성능 극대화한 리튬 이온 배터리 감시 시스템

http://www.semiconnet.co.kr/news_read.asp?seno=9104


성능 극대화한 리튬 이온 배터리 감시 시스템



인터실의 ISL78600은 차세대 리튬 이온 셀로 전기 및 하이브리드 전기 차량의 요구 사항을 만족시킨다. 제품은 통합된 14-비트 ADC와 첨단 입력 설계를 통해 새로운 리튬 이온 화학 기술에서 얻을 수 있는 최고 성능에 필요한 정밀도를 제공한다.


글/토니 알렌(Tony Allen), 인터실


리튬 이온 배터리는 전기 및 하이브리드 차량에서 극적인 성능 향상을 제공하며, 반도체 디바이스의 새로운 시대를 구축하고 있다. 이러한 디바이스들은 보장된 배터리 성능을 제대로 얻기 위해 리튬 이온 셀들을 감시 및 관리해야 한다. 만일 그렇지 못할 경우 충전 상태에서 200km를 운행해야 하는 차량이 180km 지점에서 멈출 수도 있기 때문이다. 동일한 이유로 새로운 반도체 감시 기기들이 높은 신뢰도로 배터리 오류를 감지해야 하는 것 역시 중요하다. 즉, 리튬 이온 셀뿐만 아니라 감시 시스템 자체도 감시해야 한다는 것이다.

이와 같은 고려사항들은 전자기기들이 점점 큰 역할을 담당함에 따라 자동차 업계에서 흔해지고 있다. 리튬 이온 배터리는 완전히 새로운 안전 고려사항과 많은 수의 개별 셀을 지닌 고전류 시스템을 가져온다. 이 시스템은 각 셀의 상태를 연속적으로 측정하기 위해 다수의 반도체 감시기를 사용해야 한다. 이러한 업무를 처리하기 위해 모든 감시 디바이스는 절대적인 신뢰성을 지닌 채 서로 통신해야 하며, 이는 전자파 장애(EMI)가 많은 차량 환경에서는 특히 어려운 요구이다. 이와 같은 요구 사항을 고려해 볼 때, 좋은 리튬 이온 감시 시스템의 중요한 기준을 다음과 같이 4가지로 정리할 수 있다.



- 정밀도: 감시 시스템은 배터리 배열에서 최고의 성능을 얻기 위해 각 리튬 이온 셀의 충전 상태를 정밀하게 측정해야 한다. 얼마나 정확할 것인가에 대한 정답은 사용되는 셀의 종류마다 다르다.

- 완벽한 진단: 시스템은 각 셀의 상태를 감시하는 것뿐만 아니라, 모든 부품이 예상된 정밀도로 작동하도록 하기 위해 시스템 자체의 기능을 지속적으로 확인해야 한다.

- 안정적인 통신: 감시 시스템의 모든 부품들은 조화롭게 작동해야 하므로 안정적인 상호 통신이 필수적이다. 잡음 환경에서 이와 같은 요구사항은 가장 일반적인 통신 방법들을 사용하기 어렵게 만든다.

- 안전: 감시 시스템은 리튬 이온 셀을 적절하게 관리하여 오류와 안전 문제를 예방해 준다. 오류가 발생했을 때, 시스템은 잘못된 경보를 발생시키지 않는 동시에 적절한 동작을 취해야 한다.



반도체 업체들은 오랫동안 리튬 이온 배터리 관리 디바이스를 제공해 왔지만, 최근에야 비로소 대형의 차량 배터리 배열을 위한 특정한 요구사항을 충족시키는 디바이스들이 개발되었다. 본문에서는 새로운 세대의 리튬 이온 감시 디바이스가 지닌 요구 사항과 첨단 전기 및 하이브리드 차량을 가능하게 하는 감시 디바이스의 중요한 역할을 설명하려고 한다.




감시 디바이스의 분해를 예방하는 법



그림 1은 하이브리드 차량용 리튬 배터리 배열의 기본 레이아웃이다. 이 예제에서 배열은 각각 12개의 셀을 지닌 8개의 팩으로 구성되어, 총 96개의 리튬 이온 셀을 지닌다. 팩 안의 셀들은 서로 직렬로 연결되며, 각각의 셀은 감시 디바이스로 연결된다.



