배터리 관리 시스템(BMS)의 모니터링 회로 구현
새로운 배터리 기반 전력 시스템에 이용할 모니터링 회로를 설계해야 한다고 하자. 그러면 이 디자인을 비용과 제조용이성 측면에서 최적화하기 위해서 어떠한 전략을 채택할 것인가? 가장 먼저 고려해야 할 사항은 원하는 시스템 구조와 셀 및 관련 장치의 위치를 결정하는 것이다. 기본적인 구조를 결정했으면 최종 제품으로 통신과 상호접속을 어떻게 최적화할 것인가를 비롯해서 회로 토폴로지의 여러 사항들을 절충해야 한다.
글/Jon Munson, Senior Applications Engineer, Linear Technology
새로운 배터리 기반 전력 시스템에 이용할 모니터링 회로를 설계해야 한다고 하자. 그러면 이 디자인을 비용과 제조용이성 측면에서 최적화하기 위해서 어떠한 전략을 채택할 것인가? 가장 먼저 고려해야 할 사항은 원하는 시스템 구조와 셀 및 관련 장치의 위치를 결정하는 것이다. 기본적인 구조를 결정했으면 최종 제품으로 통신과 상호접속을 어떻게 최적화할 것인가를 비롯해서 회로 토폴로지의 여러 사항들을 절충해야 한다.
셀의 폼팩터가 전력 시스템 구조에 중대하게 영향을 미친다. 다수의 소형 셀들을 이용해서 복잡한 형태의 모듈(또는 팩)을 만들 것인가, 아니면 대형 형식 유닛을 이용함으로써 중량 때문에 셀 수를 제한하거나 기타 규격을 제한하도록 할 것인가? 이것이 아마도 설계 흐름의 가장 중요한 문제일 것이다. 시장으로 새로운 셀 형식들이 등장하고 전체적인 제품 구상으로 모듈이나 팩 구조를 좀더 유기적으로 통합하고자 하는 노력들이 이루어지고 있기 때문이다. 예를 들어서 자동차 디자인의 경우에 자동차 전체에 걸쳐서 그렇지 않았으면 비효율적으로 활용되었을 공간으로 배터리를 분산시킬 수 있다.
고려사항
또 다른 중요한 고려사항이 셀(또는 모듈화 그룹), BMS(또는 이의 서브섹션), 최종 애플리케이션 인터페이스 사이에 테스트 신호와 원격측정(telemetry)의 상호접속이다. 경우에 따라서는 일부 데이터 포착 회로를 모듈이나 팩으로 통합함으로써 부품을 교체했을 때 생산 ID, 교정, 활용 지수 등과 같은 중요 정보들을 얻을 수 있다. 이러한 정보는 BMS나 서비스 장비에 유용할 수 있으며 필요한 고전압 정격 배선 수를 최소화할 수 있도록 한다.
그런 다음 특정한 기계 구상으로 지원하려는 셀 수를 상세하게 정한 것에 따라서 모니터링 하드웨어의 토폴로지를 결정할 수 있다. 자동차 애플리케이션은 총 100개 이상의 셀 측정 지점이 통상적이며, 시스템 모듈화가 특정한 전자 어셈블리로 얼마나 많은 수의 셀을 측정할 것인지를 결정한다. 대부분의 경우에 전체적인 셀 숫자를 안전 차단 ‘service plug’를 이용해서 최소한 2개의 전기적 서브섹션으로 분할한다. 그럼으로써 결함이 발생한 경우에 전압을 200V 아래로 유지함으로써 서비스 작업자에게 가할 수 있는 전기적 위험성을 최소화할 수 있다. 대형 팩 형식일 때는 2개의 절연형 데이터 포착 시스템을 이용해서 각기 50개 셀 탭을 지원할 수 있다. 어떤 경우에는 모든 장치를 하나의 경제적인 가격대의 인쇄 회로 어셈블리로 집어넣을 수 있는데 이렇게 하려면 그림 1(a)에서 보는 것처럼 다수의 인터커넥트를 필요로 한다. 그렇지 않으면 전자장치들을 분산시키고 좀더 개별적으로 모듈로 통합할 수 있는데 이렇게 하기 위해서는 원격측정 연동 기법을 필요로 한다.
신뢰할 수 있는 데이터 무결성을 위해서는 자동차 장비에 채택하는 원격측정 기술이 널리 이용되는 CAN 버스 같은 견고한 프로토콜을 이용해야 한다. 진정한 CAN 버스 인터페이스는 다수의 네트워크 층을 포함하나, PHY 층을 신속하게 구현함으로써 효율적인 모듈간 통신을 위한 BMS LAN 구조를 달성할 수 있다. 그림 1(b)는 이와 같은 분산 구조를 보여준다. 이 토폴로지는 다수의 소형 프로세서들로 연산 작업량을 분산시킬 수 있으므로 필요한 데이터 전송 속도를 낮추고 LAN 기법에 따르는 EMI 문제를 줄일 수 있다. 최종적인 BMS 애플리케이션 인터페이스는 메인 시스템 관리 프로세서에 대해서 CAN 버스 접속일 가능성이 높으며, 구체적인 정보 트랜잭션을 정의해야 한다.
