리튬 이온 배터리 모니터링 - 리던던시가 필요한가?

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리튬 이온 배터리 모니터링 - 리던던시가 필요한가?

OEM업체, 전자 부품 공급업체 및 배터리 제조업체들은 리튬 이온 배터리의 이점에는 눈독을 들이면서, 동시에 이 기술이 가진 고유의 특성 때문에 차세대 HEV는 물론 새로 개발되는 PHEV 및 EV를 위한 보다 견고한 모니터링 시스템이 필요하다고 느끼고 있다. 따라서 백업 시스템을 구현할 때 드는 수 많은 질문들, 즉 무엇을 모니터링 할 것인가, 시스템과는 어떤 식으로 통신할 것인가, 어떤 진단 기능을 갖출 것인가, 다양한 배터리 화학 물질에 대해 어느 정도 유연성을 가져야 하는가, ISO26262를 충족하는 데 도움이 될 수 있는가 에는 여전히 답이 필요하겠지만 시스템에 백업 모니터를 구축할지 여부에 대해서는 ‘리던던시는 꼭 필요하다’고 답변할 수 있을 것이다.

글/스티븐 보일(Steven Boyle), 아나로그디바이스 애플리케이션 엔지니어


하이브리드 전기 차량(HEV)이나 플러그인 하이브리드 전기 차량(PHEV), 그리고 순수 전기 차량(EV)과 같이 리튬 이온(Li-ion) 배터리를 사용하는 차량들에 대한 연구가 지속될수록, OEM업체, 전자 부품 공급업체 및 배터리 제조업체들은 어떻게 하면 배터리 모니터링 및 관리 시스템을 최적으로 구성할 수 있을지에 대해 끊임없이 논의를 한다. 이 같은 시스템들에서는, 대개 마이크로컨트롤러나 배터리 관리 장치(BMU: battery manage-ment unit)와 인터페이스 되는 ADC에 해당하는 주 모니터(primary monitor)를 통해 정확한 계측 데이터를 제공하고, 충전 전에 모든 셀이 동일 전압 레벨을 유지하도록 하는 셀 밸런싱을 수행한다. 그러나, 항상 안전 또는 백업 모니터라고 하는 예비 모니터(Redundant Monitor)를 포함시킬 지 여부를 놓고 논란이 벌어지고 또 만약 포함하게 될 경우 모니터링 해야 할 대상도 결정해야 한다(그림 1은 일반적 시스템의 블록 다이어그램을 보여주고 있다). 예비 모니터링과 관련된 세부내용에 들어가기 앞서 먼저 리튬 이온 배터리의 몇 가지 특성을 검토해 보자.



리튬 이온 배터리의 특성



리튬 이온은 다음과 같은 중요한 이점들로 인해 자동차 영역에서 니켈 금속 수소화물(NiMH) 배터리를 대체해 나가고 있다.
·보다 긴 수명 - 더 많은 충전 주기 소화 가능
·더 높은 에너지 밀도 - 중량이 가벼워지고 범위가 넓어짐
·낮은 자체 방전률 - 저장 수명 향상
·보다 높은 셀 전압 - 항상 전압이 높을수록 좋음
·유연한 폼 팩터 - NiMH로는 불가능한 위치에 배치 가능


리튬 이온 배터리가 가진 이 같은 장점들은 차세대 자동차 배터리로 채택되는 데 중요한 역할을 한다. 뿐만 아니라 OEM이 생산할 수 있는 HEV 및 PHEV 차량 라인은 넓히면서, EV의 양산 체제를 한층 현실화하는 데 도움을 줄 것이라는 전망도 확실시되고 있다.
그럼에도 불구하고 리튬 이온 배터리는 다음과 같이 시스템 디자인에 중대한 영향을 줄 수 있는 몇 가지 단점(일부는 안전과 관련됨)을 안고 있기도 하다.
·과충전 - 열 폭증 및 누출 가스가 발생할 수 있음
·과방전 - 배터리가 손상되고 용량이 줄어들 수 있음
·온도 특성 - 온도가 높아지면 위험하며 낮은 온도에서는 배터리가 제대로 작동하지 않음
·높은 비용
위와 같은 특성들이 나타나는 정도는 특정 화학 물질(예를 들어 LiFePO4는 보다 안전하며 열 폭증율이 낮음)에 따라 달라지긴 하나, 현재 대량 생산되고 있는 모든 화학 물질은 위의 특성을 어느 정도 갖는 경향이 있다.