비록 전반적인 관리를 위해 마이크로컨트롤러가 사용될 수는 있지만, 직렬로 연결된 배터리 팩은 마이크로컨트롤러가 직접 처리하기에는 너무 높은 50V 이상의 전압을 지닐 수 있다. 뿐만 아니라 배터리 시스템은 일반적인 팩 전압보다 몇 배 높은 과도 전압을 생성할 수도 있다. 셀 감시 회로는 이와 같은 과전압을 견뎌야 하며, 때때로 과도한 환경하에서도 작동해야 한다.

배터리가 처음 연결되는 순간부터 도전은 시작된다. 보통 커넥터 설계에 있어 연결 시퀀싱은 가격 때문에 고려사항이 되지 못한다. 때문에 감시 디바이스가 처음 직면하게 되는 일은 무작위 연결이다. 감시 디바이스는 이러한 상황에서 발생하는 전압을 쉽게 견딜 수 있는 반면에, 전류는 또 다른 문제가 될 수 있다.

비보호 시스템 내부에서 외부 커패시터를 충전시키는 배터리 전류 값은 수 암페어에 달한다. 이러한 전류는 불가피하게 일부 전자 부품으로 흐르게 되며, 보통은 연결된 IC 내부의 ESD(Electrostatic Discharge) 보호 회로로 흘러간다. 그리고 이는 결국 IC의 고장을 야기하게 된다. 대부분의 경우, 이러한 전류를 제한하기 위한 유일한 방법은 배터리 단자에 일직선으로 레지스터를 배열하는 것이다.

불행히도 이러한 레지스터를 통한 누설 전류가 감시 디바이스의 전압 측정을 불안정하게 만들기 때문에, 레지스터의 사용은 일반적으로 감시 디바이스의 정밀도를 감소시킨다. 높은 측정 정밀도를 보장하기 위해서 누설 전류는 낮고 예측 가능한 값으로 유지될 필요가 있는데, 이는 전형적인 바이폴라 트랜지스터 입력 회로에서는 어려운 일이다. 최신 감시 디바이스는 누설 전류를 더욱 예측 가능하게 만들어 측정 정밀도를 크게 향상시키는 새로운 전하 이동 구조를 사용한다.




정밀도



감시 디바이스는 작동 시 초 당 100번씩 각 셀의 전압을 측정한다. 이러한 측정치를 기반으로 차량의 충전 시스템은 각 셀의 방전 주기 위치를 판단할 수 있다(최고 전압으로 시작하여 특성 곡선으로 감소한다). 온도 및 전류 측정치를 포함한 이 정보는 배터리의 잔여 전하 계산을 가능하게 하여 차량의 운행 거리를 계산할 수 있다.

각 셀의 방전 주기는 화학 기술에 의존한다. 최근 들어 리튬 이온 셀 화학 기술이 향상되어 최신 셀은 낮은 내부 임피던스와 높은 수명 특성을 지닌다. 또한 이러한 화학 기술의 향상은 방전 곡선을 평탄하게 만든다. 결과적으로 새로운 세대의 감시 디바이스는 방전 곡선 경사의 작은 변화를 측정하는 뛰어난 정밀도를 지녀야 한다.

방전 곡선의 경사가 셀의 잔여 전하를 나타내므로 측정 정밀도는 운행 거리 계산 정밀도에 직접적인 영향을 준다. 예를 들어 방전 곡선의 중간에 있는 리튬 이온 인산 셀은 전체 전하에서 퍼센트 당 단지 1mV의 전압 경사를 지닌다. 2% 정밀도로 전체 전하를 측정하기 위해서 +/-2 mV의 측정 정밀도가 충전 시스템에 필요하다.

셀 불균형은 상황을 더욱 복잡하게 만든다. 셀이 노후화되면서 용량은 감소하며, 몇몇 셀은 다른 셀들보다 더 크게 감소할 수 있다. 엄밀히 말하면 소프트 쇼트(매우 높은 저항 쇼트)는 셀 내부에서 자가 방전을 야기할 수 있어 시간의 흐름에 따라 전하가 감소한다. 단일 셀 팩에서 이러한 셀은 재충전되어 용량 손실이 없다.

하지만 다중 셀 팩에서 불균형은 불완전한 충전을 야기한다. 만일 팩 내 하나의 셀이 30% 충전되었는데 반해 다른 셀들이 33% 충전되었다면, 이 셀들이 100% 충전되더라도 하나의 셀은 충전이 완벽히 되지 않는다. 시간이 흐르고 충전이 반복되면서 배터리의 전체 에너지 용량이 크게 줄어들기 전까지 이러한 불일치는 더욱 커진다. 팩 내부의 가장 약한 셀은 사용가능한 전체 에너지를 결정하게 된다.



