연료 게이지 IC로 단순화된 리튬 이온 전지 충전 모니터링

리튬 이온 전지에 의존하는 회로의 경우 전지에 남아있는 충전 양을 결정하기 위해서는 특수 기술이 필요한데 이는 에너지 수확 응용 제품의 설계를 복잡하게 만들 수 있습니다. 엔지니어는 이러한 응용 제품에 보통 사용되는 MCU와 ADC를 특수 기술과 함께 구현할 수 있지만 이렇게 되면 더욱 복잡해 집니다. 대신 엔지니어는 Linear Technology, Maxim Integrated, STMicroelectronics, Texas Instruments 등에서 제작된 전용 ‘연료 게이지’ IC를 사용하여 기존 설계에 이 기능을 쉽게 추가할 수 있습니다.

리튬 이온 배터리의 충전 상태(SOC)를 결정하는 것은 핵심적이지만 전지 종류별로 동일한 전지 내에서도 용량의 차이가 크기 때문에 어렵습니다. 리튬 이온 전지는 오래될수록 충전을 저장하는 능력을 상실합니다. 이에 따라 완전히 충전됐다고 하더라도 오래된 전지는 새 전지에 비해 사용 가능한 전압을 더 짧은 시간 동안에만 전달할 수 있습니다. 리튬 이온 전지는 온도와 방전율에 따라 SOC가 크게 변동하기 때문에 전지별로 독특한 곡선군이 나타나게 됩니다(그림 1).

그림 1: Panasonic VL 계열과 같은 리튬 이온 저장 장치의 출력 전압은 온도, 방전율, 전지 수명 등 여러 요소에 영향을 받습니다(Panasonic 제공).

리튬 이온 기술 특유의 출력 전압 곡선이 나타나는 성격으로 인해 SOC 결정이 복잡해집니다. 다른 기술의 경우 개방 회로 전압(OCV)은 충전 상태에 대한 신뢰할 수 있는 지표입니다. 그러나 Panasonic VI 계열과 같은 리튬 이온 전지의 경우 상대적으로 일정한 전압 출력 곡선으로 인해 이 방법은 더욱 어렵게 됩니다(그림 1). 대신 리튬 이온 배터리 모니터링 방법은 보통 쿨롱 또는 임피던스 측정에 의존합니다. 쿨롱 측정은 시간에 따른 전류 방전량을 추적하고 임피던스 측정은 전지의 SOC와 내부 임피던스 간 관계를 이용합니다.

각 방법은 배터리 출력 전류와 전압에 대한 주의 깊고 연속적인 측정 및 이후 이 값과 전압을 SOC에 연결시키는 모델 간 세심한 비교 분석이 요구됩니다. 에너지 수확 응용 제품의 경우 엔지니어는 에너지 수확 응용 제품에 대한 핵심 기능을 제공하는 장치인 MCU와 ADC를 종종 활용할 수 있습니다. Microchip Technology MCP3421과 같은 ADC를 사용하여 MCU가 분석할 수 있도록 전류와 전압 출력을 측정할 수 있습니다(그림 2). 이에 따라 MCU는 SOC 알고리즘을 실행하거나 SOC 색인표에서 측정된 값을 이상적인 값에 비교하거나 알고리즘 분석과 데이터 색인의 조합에 의존합니다.

그림 2: 엔지니어는 MCU에게 SOC 측정을 위해 전지 전압 및 전류 측정을 제공하는 Microchip MCP3421과 같은 ADC를 사용하여 연료 게이지 기능을 시행할 수 있습니다(Microchip Technology 제공).

연료 게이지 IC는 통합 솔루션을 제공하여 ADC 및 이산 부품 대신 단일 장치로 고도의 SOC 측정 방법을 시행하고 그 결과를 MCU에 전송합니다(그림 3). 대부분의 연료 게이지 IC는 쿨롱 측정 방법을 통해 전류 감지 저항기에 걸친 전압을 측정하여 리튬 이온 전지의 SOC를 추산하기 위한 전류 방전을 추적합니다.

그림 3: 일반적인 응용 제품의 경우 전용 연료 게이지 IC는 감지 저항기에 걸쳐 전압을 측정하고 계산된 SOC 결과 및 기타 충전 정보를 MCU에 전달하여 전지 전류를 모니터합니다(Texas Instruments 제공).

Linear Technology LTC2941-1과 같은 고급 연료 게이지 IC는 전용 쿨롱 카운터를 온도 보정된 온칩 감지 저항기에 결합하여 정확도를 향상시킵니다. 이 경우 쿨롱 카운터는 내부 감지 저항기에 걸쳐 발생하는 전압 모니터링을 통해 측정한 데이터를 통합하여 충전을 추산합니다(그림 4). LTC2942-1은 LTC2941-1의 기능에 온도 및 전압 측정을 수행할 수 있는 능력을 추가합니다.

그림 4: Linear Technology LTC2941-1과 같은 연료 게이지 IC는 SOC 추산을 위해 혼합 신호 쿨롱 카운트 회로망을 통합합니다(Linear Technology 제공).

