노화되는 전지의 배터리 동작 시간을 극대화하는 고효율 양방향 능동 밸런서
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노화되는 전지의 배터리 동작 시간을 극대화하는 고효율 양방향 능동 밸런서
  • 신윤오 기자
  • 승인 2013.07.31 00:00
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글: 사무엘 노크(Samuel Nork) 이사, 보스턴 디자인 센터
스트브 크노스(Steve Knoth) 선임 제품 마케팅 엔지니어, 전력 제품
리니어 테크놀로지 코포레이션 / www.linear.com

전기자동차의 수와 수명이 지속적으로 증가함에 따라 배터리 팩 내에서 노화되는 비정상적인 셀들이 만성적인 문제이자 동작 시간 감소의 주요 원인으로서 나타나고 있다. 자동차 제조사에게 있어 충분하지 않은 거리로 인해 품질보증을 위해 배터리를 교체하거나 재정비하는 것은 매우 높은 비용을 필요로 하는 문제이다. 이와 같은 많은 비용을 수반하는 문제를 방지하기 위해서는 각각의 모든 셀에 대해 보다 크고 보다 비용이 높은 배터리를 사용하거나 셀의 불균등한 노화로 인한 셀 간 용량 불일치를 보상할 수 있는 LTC3300 등과 같은 고성능 능동 밸런서를 채용해야 한다.

직렬 연결된 높은 에너지 밀도의 높은 최고 전력을 제공하는 리튬폴리머 또는 리튬인산철(LiFe PO4) 전지로 구성된 대형 배터리 스택이 전기(EV 또는 BEV) 및 하이브리드 가솔린/전기 자동차(HEV 및 PHEV(plug-in hybrid electric vehicle)에서부터 ESS(energy storage system)에 이르는 다양한 애플리케이션에서 이제 일반적으로 사용되고 있다. 전기 자동차 시장은 특히 직렬/병렬 연결 대형 배터리 전지 어레이에 대한 엄청난 수요를 형성할 것으로 예상되고 있다.

2012년에서 2020년까지의 PEV 및 EV 판매에 대한 연평균성장률(CAGR, compound annual growth rate)은 37.4%1로 예상되고 있다. 고용량 셀에 대한 수요가 증가하고 있음에도 불구하고 배터리 가격은 여전히 높게 유지되고 있으며, 수십 킬로미터의 주행 거리를 지원하는 배터리에 대한 가격이 일반적으로 10,000달러 이상이기 때문에 EV 또는 PHEV에서 가장 고가의 부품이기도 하다. 저비용/개량 셀을 통해 높은 비용을 완화시킬 수 있지만, 이와 같은 셀들은 또한 용량 불일치가 상대적으로 커서 이용 가능한 동작 시간 또는 1회 충전 시 주행 가능한 거리가 단축된다.

심지어 비용이 보다 높은 고품질의 셀도 노화와 반복적 사용으로 인해 불일치 된다. 2가지 방법을 통해 불일치 되는 셀의 스택 용량을 증가시킬 수 있다: 우선 상대적으로 큰 배터리를 처음부터 사용하는 방법이 있지만 매우 비용 효과적이지는 않다. 다음으로 팩 내의 배터리 성능을 복구할 수 있는 능동 밸런싱이라는 새로운 기법을 사용하는 것으로 그 중요성이 빠르게 부각되고 있다.