배터리의 최대 용량(약속된 차량 운행 거리)을 얻으려면 모든 셀이 동일하게 충전되도록 배터리 관리를 위한 셀 균형이 필요하다. 감시 디바이스는 균형을 얻기 위해서 셀 측정치를 마이크로컨트롤러에 보내며, 마이크로컨트롤러는 최적의 균형 전략을 결정하는 균형 알고리즘을 실행시킨다. 배터리를 충전하기 전에 마이크로컨트롤러는 가장 많이 충전된 셀의 전하를 흘려보내는 회로를 감시 디바이스가 켜도록 한다. 그 후 모든 셀은 100%로 충전될 수 있다.




진단, 통신, 안전



현재 리튬 이온 셀의 제조 방식은 예전보다 셀을 더욱 안전하게 만들지만, 이들을 적절하게 관리하고 배터리 시스템의 오류를 검출하는 것은 여전히 중요하다. 감시 디바이스는 셀 과전압과 저전압, 과열과 같은 요소들을 주기적으로 측정해야 한다. 더 나아가 감시 디바이스는 적절한 전원 공급기 레벨과 전압 및 온도용 감시 와이어 절단 같은 시스템 무결성 문제를 감시해야 한다.

오류 검출은 통신 응답을 작동시키며, 감시 디바이스로부터 로직 오류 출력을 설정한다. 선택적으로 감시 디바이스는 특정한 오류 발생 시, 마이크로컨트롤러의 개입 없이도 시스템을 자동으로 즉각 종료하도록 설정될 수 있다. 다양한 종류의 오류에 대한 응답 특성이 프로그래밍 될 수 있으므로 차량 제조사는 전 세계 모든 시장에 맞게 적절한 선택을 할 수 있다.

감시 디바이스는 감시 디바이스들 뿐만 아니라 마이크로컨트롤러와 오류 검출 내역을 통신해야 하므로 (필요할 경우 전체 시스템을 종료하기 위해서) 통신은 매우 중요한 역할을 담당한다. 표준 CAN 또는 SPI 인터페이스는 마이크로컨트롤러와 안정적인 통신을 가능하게 하지만 모든 감시 디바이스 사이에 이러한 인터페이스를 사용하면 불필요한 비용이 더해지게 된다. 절연체를 포함한 CAN 인터페이스는 감시 디바이스 당 몇 달러의 비용을 요구하지만, 특화된 인터페이스는 적은 비용으로도 이 작업을 수행할 수 있다.



최상의 솔루션은 완벽하게 차동이면서 일부 기존 인터페이스의 일시적인 민감도를 회피하도록 설정된 직렬 연결 방식의 2선식(daisy-chain) 통신 인터페이스이다. 하지만 만일 감시 디바이스 자체에 문제가 생기면 어떻게 될까? ISO26262 사양은 잔여 오류(검출되지 않는 오류) 발생율을 허용 가능한 수준으로 낮추기 위해 싱글 포인트와 멀티포인트 오류의 통계 분석을 사용하여 이와 같은 요구 사항을 보장하도록 한다.

배터리로 동작하는 전자 제품의 사양은 안전한 상태를 유지하기 위해 전자 제품 기능에 문제를 가져오는 어떠한 오류도 검출하고 보고하는 기능을 필요로 한다. 예를 들어 감시 디바이스는 셀 전압 측정치가 사전에 정해진 범위 내에서 정밀하게 유지되고 과다한 열 발산으로 부품에 손상을 줄 수 있는 쇼트를 검출하도록 보장한다. 그러므로 감시 디바이스는 자신의 오류를 스스로 진단하고 오류 발생 시 적절한 동작을 취해야 한다.




ISL78600의 이점



인터실의 ISL78600은 차세대 리튬 이온 셀로 전기 및 하이브리드 전기 차량의 요구 사항을 만족시킨다. 제품은 통합된 14-비트 ADC와 첨단 입력 설계를 통해 새로운 리튬 이온 화학 기술에서 얻을 수 있는 최고 성능에 필요한 정밀도를 제공한다. 또한 제품의 통합된 시스템 감시 및 진단 기능은 안전하고 안정적인 작동을 강조하는 동시에 오류 검출 입력 필터링은 잘못된 경보를 제거한다. 이와 같은 안전 관련 기능은 ISL78600이 단독 부품으로 ASIL(Automotive Safety Integrity Level) C 적합성에 근접하도록 만들어준다.