리즘을 만들어내야 하고 이를 반드시 지원해야 한다.
이런 종류의 설계를 완성하는 가장 쉬운 방법은 마이크로프로세서와 함께 통합적이고 유연한 멀티 케미스트리 배터리 충전 IC를 사용하는 것이다.
마이크로프로세서는 배터리 케미스트리를 식별하고 종료 기준 등 적절한 충전 상태가 되도록 조정을 하는데 사용된다. 이것은 또한 안전을 위해 작동 상태를 감시하기도 한다.
서로 다른 배터리 케미스트리에 대한 충전 방식
케미스트리 성질이 다른 셀들을 충전하는 방법들에는 기본적인 차이가 있다. NiMH(Nickel-metal-hydride) 셀은 충전 주기 내내 일정 전류를 필요로 한다.
리튬이온 셀은 일정 전류에 이어 최대 정격 개별 전압을 기준으로 일정 전압을 필요로 한다. 납산(Lead-acid) 셀 또한 일정 전류에 이어 일정 전압 단계를 필요로 하지만 최종 플로트(float)-충전 단계가 추가되어야 한다. 이들 각각에 대해서 차례로 살펴보기로 한다.
니켈수소(NiMH) 셀
NiMH 셀이 일정 전류로 충전되는 동안 완전 충전을 확인하는 일반적인 방법은 약 8~16mV의 전압 드롭이나 10°C의 빠른 온도 상승을 감시하는 것이다.
어느 쪽이든, 이러한 조건이 발생하려면 0.5C(1C를 더 선호)보다 큰 충전 등급이 필요하다("C 등급"은 배터리 용량으로 정해진다.
어떤 셀이 1500mAh에서 규격이 정해지면, 1C 충전 등급은 1.5A가 된다). 전압 드롭 방식을 사용하는 독립형 충전 IC의 경우, 배터리 감지 라인의 잡음을 최소화하려면 레이아웃에 주의를 기울여야 한다. 잘못된 완전 충전 표시를 유발할 수 있기 때문이다.
멀티 케미스트리 충전 IC로 일정 전류 충전을 구현하려면, 셀이 도달할 수 있는 것보다 더 높은 충전-조절 전압에 맞추어 피드백 레지스터를 설정해야 한다.
리튬이온 셀
LiMn2O4(lithiummanganese-oxide) 셀과 LiCoO2(lithium-cobalt-oxide) 셀의 최대 정격 개별 전압은 보통 4.2V이고 더 새로운 LiFePO4(lithiumiron-phosphate) 셀은 3.7V이다.
최대 정격 전압에 도달하게 되면 그것이 일정하게 유지 되면서, 적절한 "테이퍼" 포인트에 도달하여 완전히 충전된 셀임을 표시할 때까지 전류의 하락을 허용할 수 있다.
독립형 충전IC의 테이퍼 포인트는 보통 고속 충전 등급의 1/10이다. 그러나, 유연한 마이크로컨트롤러 기반의 아키텍처에서는 충전 사이클의 어느 지점에서든 설계자가 충전 종료를 선택할 수 있다.
그 설계가 "바이패스" 셀 밸런싱 회로를 가진 스마트 배터리를 충전하게 될 경우, 더 오랜 충전시간이 필요하다. 셀 밸런싱은, 전압이 비교적 일정하고 전류는 점점 가늘어지는 충전 종료 과정에서만 일어나기 때문이다.
납축셀
리튬이온 셀처럼, 납산셀에도 일정 전류 충전에 이어 일정 전압 단계가 필요하지만, 최종 플로트-충전 단계도 필요하다. 납산셀의 충전 속도는 니켈이나 리튬이온 셀보다 훨씬 느리다.
충전시간은 배터리 용량에 따라 12시간에서 36시간까지 걸릴 수 있다. 중요 교환조건에 따라, 개별 셀의 적절한 충전 전압은 2.3V와 2.45V 사이로 본다.
셀을 낮은 전압으로 충전하면 사용연한은 극대화되지만, 네거티브 플레이트의 황산염 화합물 침적이 발생할 수 있다.
높은 전압으로 충전을 하면, 충전시간은 짧아지겠지만, 셀이 고온에서 과열될 수 있다.
최종 플로트-충전 단계에서, 전압을 셀 당 2.25V까지 낮추어야 한다. 공급자에 따라 이러한 설계서에 예외사항을 두는 경우가 있으니, 충전 및 안전 상태를 적절히 확보하려면 셀 데이터시트와 설계서를 꼼꼼히 살펴야 할 것이다.
솔루션
다행스럽게도, 배터리 케미스트리 충전 알고리즘의 모든 요소들을 유연한 멀티케미스트리 배터리 충전IC와 마이크로프로세서로 구현할 수 있다.
리튬이온 팩이나 니켈 팩을 교환 사용할 수 있는 휴대형 애플리케이션의 경우, 적절한 케미스트리 식별(ID), 팩 삽입/제거 탐지, 충전 온도 범위, 충전 쓰레스홀드, 시스템 모니터링, 고장 보고, 입력 전력 손실 등 그 밖의 설계 요소들을 고려해야 할 것이다.
