에너지 절감을 위한 배터리 활성화 기법
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에너지 절감을 위한 배터리 활성화 기법
  • 선연수 기자
  • 승인 2019.12.19 08:45
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[테크월드=선연수 기자] 아나로그디바이스(Analog Devices, 이하 ADI)는 단일 실리콘 칩 AD8452에 기반한 포괄적인 배터리 활성화 제어 시스템 솔루션을 제공한다. 정밀한 활성화 처리 성능으로 각 배터리 셀당 활성화 시간을 최적화하고, 에너지 재활용 기능으로 배터리 대량 제조 시 에너지를 절감할 수 있다.

 

 

배터리 활성화/그레이딩 공정의 필요성

리튬이온(Li-Ion)은 [그림 1]과 같은 긴 제조 공정을 거친다. 앞 쪽의 세 가지 공정은 전극, 전해액, 분리막 등 기초 소재들을 준비하고, 배터리 셀 형태로 조립하는 공정이다. 마지막 공정은 셀을 활성화하고 셀이 전기적 기능을 수행할 수 있도록 하는 과정이다. 이 활성화 공정을 배터리 활성화(Battery formation)라고 한다. 이후 배터리 셀의 일관성을 유지하기 위한 그레이딩(Grading) 공정도 이뤄진다. 노트북 컴퓨터나 휴대전화와 같은 휴대기기에는 저장 용량이 5A 이하로 낮은 리튬이온 배터리가 주로 사용돼, 이 경우 제조 비용에 비해 제조 효율은 부차적인 문제다.

반면, 자동차에 사용되는 배터리는 총 용량이 통상 수백 암페어(A)대에 이를 정도로 매우 높다. 이런 고용량을 달성하기 위해서는 수천 개의 소형 셀을 사용하거나, 더 큰 용량의 적은 배터리들을 사용할 수도 있다. 이때 결정적으로 작용하는 것은 배터리 셀의 일관성으로, 이를 높이기 위한 그레이딩 공정이 중요하다. 제조 과정에서는 배터리 활성화 비용과 관련해 전력 효율이 점점 중요해지고 있으며, 전기차와 같은 친환경 자동차가 에너지 낭비가 큰 배터리를 사용한다는 것은 모순적이기 때문이다.

정밀 아날로그 프론트 엔드와 벅-부스트 PWM 컨트롤러가 통합된 단일 실리콘 칩에 기반한 솔루션으로, 배터리 활성화/그레이딩 공정을 더욱 효율적으로 처리할 수 있다. 이 솔루션은 0.02% 이내의 정확도와 90% 이상의 전력 효율을 나타내며, 배터리 활성화/그레이딩 공정 중 방전되는 에너지를 다른 배터리에 재활용할 수 있다. 기존의 많은 시스템들은 배터리를 저항성 부하로 방전해왔으며, 일부 고객들은 이 에너지를 건물 난방에 활용하거나, 뜨거운 공기 그대로 외부에 배출하는 경우도 있다. 배터리를 저항성 부하로 방전하는 것은 배터리를 방전하는 가장 단순한 방법이지만, 대량의 배터리를 충/방전할 때의 비용을 증가시킨다. ADI의 단일 채널 효율이 높은 솔루션을 통해 복잡성을 최소화하고, 방전 배터리로부터 에너지를 재활용함으로써 아키텍처 에너지의 40% 이상을 절감할 수 있다. AD8452에 기반한 단일 칩 솔루션은 배터리 활성화/그레이딩 시, ▲배터리 비용 저감 ▲에너지 재활용 ▲전력 효율 향상 ▲높은 테스트 정확도 등의 특징을 갖는다.

 

리튬이온 배터리 제조 공정 개요

[그림 1]은 리튬이온 배터리 제조 공정을 개략적으로 나타낸 것이다. 공정의 마지막 컨디셔닝 단계에서는 배터리 활성화와 테스트 공정이 병목지점으로서 배터리의 수명, 품질, 비용에 큰 영향을 준다.

