적층형 전지에 배터리 관리 IC를 사용하는 이유와 방법

충전식 배터리는 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV), 전동 공구, 잔디 관리용 장비 및 무정전 전원 공급 장치와 같은 응용 제품에서 더 높은 전압과 더 많은 전력을 제공하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 모든 종류의 화학 물질은 효과적이고 안정적이며 안전한 작동을 보장하기 위해 주의 깊은 모니터링과 관리가 필요하다는 것은 잘 알려져 있지만, 이러한 장치의 전력 요구 사항을 충족하는 데 필요한 수십 개 이상의 전지로 구성된 직렬 연결 스택은 특히 배터리당 전지 수가 증가함에 따라 설계자는 더 많은 주의가 필요합니다.

단일 전지 또는 단 몇 개의 전지로 구성된 소형 배터리 팩을 모니터링하고 측정하는 것은 다중 전지 직렬 연결에서 전지를 모니터링하고 측정하는 것보다 훨씬 쉽고 간단한 문제입니다. 적층형 다중 전지 구현 설계자는 높은 공통 모드 전압, 위험한 전압의 유무, 단일 전지 오류의 영향, 다수의 전지에 걸친 다중화, 전지 불일치 및 밸런싱, 배터리-스택 온도 간의 온도차 등 수많은 문제를 고려하여 측정을 수행해야 합니다. 여기에는 파라미터 측정 및 제어를 수행하기 위한 고급 배터리 관리 IC(BMIC) 및 배터리 관리 시스템(BMS)과 이를 적절하게 사용하는 몇 가지 기술 노하우가 필요합니다.

이 기사에서는 일반적인 배터리 관리, 특히 다중 전지 배터리의 기본 사항과 과제에 대해 설명합니다. 그런 다음, 직렬 연결된 전지 스트링 관리의 고유한 문제를 위해 특별히 설계된 Analog Devices, Renesas Electronics Corp 및 Texas Instruments의 BMIC를 적용하는 방법을 소개하고 보여줍니다.

배터리 계열 스트링의 고유한 과제

일반적인 배터리 모니터링에는 배터리 안팎으로 흐르는 전류 측정(연료량 측정), 단자 전압 모니터링, 배터리 용량 평가, 전지 온도 모니터링 및 충전/방전 주기 관리 기능이 포함되어 이를 통해 에너지 저장을 최적화하고 배터리 수명 기간 동안 이러한 주기 수를 최대화합니다. 널리 사용되는 BMIC 또는 BMS는 한 자릿수 전압을 가진 하나 또는 두 개의 전지로만 구성된 소형 배터리 팩으로 이러한 기능을 제공합니다. BMIC 또는 BMS는 데이터 수집 프런트 엔드 역할을 하여 보고 받은 데이터를 전지 관리 컨트롤러(CMC)로 전송합니다. 더 복잡한 시스템에서 CMC는 배터리 관리 컨트롤러(BMC)라고 하는 고차 기능에 연결됩니다.

이 기사에서 '전지'는 개별 에너지 저장 장치이고 '배터리'는 직렬/병렬 조합의 여러 전지를 포함하는 전체 전원 팩을 의미합니다. 개별 전지는 몇 볼트만 생성하지만 배터리 팩은 수십 개 이상의 전지로 구성되어 수십 볼트를 제공할 수 있으며 배터리 팩의 조합은 훨씬 더 높은 전압을 지원합니다.

효율적인 관리를 위해 측정해야 하는 중요한 전지 파라미터는 단자 전압, 충전/방전 전류 및 온도입니다. 최신 배터리 팩에 필요한 측정 성능은 상당히 높습니다. 각 전지는 몇 밀리볼트(mV) 및 밀리암페어(mA) 내에서 그리고 약 섭씨 온도(°C)까지 측정 가능해야 합니다. 전지를 면밀히 모니터링하는 이유는 다음과 같습니다.

