고급 배터리 모니터, 전지 밸런싱, I/O 절연을 사용하여 견고한 BMS 코어 설계

재충전 가능 배터리는 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)의 기본적인 요소로, 더 높은 전압에서 보다 효율적인 작동을 제공하기 위해 다양한 화학계가 수 십, 수 백, 수 천개의 전지로 구성된 팩에 점점 더 많이 결합/사용되고 있습니다. 배터리 관리 시스템(BMS) 설계자에게 이러한 구성은 최적의 성능, 효율성, 신뢰성, 안정성을 달성하기 위한 여러 가지 과제를 제시합니다.

예를 들어, 이러한 응용 제품의 요구 사항을 충족하는 데 필요한 집적 회로(IC)를 설계하거나 선택하려면 효과적인 구현을 위한 배터리 화학계, 충전, 모니터링, 부하 밸런싱, 절연, 보안, 통신, 기술에 대한 심도 있는 이해가 필요합니다.

이러한 과제를 해결하기 위해 벤더는 여러 필요한 기능을 프로세서에 독립적인 대부분의 특수 IC에 통합해 왔습니다. 이러한 IC의 대부분은 다양한 리튬 기반 배터리 화학계뿐만 아니라 무리튬 전지를 지원합니다. 이러한 IC는 배터리 전지 데이터를 수집하고 최적의 실시간 배터리 관리 결정 및 조치를 수행합니다. 또한 전지 상태에 대한 시스템 프로세서에 데이터를 제공합니다.

이 기사에서는 다중 전지 배터리 팩의 고유한 요구 사항을 간략하게 검토합니다. 그런 다음, Analog Devices의 정교한 주문형 IC를 소개하고 이러한 요구 사항을 충족하는 데 해당 장치를 사용할 수 있는 방법을 설명합니다.

추가적인 과제를 제시하는 다중 전지 팩

여러 전지가 더 높은 전압을 위해 직렬로, 더 큰 전류를 위해 병렬로 배치된 배터리 팩의 기본 배선 구성도는 매우 단순해 보입니다. 이는 이러한 배열이 단일 전지나 몇 개의 전지를 묶은 팩을 단순히 확장한 것에 불과하며, 관리가 거의 필요하지 않음을 의미합니다. 이렇게 여러 개의 전지로 구성된 팩은 18V 또는 48V를 필요로 하는 전동 공구, 400V 또는 800V를 필요로 하는 전기차(EV), 대개 1,500V를 필요로 하는 BESS에 사용됩니다.

이러한 대형 배터리 팩은 실제로 회로 구성도에 나타나는 것보다 훨씬 더 많은 미묘한 특성과 복잡성을 가지고 있습니다. 전지와 팩 수의 증가로 인해 관리 문제는 기하급수적으로 증가합니다.

첫째, 각 전지는 단자 전압, 충전/방전 프로파일, 충전 상태(SoC), 온도, 임박한 고장의 조짐을 나타내는 징후를 모니터링해야 합니다. 또한, 차이점을 고려하면서 다양한 전지를 전체적으로 관리해야 합니다.

보편적인 규칙 세트가 없기 때문에 배터리 전지 관리의 복잡성은 더해집니다 적절한 전략은 또한 전지 화학계에 따라 달라집니다. 예를 들어, 리튬 이온(Li-ion)과 납축 같은 주요 화학계 간에도 다르고, 다양한 Li-ion 배합처럼 지정된 광범위한 화학계 내에서도 다릅니다. 따라서 고수준 BMS 전략은 전지의 화학계에 따라 조정되어야 합니다.

고전압·대용량 배터리 팩에 포함된 수많은 전지와 이러한 팩이 준수해야 하는 여러 안전 규정으로 인해, 로컬 전지 모니터링 및 관리가 가장 현실적인 공학적 해결책입니다. 일반적으로 시스템에는 호스트 프로세서가 있지만, 이는 보통 로컬 전지 관리에 대한 상위 수준의 감독 지침 제공과 배터리 팩의 전체 성능 평가만 수행할 수 있습니다. 개별적인 배터리 전지 모니터링 및 관리는 실시간 기능을 제공하고 대체로 시스템 수준의 프로세서 개입 없이 작동하는 자율 전자 장치에 의해 수행됩니다.