또 다른 요소들이 물리적 구조와 모니터링 회로에 영향을 미친다. 리튬이온 셀은 셀 밸런싱을 필요로 하므로 (열 제거를 위해서) 추가적인 열 관리 문제를 제기하고 능동 밸런싱을 필요로 하는 경우에는 전력 변환 회로를 필요로 한다. 전압 리딩을 충전 상태(state-of-charge)와 상관화할 수 있도록 하기 위해서 모듈 전체에 걸쳐서 온도 프로브가 분포됨으로써 지원 회로와 접속 방식을 필요로 한다. 또한 흔히 간과하는 설계상의 고려사항이 제품을 설치에 앞서 꺼두고 있거나 보관하고 있을 때 배터리 고갈이 되도록 낮아야 한다는 것이다. 때로는 추가적인 제어 배선이 필요할 수 있다.
이러한 구조들을 구현할 때 공통적인 측정 기능 블록이 다중채널 ADC, 안전 격리 차단벽, 일정한 수준의 로컬 프로세싱 성능을 포함한다. 그림 2의 회로는 데이터 포착 기능을 구현하기 위한 확장가능 디자인 플랫폼을 보여준다. 이 다이어그램에서는 핵심 부품으로서 Linear Technology의 LTC6803 배터리 스택 모니터 IC와 함께 SPI 데이터 아이솔레이터와 일부 선택적인 특수 용도 회로를 볼 수 있다. 이 회로는 입력 필터와 수동 밸런싱 기능을 이용해서 전체적인 12셀 데이터 포착 솔루션을 달성한다. 이러한 회로를 필요한 만큼 반복함으로써 다수 셀의 측정 시나리오를 구현할 수 있으며, 호스트 마이크로컨트롤러의 로컬 SPI 포트를 공유함으로써 외부적 CAN 버스나 기타 LAN 방식 데이터 링크를 제공한다.
이전 세대의 모니터링 디바이스와 비교해서 가장 크게 향상된 점은 LTC6803은 전력을 차단하거나 셀 스택으로부터 전력을 공급받을 수 있다는 것이다. V+ 핀으로부터 전력이 차단되면 셀 부하가 0으로 떨어진다(나노암페어 레벨 반도체 누설만 존재). 동작 전력이 스위치드 셀 스택 전위로부터 공급되거나 전압이 최소한 셀 스택만큼 높은 동안은 별도의 소스로부터 V+로 전력이 공급된다. 간략히 말해서 LTC6803은 직접적으로 셀 스택으로부터도 전력을 취할 수 있다. 이럴 경우에 가장 낮은 전력 상태(대기 상태 등)가 12μA만을 소비한다. LTM2883 데이터 아이솔레이터는 내부 절연형 DC-DC 컨버터를 포함하는 호스트 프로세서에 의해서 구동된다. 그러므로 호스트와 함께 자동으로 파워다운한다. LTM2883의 매우 유용한 기능이 상당한 양의 호스트 도출 전력을 절연 장치들(배터리 측 등)로 공급할 수 있다는 점이다. 소형 부스트 전원 기능(그림 2에서 LT3495-1)이 이 방식으로 구동되어서 LTC6803을 독립적으로 구동하므로 배터리 셀은 ADC 측정 입력 전류만 공급한다(동적 변환 시에 평균 200nA 미만). 이 회로는 기생전류 배터리 고갈을 절대적으로 최소화하며 동시에 동작 셀 전류 불일치를 제거함으로써 그렇지 않았으면 일어났을 점차적인 셀 불일치를 방지한다.
LTC6803의 유용한 점
LTC6803의 유용한 점은 셀 입력과 같은 정확도의 2개의 미사용 ADC 입력을 제공한다는 것이다. 그럼으로써 적은 추가 회로를 이용해서 온도, 교정 신호, 부하 전류 등의 보조적 측정을 취할 수 있다. 특히 유용한 측정이 그림 2에서 보는 것과 같이 게이티드 저항 분할기(12:1 스케일링 이용, VTEMP1 입력으로 연결)를 이용해서 구현한 전체 배터리 스택의 전압이다. 회로가 파워다운하면 관련 FET가 턴오프하므로 측정 전류가 불필요하게 셀로 부담을 가하지 않는다. 이 포트의 필터링을 셀 입력과 무관하게 맞춤화할 수 있으므로 최대 200sps의 나이퀴스트 샘플링 레이트가 가능하므로 정밀한 전하 흐름 계산이 가능하다. 개별 셀 측정을 이용해서 주기적으로 전체 스택 분할기의 소프트웨어 교정이 가능하므로 저항이 비싼 것일 필요가 없다. 보조 입력의 또 다른 매우 유용한 용도는 고정확도 교정 소스(Linear Technology의 LT6655-3.3 0.025% 정확도 레퍼런스 등)를 측정할 수 있으므로 고유의 채널-대-채널 매칭을 이용해서 소프트웨어가 모든 다른 채널들을 교정할 수 있다는 것이다. 특기할 점은 서미스터 온도 프로브가 셀 전위를 참조할 필요가 없으며 통상적으로 12비트 분해능을 필요로 하지 않는다는 점이다. 이러한 프로브는 마이크로컨트롤러로 직접 연결하기에 적합하므로 고성능 LTC6803의 보조 입력을 좀더 까다로운 기능에 이용할 수 있다.
요약
요약컨대 배터리 관리 시스템 회로를 구현하기 위해서는 많은 요소들을 고려해야 하며 특히 패키징 제약이 까다로운 경우에는 더욱 그렇다. 패키징까지 함께 고려해야 할 때는 전자장치와 정보 흐름의 구조를 고려해야 하며 그러기 위해서는 또한 커넥터 접속과 배선 수 같은 기계적 세부사항들을 고려해야 한다. 이러한 요소들을 고려하고 컨셉을 구체화했으면 LTC6803 플랫폼 같은 경제적인 가격대의 검증된 확장가능 데이터 포착 솔루션을 편리하게 이용할 수 있다.