• 배터리 팩 잔량(실행 시간)과 전체 기대 수명에 대한 정확한 예측을 제공하기 위해 배터리 팩 충전 상태(SOC) 및 건강 상태(SOH)를 확인합니다.
• 충전된 전지의 내부 차이는 물론 위치, 온도, 노화뿐만 아니라 충전된 전지의 전압을 서로 균등화하는 전지 밸런싱을 구현하는 데 필요한 데이터를 제공합니다. 전지의 균형을 맞추지 못하면 배터리 팩 성능이 저하되고 최악의 경우 전지의 고장이 발생합니다. 균형은 수동 또는 능동 기술을 사용하여 유지할 수 있는데, 능동 기술의 경우 결과는 더 우수하지만 비용이 더 많이 들고 복잡합니다.
• 배터리를 손상시키고 사용자(예: 차량 및 탑승자)의 안전 문제로 이어질 수 있는 여러 조건을 방지합니다. 여기에는 다음과 같은 의도하지 않은 시나리오가 포함됩니다.
• 과전압 또는 과전류 충전으로 인해 열폭주가 발생할 수 있습니다.
• 저전압: 단일 과방전은 치명적인 고장을 일으키지는 않지만 양극 컨덕터가 용해되는 원인이 될 수 있습니다. 이후에 과방전 주기가 반복되면 재충전 전지에 리튬 도금 문제가 발생하고 잠재적으로 열폭주로 이어질 수도 있습니다.
• 과열은 전지의 전해질 물질에 영향을 주어 SOC를 감소시킵니다. 또한 이로 인해 고체 전해질 간상(SEI)의 형성이 증가되어 불균일한 저항 증가와 전력 손실을 초래할 수 있습니다.
• 저열도 리튬 침적을 유발하여 용량 손실을 일으키므로 문제가 됩니다.
• 과전류 및 불균일한 내부 임피던스 및 궁극적인 열폭주로 인한 내부 임피던스는 배터리의 SEI 층을 증가시키고 저항을 증가시킬 수 있습니다.

그런데 여기에 수수께끼같은 문제가 하나 있습니다. 예를 들어 테스트 벤치 또는 기타 무해한 설정에서 개별 전지의 전압을 정확하게 측정하는 것이 매우 간단합니다. 설계자는 부동(비접지) 또는 배터리 구동식 디지털 전압계(DVM)를 해당 전지에 연결하기만 하면 됩니다(그림 1).

그림 1: 직렬 스트링의 모든 전지에 걸친 전압을 측정하는 것은 부동 디지털 전압계만 있으면 되므로 개념적으로 간단합니다. (이미지 출처: Bill Schweber)

그러나 EV 또는 HEV와 같이 전기적으로나 환경적으로 열악한 상황에서 확실성과 안전성을 갖고 측정하는 것은 여러 가지 이유로 훨씬 더 어렵습니다. 이것은 8개의 제어 모듈에 의해 관리되는 6720개의 Li+ 전지로 구성된 EV 전원 팩의 대표적인 예에서 볼 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 실제 배터리 팩은 모듈에서 직렬 및 병렬로 연결된 일련의 전지로 상당한 양의 에너지가 저장되어 있습니다. 이는 전지 전압 측정 작업을 훨씬 복잡하게 만드는 요소입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

각 전지의 용량은 3.54암페어시(Ah)이며 총 공칭 에너지 저장량은 100킬로와트시(kWh)(3.54Ah x 4.2V x 6720 전지)입니다. 직렬로 연결된 96개의 행은 각각 70개의 전지가 병렬로 구성되어 있으며 배터리 전압은 403.2V(96행 × 4.2V)이고 용량은 248Ah(100kWh/403.2V 또는 3.54Ah × 70열)입니다.

예를 들면 다음과 같은 문제가 발생합니다.