수동 및 능동 전지 밸런싱

전지 밸런싱은 다중 전지 팩의 무결성을 유지하고, 과도한 압력이 가해지거나 과소로 사용되는 전지가 없도록 보장하는 데 매우 중요합니다. 이는 배터리 전지 및 팩에 대한 손상을 방지하여 성능을 극대화시킵니다. 밸런싱 기능은 팩 내의 모든 전지가 동시에 최대 용량에 도달하도록 보장하여 과충전, 고르지 않은 SoC, 과도한 방전, 조기 성능 저하를 방지함으로써 궁극적으로 배터리 수명을 연장합니다.

밸런싱에 대해 능동 및 수동의 두 가지 접근 방식이 있습니다. 능동 밸런싱은 수동 밸런싱보다 정확하고 빠르지만 구현하기가 더 복잡합니다. 능동 밸런싱은 배터리 팩 내의 전지 간에 전하를 재분배하는 능동 회로망을 사용하여 모든 전지가 동일한 SoC를 갖도록 합니다. 이 회로망은 각 전지의 전압을 모니터링하고 그에 따라 전류의 충전 및 방전을 조정합니다.

이와 대조적으로, 수동 밸런싱은 옴의 법칙에 따라 그리고 밸런스 저항기를 사용하여 전지의 SoC를 동일하게 맞춥니다. 수동 밸런싱은 능동 밸런싱에 비해 정확도가 떨어지고 느릴 뿐만 아니라, 더 많이 충전된 전지의 초과 에너지를 소모합니다.

다중 전지 모니터링으로 시작

많은 ESS 솔루션을 손쉽게 사용할 수 있지만, BMS의 필수적인 두 가지 핵심 기능은 개별 전지의 모니터링 및 밸런싱입니다. ADES1830CCSZ 16채널, 다중 전지, 다중 화학계 배터리 모니터(그림1)와 같은 IC는 이러한 기능을 처리하고, 전체적인 시스템 설계 및 작동을 지원하고 간소화하는 여러 중요 기능을 추가합니다.

그림 1: The 다중 전지, 다중 화학계 ADES1830CCSZ 배터리 전지 모니터는 포괄적인 BMS를 위한 기본적인 빌딩 블록으로 사용됩니다(이미지 출처: Analog Devices).

이 다중 전지 배터리 스택 모니터는 최대 16개의 직렬 연결 배터리 전지를 측정하며, 전체 온도 범위에서 수명 주기 동안의 총 측정 오차(TME)가 2mV 미만입니다. 한편, 동일한 계열의 ADES1831CCSZ는 TME가 5mV로 약간 더 높습니다. -2V ~ 5.5V의 측정 입력 범위를 가진 ADES1830 및 ADES1831은 대부분의 배터리 화학계에 적합합니다.

다수의 전지로 구성된 팩을 모니터링할 때 일관성을 유지하기 위해, 모든 전지는 이중 필수 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 사용하여 동시에 중복적으로 측정해야 합니다. 이러한 ADC는 4.096MSPS(초당 메가 샘플 수)의 높은 샘플링 레이트로 연속 작동하므로 외부 아날로그 필터링을 줄이고 애일리어스 없는 측정 결과를 실현할 수 있습니다. 필요한 경우, 후속의 프로그래밍 가능 무한 임펄스 응답(IIR) 필터를 통해 잡음을 추가적으로 줄일 수 있습니다. ADES1830 및 ADES1831은 또한 각 전지에 대한 개별 펄스 폭 변조(PWM) 듀티 사이클 제어와 최대 300mA(밀리암페어)의 충전 전류를 사용하는 수동 밸런싱을 사용합니다.

단일 ADES1830 또는 ADES1831 장치는 직렬로 연결된 16개의 전지만 지원하지만, 여러 장치를 결합하면 긴 고전압 배터리 스트링을 구성하는 전지를 동시에 모니터링할 수 있습니다. 이러한 IC 간 연결을 지원하기 위해 각 장치에는 RF 내성을 가진 고속,·장거리 통신을 가능하게 하는 isoSPI(절연 직렬 포트 인터페이스)가 포함되어 있으며, 사용자가 선택한 커패시터나 변압기를 통해 격리됩니다.

이러한 방식으로, 단일 호스트 프로세서 연결을 통해 데이터를 읽고 전체 스트링을 감독할 수 있습니다. 이 직렬 포트 링크는 양방향으로 작동할 수 있으므로 통신 경로를 따라 고장이 발생하는 경우에도 무결성이 보장됩니다.