배터리 활성화는 배터리 셀에서 맨 처음으로 충·방전 동작을 실행하는 공정이다. 공정 중 전극(주로 양극)에서 특수한 전기화학적 고체 전해질 중간물질(SEI, Solid Electrolyte Interphase) 층이 형성된다. 이 층은 다양한 요인들에 대해 민감하며, 배터리 수명 동안 배터리 성능에 중대한 영향을 준다. 배터리 활성화는 배터리 소재에 따라 며칠이 소요될 수 있다. 활성화 기간에는 0.1C(C는 셀 용량) 전류를 주로 사용하며, 완전 충·방전 사이클에 최대 20시간이 걸릴 수도 있다. 이 과정이 총 배터리 비용의 20~30%를 차지한다.

 

[그림 1] 리튬이온 배터리 제조 공정

전기 테스트를 할 때는 충전에 1C, 방전에 0.5C의 전류를 사용할 수 있으나, 각 사이클마다 약 3시간이 걸린다. 통상적으로 한 번의 테스트에는 몇 회의 사이클이 필요하다. 또한 배터리 활성화/그레이딩과 이 외의 다른 전기 테스트는 매우 엄격한 정확도 사양을 요구할 수 있으며, 통상적으로 특정 온도 범위 내에서 전류와 전압을 ±0.02% 이내로 제어해야 한다.

그레이딩 공정을 통해 배터리의 전기화학적 성질을 안정화할 수 있다. 이 공정으로 기록된 데이터에 기반해, 전기화학적 동작이 유사한 셀들을 모듈이나 팩으로 그룹화할 수 있다. 이와 같은 방식으로 전기차 전원 시스템의 일관성을 극대화할 수 있다. 측정·제어 정확도가 데이터의 기록 품질을 결정해, 전체적인 배터리 전원 시스템의 성능에 무시할 수 없는 영향을 준다.

자동차용 배터리 제조에서 또 다른 과제는 전력 효율이다. 충전 시 효율을 높여야 할 뿐만 아니라, 가능하다면 방전 시의 에너지도 재활용할 수 있어야 한다. 이런 방식은 친환경 정책에 부합하며, 애플리케이션이 점점 늘어남에 따라 최근 수요가 점점 상승하고 있는 대용량 배터리를 제조할 때도 비용을 절감할 수 있다.

 

[그림 2] AD8452에 기반한 단일 채널 시스템

AD8452는 정밀 아날로그 프론트 엔드와 벅-부스트 PWM 컨트롤러를 단일 패키지에 통합함으로써 앞서 나열한 요건들을 충족한다[그림 2]. 내부에 박막 매칭 저항을 통합해, 전류 신호를 정확하고 신뢰할 수 있는 수준으로 검출할 수 있다. 잘 설계된 아날로그 제어 루프가 PWM 제어 회로와 함께 작동해서 최상의 품질로 충·방전 동작을 실행한다. 우수한 성능으로 시스템을 주기적으로 교정· 유지보수 할 필요성이 줄어들고, 전력 변환·재활용 효율이 높아진다. 따라서 기초 소재부터 제조와 유지보수에 이르기까지 전반에 걸쳐서 비용을 절약할 수 있다.

 

배터리 활성화·테스트 시스템 유형

설계 엔지니어들은 휴대기기용 배터리에 대한 활성화와 테스트 작업 시의 정확도 요건을 쉽게 충족하기 위해 선형 레귤레이터를 사용하곤 하지만, 이 경우 효율이 떨어진다. 대용량 배터리에 이 방법을 적용하면 온도 드리프트로 인해 열 관리·효율 저하로 어려움을 겪을 수 있다.

전기차나 하이브리드차는 많은 셀들을 사용하며, 이 모든 셀들을 잘 매칭해야 하기 때문에 훨씬 엄격한 정확도가 요구된다. 이 경우 스위칭 유형이 적합할 수 있다. [표 1]은 전력 용량과 최종 기능과 관련해 서로 다른 셀들을 비교한 것이다.