• 높은 공통 모드 전압(CMV)이 존재하기 때문에 낮은 한 자리 전압을 측정하여 몇 밀리볼트에서 정밀도를 얻는 데 필요한 분해능과 정확도를 제공하는 것은 어려운 일이며, 이는 측정 시스템에 과부하를 주거나 유효성에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 CMV는 시스템 공통(잘못된 명칭이지만 '접지'라고도 함)과 관련하여 측정되는 최대 전지까지 직렬로 연결된 모든 전지의 전압을 합한 것입니다. EV에는 최대 96개 또는 128개의 배터리 전지가 직렬로 연결되어 수백 볼트의 CMV를 제공할 수 있습니다.
• 높은 CMV로 인해 전기 무결성과 사용자/시스템 안전 모두를 위해 전지를 나머지 시스템으로부터 전기적으로 분리해야 합니다. 어느 것도 전체 CMV에 잠재적으로 노출되어서는 안 되기 때문입니다.
• 전기적 잡음과 서지가 밀리볼트 범위에서 판독값을 쉽게 손상시킬 수 있습니다.
• 전지 및 배터리 팩 상태에 대한 정확한 전체 그림을 생성하려면 여러 전지를 몇 밀리초 이내에 거의 동시에 측정해야 합니다. 그렇지 않으면 전지 측정 간의 시간 스큐로 인해 잘못된 결론과 동작을 초래할 수 있습니다.
• 전지의 수가 많다는 것은 전지와 나머지 데이터 수집 서브 시스템 사이에 일종의 다중화 배열이 필요하다는 것을 의미합니다. 그렇지 않으면 상호 연결 배선의 크기, 무게 및 비용이 상당히 높아집니다.

마지막으로, 안전, 중복성 및 오류 보고 충족과 관련된 중요하고 필수적인 고려 사항이 있습니다. 표준은 산업마다 다릅니다. 산업용 및 전동 공구는 자동차와 매우 다르며 자동차의 경우가 기준이 가장 까다롭습니다. 배터리 관리와 관련된 중요한 자동차 시스템에서 기능 손실이 위험한 상황으로 이어지지 않아야 합니다. 시스템 내 오작동 발생 시, '안전' 상태라면 전자 장치의 스위치를 끄고 대시보드 표시등 또는 기타 표시등을 통해 차량 운전자에게 경고해야 합니다.

그러나 일부 시스템의 경우, 오작동 또는 기능 손실로 인해 잠재적으로 위험한 상황이 발생할 수 있으며 스위치를 쉽게 꺼둘 수 없으므로, 정의된 '안전 관련 가용성' 요구 사항이 안전 목표에 포함될 수 있습니다. 이러한 경우 위험한 결과를 피하기 위해 시스템의 특정 유형의 오류를 허용해야 할 수도 있습니다.

이러한 안전 관련 가용성은 정의된 오류 조건에도 불구하고 지정된 기간 동안 기본 기능 또는 정의된 '종료' 경로를 제공해야 하며 안전 시스템은 이 기간 동안 오류를 허용해야 합니다. 이 내결함성을 통해 시스템은 허용 가능한 안전 수준으로 더 오래 작동할 수 있습니다. ISO 26262 '도로 차량의 기능적 안전' 표준의 주요 섹션은 안전 관련 가용성 요구 사항과 관련하여 시스템 개발자에게 지침을 제공합니다.

IC를 통한 솔루션 제공

제조업체는 높은 CMV와 열악한 전기 환경에도 불구하고 직렬 스트링에서 단일 전지를 정확하게 읽는 문제를 해결하도록 설계된 BMS IC를 개발했습니다. 이러한 IC는 기본 판독값을 제공할 뿐만 아니라 멀티플렉싱, 절연 및 타이밍 스큐 기술 문제도 해결합니다. 이 제품은 관련 안전 표준을 충족하며, 가장 높고 가장 엄격한 수준인 자동차 응용 제품에 대한 ASIL-D 승인을 받았습니다.

자동차 안전 무결성 수준(ASIL)은 도로 차량용 기능 안전 표준 ISO 26262에 의해 정의된 위험 분류 체계입니다. 이는 자동차 산업의 IEC 61508에서 사용되는 안전 무결성 수준(SIL)을 채택한 것입니다.

이러한 BMS 장치의 '광범위한' 기능은 유사하지만 아키텍처, 처리할 수 있는 전지 수, 스캔 속도, 분해능, 고유한 기능 및 상호 연결 방식에서 어느 정도 다릅니다.