리던던시(redundancy)를 포함시킬 것인가?



리튬 이온 배터리 시스템을 올바르게 관리하기 위해선 셀 전압, 충전 상태 및 저항을 정확하게 모니터링해야 한다는 것은 명확한 사실이다. 그러나 한 가지 모니터링 형태만으로도 충분할까? 위에 나열된 특성을 살펴보면 다음과 같은 여러 가지 문제를 고려할 필요가 있다.



안전
현존하는 리튬 이온 배터리는 주의해서 취급해야 한다. 아직 자동차 애플리케이션의 리튬 이온 배터리와 관련해서는 충분한 기록이 축적되지 않았지만 노트북을 비롯한 다른 애플리케이션에서 발생한 화재로 인해 안전이 우려되는 상황이다. 제조 품질은 확실히 개선되었지만 노트북과 비교해 자동차 환경에 사용되는 배터리의 총 에너지와 많은 용량을 고려하면 안전을 가장 중요한 문제로 고려해야 하는 것은 명백한 문제이다. 따라서 과충전 및 고온 조건에 대한 보호 장치를 마련해야 한다.



배터리 손상
리튬 이온 배터리는 위와 같은 이점에도 불구하고 차량에 많은 비용을 가중시킨다. PHEV에 사용되는 배터리 시스템의 초기 예상 비용은 1만 달러를 넘어서는 수준인 것으로 발표되었다. 이러한 배터리가 손상되거나 수명이 줄어들면 OEM으로서는 막대한 피해를 입을 수 있다. 부적절한 모니터링으로 인해 배터리를 손상시키는 과방전 조건이 발생하여 차량 소유주가 예상보다 일찍 배터리를 교체해야 하는 상황이 발생하면 해당 OEM에 대한 평판이 크게 떨어지는 것은 물론 OEM 역시 보증 비용을 부담해야 한다.
이러한 두 가지 영역만으로도 리던던시를 고려할 충분한 사유가 될 것이다. 예비 모니터링을 추가하면 시스템 비용이 증가하긴 하지만, 이러한 비용 증가분은 96셀 시스템에서 50달러 미만에 불과할 것이다. 이를 과충전, 충전 부족 또는 과온 상황이 발생하는 결과와 비교하면 그 필요성은 더욱 더 확실해진다.



리던던시의 또 다른 이점



안전이 최우선이라는 점은 의문의 여지가 없으며 배터리에 대한 투자를 보호한다는 차원도 중요하지만, 예비
또는 백업 시스템을 사용하게 되면 몇 가지 추가 이점을 얻을 수 있다.

ISO 26262 - 기능 안전
ISO 26262 - 자동차 관련 안전 무결성 기준(ASIL: Automotive Safety and Integrity Levels)이라는 자동차 전자 부품에 대한 새로운 규정의 발표가 임박해 있다. 이 새로운 자동차 관련 지침은 산업용 전자 부품에 적용되는 IEC 61508을 토대로 하고 있다. 이러한 지침은 시스템이 위험에 대응할 만한 일정 수준의 안전성을 제공하도록 하여 여러 가지 잠재적인 위험 요소로부터 보호하는 부분에 중점을 두고 있다. 이러한 안전 레벨은 요구되는 최저 레벨인 A에서 최고 레벨인 D까지 정해져 있다. 대부분의 OEM 및 공급업체들은 배터리 모니터링 디자인에서 레벨 C 또는 D를 목표로 하고 있다. 관련 문서는 아직 공개되지 않았지만 예비 버전에서는 다음과 같은 여러 가지 기준을 강조하고 있다.
·시스템은 위험을 발생시키는 모든 단일 지점 장애로부터 보호해야 함
·“주” 모니터가 고장 난 상황에서도 위험을 감지할 수 있어야 함
·예비 회로는 주 회로보다 디자인이 덜 복잡하고 무엇보다 두 부품이 서로 독립적으로 작동(예: 공유 리소스가 없음)하도록 하는 것이 바람직함
·위험 레벨에 대응하는 정도를 나타내는 부품의 진단 적용 범위를 반드시 정해야 함