 

[표 1] 셀 크기별 선형·스위칭 시스템 비교

[그림 2]는 ADI의 실리콘 칩 AD8452에 기반한 단일 채널 시스템이다. 솔루션을 통해 다른 전력대별로 시스템을 손쉽게 구성할 수 있다. AD8452의 아날로그 프론트 엔드가 루프의 전압·전류 신호를 측정하고 컨디셔닝 한다. 이 디바이스는 벅이나 부스트 모드 동작으로 구성할 수 있는 PWM 발생기를 포함한다. 아날로그 컨트롤러와 PWM 발생기 사이의 인터페이스가 낮은 임피던스의 아날로그 신호로 이뤄져, 디지털 루프에서 문제를 일으킬 수 있는 지터를 발생시키지 않는다. 정전류(CC), 정전압(CV) 루프의 출력이 PWM 발생기의 사용률을 결정하고, 이것이 ADuM7223의 MOSFET 전력 스테이지를 구동한다. 모드가 충전에서 방전으로 바뀌면, 배터리 전류를 측정하는 AD8452 내부의 증폭기 극성이 역전된다. CC와 CV 증폭기 내부 스위치들이 적합한 보상 네트워크를 선택하고, AD8452가 PWM 출력을 부스트 모드로 변경한다. 이 모든 기능이 단일 핀과 표준 디지털 로직을 통해 제어된다.

여기에서는 AD7173-8 고분해능 ADC가 시스템을 모니터링하는데, 제어 루프에는 포함되지 않는다. 스캔 속도는 제어 루프 성능과 무관해, 하나의 ADC가 다채널 시스템에서 여러 채널로 전류와 전압을 측정할 수 있다. DAC 역시 AD5689R와 같은 저렴한 DAC를 사용해 여러 채널을 제어할 수 있다. 또한 하나의 프로세서만 CV와 CC 수준, 동작 모드, 하우스키핑 기능을 설정하면 돼, 제어 루프 성능에 병목을 일으키지 않으면서도 여러 채널들과 인터페이스 할 수 있다.

4V 배터리와 20A 최대 전류를 사용하는 시스템으로 90% 이상의 효율과, 통상적으로 25±10℃일 때 전류 루프의 경우 90ppm, 전압 루프의 경우 51ppm의 정확도를 달성한다. CC에서 CV로의 전환은 글리치 없이 500µs 이내에 이뤄진다. 전류를 1A에서 20A로 높이는 데 걸리는 시간은 150ms 이하이며, 더 빠르게 구성할 수도 있다. 또한, 상승 시간과 저전류 성능 간 절충이 필요할 수도 있다. 언급된 사양들은 자동차용 배터리 제조·테스트에 관한 것이다. [그림 3]은 10A와 20A로 CC 방전 모드일 때의 효율을 예시로 보여준다.

 

[그림 3] 시스템 전력 효율 테스트 결과
[그림 3] 시스템 전력 효율 테스트 결과

 

배터리 제조 비용 저감

배터리 비용을 줄이는 것은 제조 공정 전반에 걸쳐 이뤄져야 한다. 글에서 제안하는 시스템을 사용함으로써, 고객들은 배터리 성능의 저하 없이도 활성화·테스트 시스템 비용을 줄일 수 있다. 정확도가 높아지면 교정 시간을 단축하고 횟수도 줄일 수 있다. 이를 통해 가동 시간을 높이고 설계를 간소화할 수 있으며, 더 높은 전환 주파수로 인해 더 작은 크기의 전력 반도체 부품을 사용함으로써 시스템 비용도 낮출 수 있다. 또한, 최소한의 수고만으로도 채널을 결합해 더 높은 전류를 출력할 수 있다. 아날로그 영역에서 모든 제어를 할 수 있어 소프트웨어 개발 비용을 최소화할 수 있으며, 이는 복잡한 알고리즘을 필요로 하지 않는다. 에너지를 재활용할 수 있고 높은 시스템 효율을 달성함으로써 운영 비용을 크게 절감할 수 있다.