연료 게이지 IC는 일반적으로 SOC를 단일 값으로 전송합니다. 이와 달리 Linear의 LTC4150 연료 게이지 IC는 배터리의 내부 및 외부로 흘러 들어오거나 나가는 고정 충전량에 대응하는 연속적인 출력 펄스로 결과를 전송합니다.

쿨롱 카운팅은 연료 게이지 IC에 일반적으로 사용되는 방법이지만 많은 장치는 온도와 전지 수명 효과를 감안하여 결과를 재조정하는 데 일반적으로 사용되는 주기적 전압 측정과 쿨롱 카운팅을 결합합니다. Maxim Integrated DS2786B는 전지가 충전 및 방전함에 따라 전지에 들어오거나 나가는 충전을 카운팅합니다. 응용 제품이 작동하면 DS2786B는 전지 전압이 안정되기까지 충분한 시간을 지연시킨 후에 전지 OCV 측정을 수행합니다. OCV 측정에 따라 장치는 온칩 OCV 전지 모델을 사용하여 저장된 쿨롱 카운트 값을 조정합니다. DS2786B의 EEPROM에 저장된 모델은 SOC를 전압 곡선 상 여러 특정 지점에서의 전압과 연결시킵니다(그림 5).

그림 5: Maxim Integrated DS2786B는 개방 회로 전압을 SOC 에 연결시키는 리튬 이온 전지용 온칩 모델을 제공합니다(Maxim Integrated 제공).

전원을 켤 때 DS2786B는 초기 전압 측정을 수행하고 OCV 전지 모델 데이터를 사용하여 충전 측정의 시작점을 결정합니다. 다음 OCV 측정을 통해 오류를 바로잡을 수 있습니다. 전지가 오래될수록 이 장치는 용량의 변화를 감안하여 결과를 조정합니다.

STMicroelectronics STC3115는 전용 OptimGauge 적응 알고리즘을 사용하여 SOC를 추적하고 온칩 배터리 모델을 업데이트하여 온도, 노화 및 배터리 유형별 온칩 프로파일에 저장된 전지 특성과의 차이를 감안합니다. 온칩 시그마 델타 ADC는 SOC 추적 및 모델 업데이트에 필요한 배터리 전압, 전류 및 온도 값을 측정합니다. 고속 충전 또는 방전 기간 동안 이 장치는 쿨롱 카운팅을 사용하여 SOC를 추산합니다.

전력에 민감한 응용 제품을 위해 이 장치는 전류 감지를 사용 중지할 수 있는 저전력 작동 모드를 포함합니다. 엔지니어는 STC3115를 정상 및 저전력 작동 간 전환하도록 프로그래밍하여 활동 기간 중에는 정확도를 극대화하고 대기 기간 중에는 전력 소비를 최소화할 수 있습니다.

저전력 작동용으로 설계된 Texas Instruments bqJUNIOR™ 계열은 동작 모드 시 90 µA 미만, 절전 모드 시 2.5 µA 미만 및 데이터 보존 중간 절전 모드 시 20 nA 미만을 소비하는 다중 저전력 작동 모드를 제공합니다. bq27210과 같은 bqJUNIOR 장치는 배터리 수명, 기온, 자가 방전 및 방전율을 보정한 용량 정보를 제공합니다. 매 방전 사이클마다 이 장치는 온칩 레지스터에 저장된 값을 전류, 용량, 완전 방전까지 소요 시간, SOC, 전지 온도, 전지 전압, 상태 등을 고려하여 자동으로 재조정합니다.

또한Texas Instruments는 임피던스 측정을 사용하여 리튬 이온 전지용 SOC를 추산하는 TI 전용 임피던스 추적 방법을 시행하는 연료 게이지 IC를 제공합니다. 임피던스 추적을 사용하면 온칩 모델 파라미터를 업데이트하기 위해 전지 성능을 모델링하거나 재조정 시퀀스를 수행하지 않아도 됩니다. TI bq27421-G1 및 bq27425-G2 같은 임피던스 추적 IC는 모델링이나 학습 없이도 배터리 잔여 용량을 계산하고 배터리의 전체 수명 및 여러 다른 작동 여건에 걸쳐 높은 정확도를 제공할 수 있습니다.

결론

리튬 이온 전지 SOC의 정확한 추산은 세밀한 전지 전압 및 전류 측정을 필요로 합니다. 일부 에너지 수확 응용 제품의 경우 엔지니어는 이미 준비된 MCU와 ADC를 사용하여 필요한 측정 및 분석을 수행할 수 있습니다. 단일 칩 연료 게이지 IC는 고도의 측정 방법을 통합하여 SOC 결정을 위한 단순한 솔루션을 제공합니다. 사용 가능한 연료 게이지 IC를 사용하여 엔지니어는 에너지 수확 응용 제품에 리튬 이온 전지 충전 및 용량에 대한 정확한 정보를 전달하기 위해 필요한 기능을 쉽게 추가할 수 있습니다.

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