•격리된 CAN 아키텍처는 스타 구성을 기반으로 하며, 분리된 CAN 아키텍처의 통신 전선이 끊어지면 하나의 IC만 방해하고 나머지 배터리 팩은 안전하게 유지되기 때문에 견고합니다. 그러나 CAN 아키텍처는 각 IC에 대해 마이크로 프로세서와 CAN을 필요로 하므로 이 접근 방식은 상대적으로 느린 통신 속도를 제공하고 더 많은 비용이 듭니다.

•데이지 체인 아키텍처는 일반적으로 범용 비동기화 송수신기(UART) 기반 데이지 체인이 CAN의 복잡성 없이 안정적이고 빠른 통신을 제공할 수 있기 때문에 더 비용 효율적입니다. 가장 일반적으로 용량성 절연을 사용하지만 변압기 기반 절연도 지원할 수 있습니다. 그러나 데이지 체인 아키텍처의 단선은 통신을 중단시킬 수 있기 때문에 이러한 데이지 체인 시스템 중 일부에서는 '임시 해결 방법'을 제공하고 단선 동안 일부 작동을 지원합니다.

대표적인 BMS IC는 다음과 같습니다.

• Analog Devices의 MAX17843 BMS: MAX17843은 광범위한 안전 기능을 갖추었으며, 12채널 프로그래밍 가능한 배터리 모니터링 데이터 수집 인터페이스입니다(그림 3). 자동차 시스템용 배터리, HEV 배터리 팩, EV 및 최대 48볼트의 2차 금속 배터리의 긴 직렬 스트링을 적층하는 모든 시스템과 함께 사용하도록 최적화되어 있습니다.

그림 3: MAX17843 12채널 배터리 모니터링 데이터 수집 인터페이스는 여러 안전 기능을 통합하여 자동차 응용 제품 및 규정 준수에 적합합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

MAX17843은 강력한 데이지 체인 직렬 통신을 위한 고속 차동 UART 버스를 통합하여 단일 데이지 체인에 연결된 최대 32개의 IC를 지원합니다(그림 4). UART는 BOM 비용을 절감할 뿐만 아니라 고장률(FIT)을 개선하는 정전 용량식 분리를 사용합니다.

그림 4: 12채널 MAX17843은 데이지 체인 UART 구성에서 정전 용량식 전기적 분리 기능을 사용하여 단일 체인에서 최대 32개의 장치를 지원합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

아날로그 프런트 엔드는 12채널 전압 측정 데이터 수집 시스템과 고전압 스위치 뱅크 입력을 결합합니다. 모든 측정은 각 전지에서 차등적으로 수행됩니다. 전체 측정 범위는 0V ~ 5.0V이며 사용 가능한 범위는 0.2V ~ 4.8V입니다. 고속 연속 근사화(SAR) 아날로그 디지털 변환기(ADC)는 오버샘플링으로 14비트 분해능에서 전지 전압을 디지털화하는 데 사용됩니다. 12개의 모든 전지를 142마이크로초(μs) 미만으로 측정할 수 있습니다.

MAX17843은 2스캔 방식을 사용하여 셀 측정값을 수집하고 오류를 수정하므로 작동 온도 범위에서 뛰어난 정확도를 제공합니다. 전지 차동 측정의 정확도는 +25°C 및 3.6볼트에서 ±2밀리볼트(mV)로 지정됩니다. 이 IC의 설계를 용이하게 하기 위해 Analog Devices는 설정, 구성 및 평가를 위한 PC 기반 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 포함된 MAX17843EVKIT# 평가 키트를 제공합니다.

• Renesas의 ISL78714ANZ-T: ISL78714 리튬 이온 BMS IC는 최대 14개의 직렬 연결된 전지를 감독하고 정밀한 전지 전압 및 온도 모니터링, 전지 밸런싱 및 광범위한 시스템 진단을 제공합니다. 일반적인 구성에서 마스터 ISL78714는 직렬 주변장치 인터페이스(SPI) 포트를 통해 호스트 마이크로 컨트롤러와 통신하고 강력한 전용 2선 데이지 체인으로 연결된 최대 29개의 추가 ISL78714 장치와 통신합니다(그림 5). 이 통신 시스템은 매우 유연하며 초당 최대 1메가비트(Mbits/초) 속도로 커패시터 절연, 절연 변압기 또는 이 둘의 조합을 사용할 수 있습니다.