이러한 다중 전지 모니터의 활용성을 최대화하기 위해 Analog Devices는 EV-ADES1830CCSZ 평가 기판을 제공합니다(그림 2, 왼쪽). 사실성을 더하기 위해, isoSPI 인터페이스를 통해 여러 평가 기판을 연결하여 스택 내의 긴 일련의 전지를 모니터링할 수 있습니다(그림 2, 오른쪽).

그림 2: ADES1830 및 ADES1831을 위한 EV-ADES1830CCSZ 평가 기판(왼쪽)에는 전지 전압 판독을 위한 다중 채널 입력, 전지 밸런싱 회로망, isoSPI 포트 연결(오른쪽)이 포함되어 있습니다(이미지 출처: Analog Devices).

최적의 성능을 위한 고급 전지 밸런싱

대형 다중 전자 팩의 성능을 최적화하는 데에는 고급 전지 밸런싱이 필요합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Analog Devices는 고전압 및 저전압 배터리 모듈을 관리하도록 설계된 14채널, 고전압, 다중 화학계 배터리 밸런싱 IC 데이터 획득 시스템인 ADES1754GCB/V+(그림 3)를 제공합니다.

그림 3: ADES1754GCB/V+ 14채널, 고전압 다중 화학계 데이터 획득 IC는 고급 배터리 밸런싱 기술을 지원합니다(이미지 출처: Analog Devices).

이 시스템은 162μs(마이크로 초) 내에 완전한 이중화 측정 엔진을 통해 14개 전지 전압과 6개 온도 조합을 측정할 수 있습니다. 또는 99μs 내에 ADC 측정 엔진을 통해 모든 입력을 단독으로 평가할 수 있습니다.

능동 전지 밸런싱의 경우 300mA 이상의 전지 밸런싱 전류에 대해 정격화된 14개 내부 밸런싱 스위치가 있으며 이는 포괄적인 내장 진단 기능을 지원하도록 스위칭할 수 있습니다. 이러한 스위치를 사용하여 IC는 개별 전지 타이머 또는 전지 전압에 따라 자동화된 밸런싱을 구현하도록 구성할 수 있습니다. IC는 또한 비상 방전 모드를 제공합니다.

최대 32개의 이러한 장치를 데이지 체인 방식으로 연결하여 448개 전지를 관리하고 192개 온도를 모니터링할 수 있습니다. -2.5V ~ 5V 범위의 전지 및 버스바 전압은 65V 공통 모드 범위에서 차동 측정되며 일반적인 정확도는 100μV입니다. 이 시스템은 견고한 통신을 위해 Analog Devices의 배터리 관리 UART 프로토콜을 사용하고 외부 장치 관리를 위해 I²C 컨트롤러 인터페이스를 지원합니다.

ADES1830 및 ADES1831과 마찬가지로, Analog Devices는 디자인인 경험을 향상시키고 설정 기간을 줄이기 위한 ADES1754EVKIT#(그림 4, 왼쪽) 평가 기판을 제공합니다. 기판의 물리적 레이아웃(그림 4, 오른쪽)은 여러 격리된 프로세서 I/O뿐만 아니라 배터리 전지에 대한 효율적 연결을 위해 최적화되었습니다.

그림 4: ADES1754EVKIT#(왼쪽)은 ADES1754의 디자인인 프로세스를 가속화하고, 이 장치의 물리적 레이아웃(오른쪽)은 다중 배터리 전지뿐만 아니라 격리된 프로세서 I/O에 대한 효율적 연결을 위해 최적화되었습니다(이미지 출처: Analog Devices).

이 키트는 IC의 기능과 특성뿐만 아니라 전기적 파라미터를 평가하기 위한 편리한 플랫폼을 제공합니다. 이 키트의 수직 통신 커넥터와 스냅-앤-락 배터리 팩 커넥터를 통해 사용자는 최대 32개의 데이지 체인 방식 장치로 구성된 시스템을 신속하게 구축하고 평가할 수 있습니다.