팩 케미스트리를 확인해야 할 경우 간단한 해결책은, 마이크로컨트롤러가 아날로그 디지털 컨버터의 입력을 통해 읽을 수 있는 ID 레지스터를 추가 핀에 사용하는 것이다.
이러한 구성은 ID 레지스터를 감시할 수 있을 뿐만 아니라, 배터리 팩을 언제 충전대에 꽂아야 하는지 알 수 있게 해준다. 이중 용량 팩 같이 크기가 서로 다른 배터리들도 구별을 할 수가 있다.
셀은 보통 0~50°C의 온도 범위 내에서 충전되지만, 셀이 더 낮은 속도와 낮은 전압으로 충전되는 경우 이 범위는 늘어날 수 있다.
주변온도가 극단적으로 고온일 경우, 리튬이온 셀의 능동 방전을 셀 당 3.7~3.9V까지 고려해볼 수도 있다. 어떤 경우이든 고온은 배터리 수명을 단축시킨다.
케미스트리 ID와 용인 가능한 온도 범위를 확정한 후, 충전IC는 반드시 셀이 미달전압인지, 그래서 고속-충전 등급의 1/10로 천천히 충전을 해야 하는지 확인을 해야 한다.
니켈 셀의 경우, 미달전압 안전 쓰레스홀드는 셀 당 0.9V 이하로 보고 있다. 표준 리튬 셀의 경우에는 셀 당 3.0V 미만으로, 새 LiFePO4 셀의 경우에는 1.5V로 보고 있다.
완속충전(trickle charge)을 하는 동안, 셀의 전압이 30분 내에 이 안전 쓰레스홀드 위로 상승하지 않으면 그 셀은 손상된 것으로 간주되어 충전이 중단된다.
이 모든 안전 확인이 완료되면, 배터리는 양호한 것으로 간주되어 고속-충전 모드가 시작된다.
충전 프로세스 내내 온도, 충전 전류, 배터리 전압 등을 지속적으로 감시해야 한다.
각각의 측정마다 이러한 일련의 값들을 저장해야 한다. 각각의 데이터 포인트를 매 100ms마다 취할 수 있고, 그 값들의 평균을 계산에 사용할 수 있다.
워치독 안전 타이머는, 예상치 못한 코딩 에러 때문에 마이크로프로세서가 알 수 없는 상태로 들어가는 것을 방지하는데 좋은 방법이다.
구체적인 장애 상태들을 장애 레지스터에 고유의 비트로 저장할 수 있다. 그러면 시스템이 마이크로프로세서에 문의하는 방식으로 이를 읽을 수도 있고, LED나 디스플레이를 통해 사용에게 표시될 수도 있다.
마지막으로, 입력 전력의 손실이 있거나 배터리 팩이 제거, 삽입되는 경우, 전체 식별 및 충전 프로세스가 다시 시작되도록 충전 알고리즘을 설계해야 한다.
TI는 충전IC 설계에 필요한 여러 가지 요건들을 충족하기 위해 몇 가지 멀티케미스트리 배터리 IC를 제공하고 있다.
예를 들어, bq24703 멀티케미스트리 충전 IC는 MSP430F2012 초저전력 마이크로컨트롤러와 함께 PMP3914 평가 모듈에 사용되어 NiMH 배터리 팩이나 리튬이온 배터리 팩을 탐지하고 충전한다. 75W 오프라인 컨버터도 설계에 들어 있으며, 입력 전압은 108~132V, 출력 전압은 25V로, TI의 UCC28600 그린모드 준공진형 플라이백 (quasiresonant flyback) PWM 컨트롤러를 사용하고 있다.
bq24703은 하이사이드 pFET 컨트롤을 가진 비동기식 충전 IC라서, 고전압(21V) 5s2p 리튬이온 배터리 팩이나 25V 15s1p NiMH 배터리 팩을 충전하는데 이상적이다.
"s"란 글자는, 원하는 팩 전압을 달성하기 위해 얼마나 많은 셀이 직렬로 연결되어 있는지를 보여주며 "p"란 글자는, 원하는 팩 용량을 달성하기 위해 얼마나 많은 줄의 셀이 병렬로 연결되어 있는지를 보여준다. 비동기식 충전 IC에서는, 충전 전류가 약 3A로 제한된다.
그 밖에 bq24704나 bq24750A 같은 TI의 멀티케미스트리 충전 IC들은 동기식 벅 컨버터로, 연속-충전 전류를 10A 이상 지원할 수 있다.
결론
멀티케미스트리 배터리 충전 IC를 만들려면 개별 셀의 특성에 대해 알고 있어야 하고 전제적으로 안전을 고려해야 한다.
이 글은 리튬이온, 니켈, 납산 등 배터리들을 충전할 때의 차이점에 대해 논하면서, 멀티케미스트리 충전 IC와 마이크로컨트롤러로 충전 알고리즘을 어떻게 구현할 수 있는지 요약하였다. 또한, 시스템의 미달전압이나 과전압 감시, 과충전, 극한 온도 등, 안전 문제에 대해서도 설명했다.
관련 웹사이트power.ti.comPMP3914 Evaluation Module User‘‘s Guide:www-s.ti.com/sc/techlit/sluu369www.ti.com/sc/device/partnumberReplace partnumber with bq24703, bq24704, bq24750A,MSP430F2012, or UCC28600
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