모든 직렬 연결 셀이 균형을 이루어야 한다

스택 내의 모든 셀들이 동일한 충전 상태(SoC, state of charge)에 있을 경우 스택 내의 셀들은 밸런싱이 이루어졌다고 볼 수 있다. SoC는 셀이 충전하여 방전될 때 최대 용량 대비 각 셀의 현재 잔여 용량을 말한다. 예를 들어, 5A-hrs의 잔여 용량을 가진 10A-hr 셀은 SoC가 50%이다. 전체 배터리가 SoC 범위 내에서 유지되어야만 손상 또는 수명 저하를 방지할 수 있다. 허용 가능한 SoC 최소 및 최대 수준은 애플리케이션에 따라 매우 다양하다. 배터리 동작 시간이 매우 중요한 애플리케이션의 경우, 전체 셀이 최소 20% SoC와 최대 100% SoC(만충 상태) 사이에서 동작해야 한다. 최장 배터리 수명을 요구하는 애플리케이션은 최소 30%에서 최대 70% 사이에서 SoC 범위를 제한한다. 이들은 매우 높은 교체 비용을 수반하는 고가의 초대형 배터리를 사용하는 전기 자동차와 그리드 스토리지 시스템에서 일반적으로 요구 되는 SoC 한계이다. BMS(battery manage ment system)의 주요 역할은 스택의 모든 셀을 세심하게 모니터링 하여 어떠한 셀도 애플리케이션의 최소 및 최대 SoC 한계를 벗어나서 충전 또는 방전되지 않도록 보장하는 것이다.

직렬/병렬 셀 어레이의 경우, 병렬로 연결된 셀이 상호 자동으로 밸런싱을 이룬다고 가정하는 것이 일반적으로 안전하다. 말하자면, 도전 경로가 셀 단말 사이에 존재하는 한 시간이 경과함에 따라 병렬 연결 셀 간의 충전 상태가 자동으로 균등해질 것이다. 또한 다양한 요인들로 인해 시간이 경과함에 따라 직렬 연결된 셀의 충전 상태는 달라지는 경향이 있다고 가정하는 것이 안전하다.  팩에 대한 온도 경도(temperature gradient) 또는 임피던스, 자가-방전 속도, 셀 간 부하 등의 차이로 인해 점진적인 SoC 변화가 발생한다. 배터리 팩 충전 및 방전 전류가 이러한 셀 간 편차를 축소시키는 경향이 있을지라도 주기적으로 셀들의 밸런싱을 조정하지 않는다면 누적 불일치는 조금도 줄어들지 않고 증가하게 된다. 셀 간 SoC의 점진적인 변화를 보상하는 것이 직렬 연결된 배터리의 밸런싱을 조정하는 가장 기본적인 이유이다. 일반적으로 거의 일치하는 용량을 가진 셀 스택의 SoC 밸런싱을 다시 조정하는 데에는 수동 또는 소산 밸런싱 방법이 적합하다.


 

그림 1.
일반적인 셀 밸런싱 토폴로지




 

그림 1b. 그림 1c.
그림1b와 1c에 나타난 능동 밸런싱 방법만이 스택 전체에 충전을 재분배하여 손상된 용량 보상



그림 1에 나타낸 바와 같이, 수동 밸런싱 방법은 간단하고 비용이 저렴하다. 하지만, 수동 밸런싱은 매우 느리며, 배터리 팩 내부에 불필요한 열을 발생시키고 스택에서 가장 SoC가 낮은 셀과 일치시키기 위해서 전체 셀의 잔여 용량을 낮춰 밸런싱을 조정한다. 수동 밸런싱은 다른 일반적인 용량 불일치 발생으로 인한 SoC 오류를 효과적으로 해결할 수 있는 능력이 부족하다. 모든 셀들이 노화됨에 따라 용량이 줄어들고 위에서 열거한 것과 유사한 이유로 인해 각기 다른 속도로 이러한 현상이 나타나는 경향이 있다. 스택 전류는 모든 직렬 셀에 동등하게 유출입 되기 때문에 스택의 이용 가능한 용량은 스택에서 가장 용량이 낮은 셀에 의해 결정된다. 그림 1b와 1c에 나타낸 능동 밸런싱 방법만이 스택 전체에 충전을 재분배하여 셀 간 불일치로 인해 손실된 용량을 보상할 수 있다.

셀 간 불일치로 인해 동작 시간이 극적으로 감소할 수 있다

셀들을 밸런싱 하지 않을 경우에 용량 또는 SoC의 셀 간 불일치로 인해 이용 가능한 배터리 스택 용량이 심각하게 감소할 수 있다. 스택 용량을 극대화시키기 위해서는 스택 충전 기간은 물론 스택 방전 기간 동안 셀들을 밸런싱 시켜야 한다.