 

에너지 재활용

배터리를 저항성 부하로 방전하는 아키텍처와 달리, AD8452에 기반한 시스템은 배터리 전압과 전류를 제어해 이 에너지를 공통 버스로 돌려보내, 다른 배터리를 충전하는 데 사용할 수 있다. 각 배터리 채널들이 충전 모드일 때는 DC 버스로부터 에너지를 끌어오고, 방전 모드일 때는 에너지를 DC 버스로 돌려보낸다. 가장 간단한 방법은 [그림 4]에서 보는 것과 같이 단방향 AC-DC 전원장치를 사용하는 것이다. 그러나 이 방법은 AC 메인에서 DC 버스로 전류를 소싱만 할 수 있어, AC-DC 전원장치로부터 전류가 항상 양(+)이 되도록 하기 위해 시스템을 신중히 조정해야 한다. DC 버스로 충전 채널들이 소모하는 것보다 더 많은 에너지를 들여보내면 버스 전압이 상승하고, 이로 인해 일부 부품들이 손상될 수 있다.

 

[그림 4] 셀-대-셀 에너지 재활용을 할 수 있는 배터리 테스트 시스템

[그림 5]에서처럼 양방향 AC-DC 컨버터를 사용하면 AC 전력망으로 에너지를 되돌려 보냄으로써 문제를 해결할 수 있다. 이 경우 모든 채널들을 먼저 충전 모드로 설정한 후, 이어서 방전 모드로 설정해 전류를 전력망으로 돌려보낼 수 있다. 이렇게 하기 위해서는 좀 더 복잡한 AC-DC 컨버터가 필요하지만, 시스템 구성에 있어서 추가적인 유연성을 부여할 수 있고, 전원장치로부터 전류가 항상 양이 되도록 하기 위해 충·방전 전류를 신중하게 조정하지 않아도 된다.

 

[그림 5] AC 메인 에너지 재활용이 가능한 배터리 테스트 시스템
[그림 5] AC 메인 에너지 재활용이 가능한 배터리 테스트 시스템

 

에너지 재활용을 통한 효율 향상

3.2V 15A 배터리 2개로 구성되는 세트를 예로, 에너지 재활용의 이점을 간단하게 살펴보자. 배터리는 약 48Wh를 저장할 수 있고, 완전 소모된 배터리를 충전하려면 충전 효율이 90%인 경우, 각각의 배터리로 약 53.3Wh를 공급해야 한다. 이 시스템은 방전 모드일 때는 에너지를 저항의 열로 변환하거나 버스로 재활용을 하는 등의 방법을 통해 48Wh를 소진할 것이다. 만약 재활용을 하지 않는다면, 두 개의 배터리를 충전하는 데 약 107Wh가 필요하다.

하지만 90% 효율로 에너지를 재활용한다면 첫 번째 배터리의 43.2Wh를 두 번째 배터리를 충전하는 데 사용할 수 있다. 이 시스템은 90% 효율로 충전할 수 있어 두 번째 배터리 역시 53.3Wh가 필요한데, 43.2Wh는 방전 배터리로부터 공급받을 수 있으므로 추가로 10.1Wh만 공급하면 된다. 따라서 필요한 총 에너지는 63.4Wh, 즉, 에너지를 40% 이상 절약할 수 있는 셈이다. 실제 제조 환경에서는 각각의 트레이에 수백 개의 셀들을 탑재해 처리하며, 각각의 트레이를 집단적으로 충·방전 처리함으로써 총 제조 시간이 늘어나는 것을 막을 수 있다.

 

결론

스위칭 전원장치는 오늘날 재충전할 수 있는 배터리 제조를 위해 성능과 경제성이 뛰어난 솔루션을 제공한다. AD8452는 시스템 설계를 간소화할 뿐만 아니라, 오차율이 0.02% 이내인 시스템 정확도와 90% 이상의 전력 효율을 달성하고, 에너지를 재활용함으로써 방전 에너지를 낭비하는 시스템에 비해 40% 이상의 에너지를 절약한다. 따라서 재충전할 수 있는 배터리 제조 공정 상의 병목지점을 해소하고, 하이브리드 자동차와 전기 자동차용 배터리 제조 단계에서부터 친환경 요구를 충족한다.

글: 세라프 후(Seraph Hu) 마케팅 엔지니어

자료제공: 아나로그디바이스

 

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2019년 12월 호에 게재된 기사입니다.


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