그림 5: ISL78714는 SPI 포트를 사용하여 정전 용량 또는 변압기 기반 절연을 사용할 수 있는 2선 데이지 체인으로 여러 장치를 연결합니다. (이미지 출처: Renesas Electronics Corp.)

초기 전압 측정 정확도는 20°C ~ +85°C의 1.65V ~ 4.28V 범위에서 14비트 분해능으로 ±2mV입니다. 장치를 장착한 후 정확도는 ±5.0V의 전지 입력 범위에서 ±2.5mV로 좁습니다(모선에는 종종 음의 전압 범위가 필요함).

이 BMS는 수동 밸런스 모드, 시간 밸런스 모드 및 자동 밸런스 모드 등 세 가지 전지 밸런싱 모드가 있습니다. 자동 밸런스 모드는 호스트가 지정한 충전량이 각 전지에서 제거된 후 밸런싱을 종료합니다. 모든 주요 기능에 대한 내장형 시스템 진단 기능 중에는 통신 손실 시 감시 종료 기능이 있습니다.

• BQ79616PAPRQ1의 BQ76PL455APFCR(및 BQ79616PAPRQ1): bq76PL455A는 고신뢰성, 고전압 산업용 응용 제품을 위해 설계된 통합 16개 전지 배터리 모니터링 및 보호 장치입니다. 통합 고속 차동 커패시터 절연 인터페이스는 최대 16개의 bq76PL455A 장치를 지원하며 최대 1Mbits/초의 연선 케이블이 있는 데이지 체인을 통해 단일 고속 UART 인터페이스를 갖춘 호스트와 통신합니다(그림 6).

그림 6: bq76PL455A 16개 전지 배터리 관리 IC는 데이지 체인 배열을 통해 최대 1Mbits/초로 통신하는 연선 케이블을 갖춘 최대 16개의 장치를 연결하기 위해 용량성 절연을 사용하는 산업용 응용 제품을 대상으로 합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

14비트 ADC는 모든 전지 출력이 2.4밀리초(ms)에 변환되는 내부 참조를 사용합니다. bq76PL455A는 과전압, 저전압, 과열 및 통신 오류를 비롯한 여러 가지 오류 조건을 모니터링하고 감지합니다. 외부 n-FET를 통한 수동 전지 밸런싱과 외부 스위치 매트릭스 게이트 드라이버를 통한 능동 밸런싱을 지원합니다.

이 BMS는 최대 16개 전지 미만의 문자열을 쉽게 처리합니다. 유일한 제한 사항은 입력을 오름차순으로 사용해야 한다는 것입니다. 사용되지 않은 모든 입력은 입력과 함께 가장 많이 사용되는 VSENSE_ 입력과 함께 연결해야 합니다. 예를 들어, 13개 전지 설계에서 입력 VSENSE14, VSENSE15 및 VSENSE16은 사용되지 않습니다(그림 7).

그림 7: bq76PL455A는 16개 미만의 전지와 함께 사용할 수 있습니다. 이 경우 사용하지 않는 전지의 입력은 체인에서 가장 높아야 합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

Texas Instruments bq79616PAPRQ1과 같은 다른 IC는 링 구성 및 양방향 통신을 지원하므로 시스템이 배터리 팩의 상태 및 안전을 계속 모니터링할 수 있습니다(그림 8).

그림 8: bq79616PAPRQ1은 단선 또는 노드 오류가 발생한 경우 추가 링크 연결 경로를 위한 양방향 링 토폴로지를 지원합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이 구성에서 두 개의 배터리 모니터링 ASIC 사이에 결함, 개방 또는 단락이 있는 경우 제어 프로세서가 메시징 방향을 앞뒤로 전환하여 모든 배터리 모니터링 ASIC와 계속 통신할 수 있습니다. 따라서 정상적인 통신이 중단되는 경우, 시스템은 링 통신 기능의 내결함성을 사용하여 배터리 모듈의 전압 및 온도 정보의 손실 없이 가용성을 유지할 수 있습니다. bq79616PAPRQ1을 실험하려는 설계자를 위해 Texas Instruments는 BQ79616EVM 평가 기판을 제공합니다.