 

그림 2.
셀 간 불일치로 인한 스택 성능 손실 예제



그림 2에 나타낸 예제에서 (공칭) 100A-hr 셀로 구성된 최소 용량 셀과 최대 용량 셀로 인한 +/-10% 용량 에러 특성을 제공하는 10-셀 직렬 스택은 사전 결정된 SoC 한계에 도달할 때까지 충전 또는 방전된다. SoC 레벨이 30%에서 70% 사이로 제한되고 밸런싱이 실행되지 않는다면, 이용 가능한 스택 용량이 전체 충전/방전 사이클 후에 셀의 이론적으로 이용 가능한 용량 대비 25%까지 감소하게 된다. 수동 밸런싱은 스택 충전 단계에서 이론적으로 각 셀의 SoC를 균등하게 유지할 수 있지만, 방전 시 다른 것들보다 먼저 셀 10이 30%의 SoC 수준에 도달하는 것을 방지할 수 없다. 스택 충전 시의 수동 밸런싱의 경우에 (사용하지 않는) 상당한 용량이 스택 방전 시 손실된다. 능동 밸런싱 솔루션만이 스택 방전 시 높은 SoC의 셀로부터 낮은 SoC 셀로 충전을 재분배하여  "용량 복구"를 달성할 수 있다.


 

그림 3.
이상적인 능동 밸런싱 기능을 통한 성능 복구
 

그림 3은 이상적인 능동 밸런싱 기능을 통해 셀 간 불일치로 인한 손실 용량을 100% 복구하는 방법을 나타낸 것이다. 정상 상태 사용 시 스택이 70%의 SoC "완전" 재충전 상태로부터 방전할 경우에 저장된 전하를 사실상 셀 1(최고 용량 셀)로부터 얻어서 셀 10(최저 용량 셀)로 전달하는 데 그렇지 않을 경우에 셀 10이 나머지 셀들보다 먼저 최소 SoC 지점인 30%에 도달하게 되고, 추가적인 수명 저하를 방지하기 위해서 스택 방전이 중단되어야만 한다. 이와 마찬가지로 충전 단계에서 셀 10으로부터 전하를 제거하여 셀 1으로 재분배해야만 하는 데 그렇지 않을 경우에 셀 10이 SoC 상한인70%에 먼저 도달하면 충전 사이클이 중단되어야만 한다.

배터리 스택의 동작 수명의 특정 지점에서 셀 노화의 편차로 인해 셀 간 불일치가 반드시 발생하게 될 것이다. 능동 밸런싱 솔루션만이 필요한 만큼 높은 SoC의 셀로부터 낮은 SoC 셀로 충전을 재분배함으로써 용량 복구를 달성할 수 있다. 배터리 스택 수명 전체에 대해 최대 배터리 스택 용량을 달성하기 위해서는 능동 밸런싱 솔루션이 효율적으로 개별 셀들을 충전 및 방전시켜 스택 전체에 대해 SoC 밸런스를 유지해야만 한다.

고효율 양방향 밸런싱 기능이 최고의 성능 복구 기능을 제공한다



 

그림 4.
LTC3300-1 고효율 양방향 다중셀 능동 밸런서
 

LTC3300-1(그림 4 참조)는 고성능 능동 밸런싱에 대한 요구를 지원할 수 있도록 특별히 설계된 신제품이다. LTC3300-1은 고효율 양방향 능동 밸런스 제어 IC로서 고성능 BMS 시스템의 핵심적인 요소이다. 각 IC는 직렬로 연결된 최대 6개의 리튬-이온 또는 LiFePO4 셀을 동시에 밸런싱 할 수 있다.