많은 OEM들이 이러한 지침을 준수해야 함에 따라 모니터링 전자 부품을 제공하는 전자 부품 공급업체 또는 배터리 제조업체는 이들 문제에 대처할 수 있는 방법을 찾아야 하는데, 백업 모니터링 시스템을 구축하면 이를 해결하는 데 큰 도움을 얻을 수 있다.



FMEA 요구 사항
자동차 개발 환경에서 근무하는 사람이라면 누구나 FMEA(Failure Mode and Effect Analysis) 요구 사항에 대해 알고 있다. 이러한 분석을 수행하려면 개방(opens) 및 단락(shorts)과 같은 잠재적인 고장 상황을 엄격히 거쳐야 한다. 리던던시를 구축하면 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 되는 것은 물론 개발자가 FMEA 요구 사항에 보다 효과적으로 대처할 수 있을 것이다.

시스템에 또 다른 선택권 제공
리튬 이온 배터리와 관련된 문제로 인해 개발자들은 과충전, 충전 부족 또는 과온 조건이 발생할 경우 일정한 조치를 취해야 한다. 이러한 조치는 통제된 방식으로 배터리 시스템의 전원 공급을 완전히 차단할 정도로 매우 엄격하게 이루어질 수 있다. 예를 들어 주 모니터 같은 단일 데이터 소스에 의존하는 상황에서는 그러한 결정을 내리기가 쉽지 않을 수 있다. 하지만 백업 모니터를 통해 제공되는 추가 데이터 소스(즉, 또 다른 선택권)를 마련하면 주 모니터가 고장 나 관련 데이터를 신뢰할 수 없는 경우 등에 시스템에서 올바른 결정을 내리도록 하는 데 도움이 될 것이다.
앞의 두 가지와 이러한 세 가지 이점은 백업 또는 안전 모니터를 단순한 고려 사항에 두지 않고 필수적으로 채택해야 한다는 점을 뒷받침하는 충분한 사유가 된다.



모니터링 대상 선택



지금까지 안전 또는 백업 모니터를 사용해야 할 충분한 이유를 확인했으므로 이제는 모니터의 형태와 모니터링 대상을 선택해야 한다. 완전한 예비 형태(두 번째 주 모니터)로 할 것인지, 주 모니터 기능의 일부를 포함할 것인지, 완전히 다른 사양을 갖추게 할 것인지에 대해서도 고려해야 한다.
이에 대한 해답을 얻으려면 위에서 언급한 요소들을 검토해야 한다. 많은 비용을 추가하지 않으면서 리튬 이온 배터리의 단점에 대응하고 새로운 안전 요구 사항을 충족하려면 다음과 같은 사양을 백업 모니터에 포함해야 한다.
·과전압(OV), 부족 전압(UV) 및 과온(OT) 조건에 대한 경보 발생. 개발자가 경보마다 각기 다른 조치를 수행하도록 하려는 경우에는 조건별로 서로 다른 경보를 지정하는 것이 바람직할 수 있음
·단일 지점 장애를 완화하도록 주 모니터와 완전히 별개로 작동(즉, 별도의 입력, 전원 공급 장치 및 레퍼런스)
·회로 및 경보 작동을 확인할 수 있는 진단 사양 포함
·소프트웨어에 대한 의존성을 완화하는 데 적합한 하드웨어 전용 솔루션
·대량 생산이 가능한 대부분의 리튬 <