통신 및 안전 절연으로 BMS 코어 완성

배터리 팩의 높은 전압과 관련된 명백한 안전 문제로 인해, BMS 컨트롤러와 개별 배터리 모니터링 장치 간의 통신 링크에는 갈바닉(옴) 절연을 포함하도록 의무화되어 있습니다. 일부 측정 및 모니터링 IC는 이러한 절연을 직접 제공하지만 대부분의 IC는 그렇지 않습니다.

이 요구 사항이 회로망의 필수 구성 요소가 아닌 경우 이를 구현하기 위해, Analog Devices는 단일 채널 ADBMS6821(그림 5, 왼쪽)과 이중 채널 ADBMS6822를 제공합니다. 이 드롭인 호환이 가능한, AEC-Q100 인증 IC는 양방향 isoSPI 통신을 구현하므로 각 데이터 링크에 대해 단일 연선 쌍 연결을 사용하여 장치를 격리합니다(그림 5, 오른쪽).

그림 5: 단일 채널 ADBMS6821(왼쪽)과 이중 채널 ADBMS6822는 양방향 isoSPI 통신을 제공하기 위한 필수 기능 블록을 포함하고 있으며, 연선 쌍 케이블(오른쪽)의 양방향 루프와 손쉽게 인터페이스할 수 있습니다(이미지 출처: Analog Devices).

작동 시, 각 트랜시버는 논리 상태를 신호로 인코딩하며, 이 신호는 절연 장벽을 넘어 다른 트랜시버로 전송됩니다. 수신 장치는 전송을 디코딩하고 주변 버스를 적절한 논리 상태로 구동합니다.

트랜시버는 BMS 마이크로 컨트롤러 SPI 포트와 개별 배터리 팩 모니터의 isoSPI 포트 간 브리지 역할을 합니다. 트랜시버는 표준 SPI 신호(CS, SCK, PICO, POCI)를 펄스로 변환하며, 변환된 펄스는 연선 케이블에서 양방향으로 전송될 수 있습니다.

이 장치는 2Mbits/s(초당 메가비트 수)의 데이터 레이트와 100m(미터)의 케이블 길이를 지원하며 전자기 간섭(EMI) 민감성 및 방출이 매우 낮습니다. 설계자는 필요한 전압 등급, 사용 가능한 공간, 규제 문제 및 기타 기술적 요소에 따라 격리 장벽에 커패시터 또는 변압기를 사용할 수 있습니다.

추가적인 이점으로, 트랜시버는 Analog Devices의 다른 고급 ADBMS 계열 스택 모니터 솔루션과 결합하여, BMS 컨트롤러가 전원이 차단된 상태에서도 전지 전압과 센서 모니터링을 가능하게 하며, 이를 통해 저전력 전지 모니터링(LPCM) 설계를 구현할 수 있습니다.

다른 BMS 장치와 마찬가지로, 평가 기판은 설계자가 기능을 탐색하고, 작동을 시험하며, 검증하는 데 유용한 보조 수단입니다. 이러한 트랜시버를 위해, 모든 기능을 갖춘 평가 기판인 EVAL-ADBMS6822DEC(그림 6)가 제공됩니다. 이 기판은 이중 채널 ADBMS6822를 갖춘 이중 SPI-2선 isoSPI 어댑터로 동작하지만, 단일 채널 ADBMS6821과 함께 사용할 수도 있습니다.

그림 6: EVAL-ADBMS6822DEC는 이중 SPI-2선 isoSPI 어댑터로, BMS 프로세서와 개별 전지 모니터링 장치 간의 절연 링크를 손쉽게 개발 및 평가할 수 있도록 합니다(이미지 출처: Analog Devices).

이 평가 기판을 사용하여 다중 ADBMS68xx 배터리 모니터는 데이지 체인 방식을 통해 상호 연결될 수 있습니다. 이 기판은 또한 주변 장치에 대한 이중 통신 경로를 구현하는 리버시블 isoSPI 포트를 갖추고 있습니다. 인쇄 회로 기판(pc 기판), 부품, 커넥터는 낮은 EMI 민감성 및 방출을 위해 최적화되었습니다.

결론

여러 배터리 전지와 대응되는 높은 전압을 가진 배터리 팩을 효과적 및 효율적으로 적절하게 관리하는 것은 많은 설계적 세부 요소를 포함하는 복잡한 문제입니다. Analog Devices의 최적화된 주문형 IC는 필요한 기술 및 규제 요구 사항을 충족하기 위한 다양한 솔루션을 제공합니다.