SoC 밸런스는 선택된 셀과 서브 스택의 최대 12개 이상의 인접 셀 사이에서 전하를 재분배함으로써 이루어진다. 밸런싱 결정 및 밸런싱 알고리즘은 독립적인 모니터링 디바이스와 LTC3300을 제어하는 시스템 프로세서에 의해 처리되어야만 한다. 셀을 방전시키기 위해서, 전하가 선택된 셀로부터 12개 이상의 인접 셀 그룹으로 재분배된다. 마찬가지로 셀을 충전시키기 위해서 전하가 선택된 셀에서 12개 이상의 인접 셀 그룹으로 전송된다. 모든 밸런서는 방향에 상관 없이 동시에 동작할 수 있기 때문에 스택 밸런싱 시간을 최소화시킬 수 있다. 모든 밸런싱 제어 명령은 스택 높이에 제약 없이 스택 가능한 높은 잡음 마진 특성을 제공하는 SPI 인터페이스를 통해 각 IC에 제공된다.

LTC3300의 각 밸런서는 비절연형 임계 모드 동기식 플라이백 회로를 사용하여 각 개별 셀에 대해 고효율 충전 및 방전 특성을 달성할 수 있다(그림 5 참조). 6개의 밸런서 각각이 개별 트랜스포머를 요구한다. 각 트랜스포머의 1차측은 밸런싱 되는 셀과 연결되며, 2차측은 밸런싱되는 셀을 포함해 12개 이상의 인접 셀들과 연결된다. 2차측 셀의 수는 외부 부품의 내압에 의해서만 제한된다. 셀 충전 및 방전 전류는 외부 감지 레지스터, 외부 스위치 및 트랜스포머의 크기에 따라서 최대 10A까지 프로그래밍이 가능하다. 1차 및 2차 부품을 통한 시퀀싱 및 IPEAK/IZERO 전류 감지 기능은 밸런서의 셀 충전 또는 방전 지원 여부에 의해 결정된다. 고효율은 동기식 동작과 최적의 부품 선택을 통해 달성된다. 개별 밸런서들은 BMS 시스템 프로세서를 통해 활성화되며, 이들은 BMS가 밸런싱 중단 명령을 하거나 고장 조건이 감지되기 전까지 활성 상태를 유지한다.

밸런서 효율이 중요하다!

배터리 팩이 직면하고 있는 최대의 적 중 하나는 열이다. 주변 온도가 높을수록 배터리 수명과 성능이 급격히 저하된다. 설상가상으로 고전류 배터리 시스템의 경우에 밸런싱 전류 역시 높아야만 동작 시간을 연장시키거나 팩을 신속하게 충전시킬 수 있다. 밸런서 효율이 좋지 않을 경우에 배터리 시스템 내부에 불필요한 열이 발생하게 되고, 해당 시간 조건에서 동작하는 밸런서의 수를 줄이거나 비용이 높은 온도 완화(thermal mitigati on) 방법을 통해서 이러한 문제를 해결할 수 있다.



 

그림 5.
양방향 플라이백 전력단 동작



 

그림 6.
LTC3300-1 전력단 성능



그림 6에 나타낸 바와 같이 LTC3300은 충전 및 방전 방향 모두에 대해서  >90%의 효율을 달성함으로써 밸런스 전류를 통해 동등한 밸런서 전력 소모를 가진 80% 효율의 솔루션보다 2배 이상 높은 효율을 달성할 수 있다. 뿐만 아니라, 밸런서의 효율이 높을수록 보다 효과적으로 충전 재분배를 할 수 있으며, 다시 말해 보다 효과적으로 용량을 복구하고 보다 신속하게 충전을 할 수 있다.

로컬 셀이 대부분의 밸런싱 작업을 수행한다



 

그림 7.
인터리빙 연결 및 전하 전달 성능
 

그림 7에 나타낸 바와 같이 2차측 연결을 인터리빙 함으로써 스택을 통해 전하를 전달할 수 있다. 이와 같은 방법으로 인터리빙 함으로써 6개의 셀로 구성된 모든 그룹의 전하를 인접 셀 그룹으로 전달하거나 전달 받을 수 있다. 주목할 것은 인접 셀들이 스택의 위 또는 아래에 있을 수 있다는 것이다. 이러한 유연성은 밸런싱 알고리즘을 최적화시킬 때 유용하다. 인터리빙 시스템과 관련된 일반적인 오해는 최상단 스택에서 최하단 스택으로 전하를 재분배하는 것은 전하를 최상단에서 최하단으로 이동시키는 데 필요한 변환들로 인해 매우 비효율적일 것이라는 것이다. 하지만, 그림 7에 예를 들어 나타낸 바와 같이 대부분의 밸런싱은 밸런싱에 필요한 셀에 가장 인접한 셀들로 전하를 재분배함으로써 간단히 달성될 수 있다.