• Analog Devices, Inc.의 LTC6813-1: LTC6813-1은 프로그래밍 가능한 잡음 필터가 있는 16비트 델타-시그마 ADC를 통해 총 측정 오류가 2.2mV 미만인 최대 18개의 직렬 연결된 배터리 전지를 측정하는 자동차 인증 다중전지 배터리 스택 모니터입니다(그림 9). 이는 다른 IC가 직접 지원할 수 있는 것보다 더 많은 수의 전지입니다. 모든 18개 전지는 290마이크로초(μs) 미만으로 측정될 수 있으며 잡음 제거를 위해 더 낮은 데이터 수집 속도를 선택할 수 있습니다.

그림 9: LTC6813-1은 가장 많은 수의 전지(18개)를 지원하고 16비트 ADC를 사용하여 2.2mV 정확도와 고속 전지 스캔을 달성합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

여러 LTC6813-1 장치를 직렬로 연결할 수 있으므로 긴 고전압 배터리 스트링의 전지를 동시에 모니터링할 수 있습니다. LTC6813-1은 표준 4선 SPI와 2선 절연 인터페이스(isoSPI)의 두 가지 직렬 포트를 지원합니다. 비절연 4선 포트는 단거리 링크 및 일부 비자동차 응용 제품에 적합합니다(그림 10).

그림 10: LTC6813-1은 단거리 링크 및 일부 비자동차 응용 제품을 위한 표준 4선 SPI 상호 연결을 지원합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

1Mbit/초 절연 직렬 통신 포트는 인터페이스가 케이블링이 높은 RF 필드에 영향을 받는 경우에도, 낮은 패킷 오류율을 위해 설계되었기 때문에 전자파 장해(EMI) 및 방출에 대한 민감도가 낮은 최대 100m 거리에 대해 단일 연선을 사용합니다. 이 데이지 체인의 양방향 기능은 통신 경로의 단선과 같은 오류가 발생한 경우에도 통신 무결성을 보장합니다.

2선 구성 모드에서 절연은 외부 변압기에 의해 제공되며 표준 SPI 신호는 차동 펄스로 인코딩됩니다. 전송 펄스의 강도와 수신기의 임계값 레벨은 두 개의 외부 저항 R_B1 및 R_B2에 의해 설정됩니다(그림 11). 저항 값은 전력 손실과 간섭 내성 사이의 절충이 가능한 방식으로 설계자가 선택합니다.

그림 11: LTC6813-1은 또한 전자파 장해(EMI) 민감도 및 방출이 낮은 최대 100m 거리에 대해 단일 연선을 통해 2선 1Mbit/초 변압기 절연 직렬 통신 포트를 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

LTC6813-1은 모니터링 중인 배터리 스택이나 별도의 절연 전원 공급 장치에서 직접 전원을 공급받을 수 있습니다. 또한 각 전지에 대한 수동 밸런싱과 펄스 폭 변조(PWM)를 통한 개별 듀티 사이클 제어가 포함됩니다.

결론

단일 전지 또는 몇 개의 전지만 포함된 소형 배터리 팩의 전압, 전류 및 온도를 정확하게 측정하는 것은 기술적인 별로 어렵지 않은 문제입니다. 그러나 직렬 스트링의 개별 전지에서 이러한 동일한 파라미터를 정확하게 측정하는 것(전지간 시간 지연이 무시될 수 있는 열악한 자동차 및 산업 환경에서의 수행)은 많은 수의 전지, ​​높은 CMV, 전기 잡음, 규제 의무 및 기타 문제로 인해 어려운 일입니다.

앞서 살펴본 바와 같이, 설계자는 이러한 응용 제품을 위해 특별히 설계된 IC로 전환할 수 있습니다. 이러한 IC는 문제 해결에 필요한 전기적 분리, 정밀도 및 빠른 스캔 시간을 지원합니다. 결과적으로 중요하고 높은 수준의 배터리 관리 결정을 가능하게 하는 정확하고 실행 가능한 결과를 제공합니다.