10개 이상의 셀로 구성된 2차측 스택을 통해 전체 스택의 동작시간을 제한할 수 있는 취약한 셀을 1개의 밸런서를 실행함으로써 간단히 이것의 "손실" 용량의 최대 90%까지 복구할 수 있다. 따라서 LTC3300 인터리빙 토폴로지를 통해 전하를 최상단 스택에서 최하단 스택으로 이동시킬 필요가 없으며, 대부분의 밸런싱 동작은 인접한 로컬 셀을 통해 이루어진다.

안전이 최우선이다

LTC3300 양방향 능동 밸런서는 탁월한 전기적 성능을 제공할 뿐만 아니라 밸런싱 기간 동안 오동작을 방지하면서 가능한 최고 신뢰성을 유지할 수 있는 다양한 안전성 기능을 제공한다. 데이터 무결성 확인(모든 유입 및 유출 데이터에 대한 CRC 확인, 와치독 타이머, 데이터 역판독) 등은 의도하지 않거나 문제가 있는 명령에 대한 밸런서 응답을 방지한다. 프로그램 가능한 볼트-초(volt-second) 클램프는 밸런싱 기간 동안 발생한 전류 감지 고장이 전류 조건을 벗어나지 않도록 한다.

2차측 과전압 감지 기능뿐만 아니라 셀별 과전압 및 과소전압 확인 기능은 밸런싱 기간 동안 갑작스러운 배터리 배선 하네스 고장으로 인한 밸런싱 회로 손상을 방지한다.

결론

전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등과 같은 새로운 애플리케이션이 급성장하고 있지만, 동작 수명 연장 및 신뢰성 있는 동작에 대한 소비자 기대는 변하지 않고 유지되고 있다.

자동차는 배터리 동력을 사용하거나 가솔린 동력 사용 여부에 상관 없이 인지할 수 있는 어떠한 성능 저하 없이 5년 이상 동안 지속될 것이라고 기대된다. EV 또는 PHEV의 경우, 성능이 배터리 전력을 통해 구동 가능한 거리와 일치한다. EV 및 PHEV 공급업체는 높은 배터리 성능뿐만 아니라 경쟁력을 유지할 수 있는 최소한의 거리를 보장하는 다년간의 품질보증을 제공해야 한다. 전기자동차의 수와 수명이 지속적으로 증가함에 따라 배터리 팩 내에서 노화되는 비정상적인 셀들이 만성적인 문제이자 동작 시간 감소의 주요 원인으로서 나타나고 있다.

직렬-연결 배터리의 동작 시간은 항상 스택 내 최저 용량 셀에 의해 제한된다. 이로 인해 1개의 약한 셀이 전체 배터리 성능을 손상시킨다. 자동차 제조사에게 있어 충분하지 않은 거리로 인해 품질보증을 위해 배터리를 교체하거나 재정비하는 것은 매우 높은 비용을 필요로 하는 문제이다. 이와 같은 많은 비용을 수반하는 문제를 방지하기 위해서는 각각의 모든 셀에 대해 보다 크고 보다 비용이 높은 배터리를 사용하거나 셀의 불균등한 노화로 인한 셀 간 용량 불일치를 보상할 수 있는 LTC3300 등과 같은 고성능 능동 밸런서를 채용해야 한다.

LTC3300은 이러한 기술적 문제를 해결하기 위해서 특별히 설계되었으며, 설계자들에게 높은 수준의 안전성과 충전 밸런싱 효율을 제공한다. LTC3300을 통해 셀이 심각하게 불일치 하는 스택이 동일한 평균 셀 용량을 가지는 셀이 완벽하게 일치하는 스택과 거의 동일한 동작 시간을 제공할 수 있다. 출처 1: Pike Research, 2012년 12월



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