리튬 배터리의 상태를 위한 쿨롬 계산 계수

기존에는 엔지니어들이 랩톱이 몇 대 있어야 충분한가?라는 질문을 스스로 묻곤 했습니다. 이제 이 질문은 태블릿이 몇 대 필요한가?로 바뀌었습니다. 필자가 사용하는 최신 태블릿은 키보드를 탈부착할 수 있는 멋진 12인치 Android Marshmallow 호환 RCA 태블릿입니다. 이 태블릿은 회의 중 "솔루션 기반으로 마케팅 재구성"이나 "치킨 먹기"처럼 중요한 메모를 입력할 때는 일반적인 슬림 랩톱으로 보입니다. 그러다 다른 사람에게 프레젠테이션을 보여줘야 할 때는 키보드에서 디스플레이를 분리하여 그래픽을 설명하곤 합니다. 물론 제 말은 아무도 듣지 않고 (마치 저희 부모님처럼) "그게 뭔가요?"라는 질문만 합니다. 멋진 제 PowerPoint 실력에는 관심 없고 태블릿만 궁금해합니다.

그래서 태블릿에 대해 설명한 후 이 태블릿으로 점심 시간까지 “The Adventures of Buckaroo Banzai Across the 8^th Dimension(영화 버카루 반자이의 모험)”을 시청했습니다. 그러다 태블릿 화면이 어두워지자 저는 빠르게 전원 버튼을 터치하여 절전 모드에서 깨우고 중지되지 않았기를 빌었습니다. 이 현상을 SOD(Android Sleep of Death)라고 합니다. 저는 이 문제의 해결 방법을 알고 있습니다. 다음날 태블릿을 100%로 충전하고 영화를 재생하여 화면을 켠 채 2%까지 방전시킨 다음 멈추지 않고 100%까지 완전히 충전합니다. 저는 1년에 두 번 이 작업을 하는데 그러면 태블릿의 충돌이 멈추고 안정성이 높아집니다. 이 방법의 작동 원리가 궁금할 것입니다.

저는 최근 웨어러블 설계에 관한 (제 마음속) 수상작 3부 시리즈를 Digi-Key에 게재했는데 그 시리즈의 2부인 “배터리 사용 시간 연장을 위한 보호 및 충전”에서 리튬 이온 배터리와 배터리 게이지에 대해 다뤘습니다. 인터넷에 떠도는 이야기와 달리 태블릿이나 웨어러블의 주 프로세서는 배터리의 잔량과 상태를 추적하지 않으며 별도의 칩이 이 역할을 수행합니다. 대부분의 휴대용 배터리 전원 장치는 리튬 이온 배터리를 사용하며 많은 경우 Maxim Integrated 배터리 관리 칩을 사용합니다. 휴대용 장치의 전원이 꺼졌을 때도 배터리 관리 칩은 지속적으로 리튬 이온 배터리의 상태를 모니터링합니다.

충전용 리튬 이온 배터리의 잔량 측정은 단순히 최대 전압 대비 비율이 아닙니다. 많은 경우 리튬-이온 셀은 3.0V에서 소진된 것으로 간주되므로 3.7V 리튬 배터리가 3.1V이면 배터리는 84%가 아닙니다. 하지만 14%도 올바른 것은 아닙니다. 그렇다면 리튬 이온 배터리의 사용 가능한 잔량은 어떻게 알 수 있을까요?

바로 쿨롬 계산입니다. 배터리 측정 칩은 기본적으로 배터리의 쿨롬을 고려합니다. 또는 쿨롬 계산이 리튬 이온 배터리의 총 전류 흐름 및 전압 변화를 추적하여 배터리의 가용 용량을 결정합니다.

간단히 예를 들면, 완전 충전된 배터리가 소진 시까지 48시간 동안 200mA를 제공한다면 배터리 용량은 200mA x 48시간 = 9.6Ah입니다. 실제로 쿨롬 계산은 더 복잡하며 이것이 지능적으로 수학을 수행하는 전용 칩이 필요한 이유입니다. Maxim Integrated MAX17303X+가 바로 그러한 칩입니다. 그림 1에 표시된 응용 회로에서는 리튬 이온 배터리 내외부로 흐르는 전류 흐름이 하단의 감지 레지스터를 통해 측정됩니다.

그림 1: Maxim Integrated MAX17303X+ 리튬 이온 배터리 관리 칩은 마이크로 컨트롤러에 손쉽게 통합할 수 있으며, 배터리를 오가는 모든 전류를 추적합니다(이미지 출처: Maxim Integrated).

MAX17303X+는 프로그래밍이 가능하며 I²C 직렬 인터페이스를 사용하여 마이크로 컨트롤러와 연결됩니다. RAM과 비휘발성 메모리 및 배터리 계산용 내부 프로세서를 갖추고 있습니다. 이 칩은 방전 중에는 배터리에서 나오는 모든 전류와 전압을 측정하고 충전 중에는 배터리로 들어가는 전류와 전압을 측정합니다. 이 회사는 자체 독점 배터리 게이지 알고리즘인 ModelGauge m5를 통해 쿨롬 계산을 향상시킵니다.

비휘발성 메모리에는 최대 및 최소 전압, 전류 및 배터리 온도가 배터리 전원 손실 시에도 유지되어야 하는 수집된 배터리 상태 정보와 함께 저장됩니다. 대다수의 리튬 이온 배터리에는 전압이 매우 낮을 때는 충전 시까지 배터리를 비활성화하여 지나친 방전을 방지하는 보호 회로가 포함되어 있습니다.

소비자에게 가장 중요한 점은 MAX17303X+가 배터리 게이지를 위한 배터리 상태를 정확하게 추적한다는 것입니다. SOC(충전 상태)는 특정 시점의 배터리 가용 용량(Ah)을 배터리의 최대 측정 용량에 대한 백분율로 계산됩니다. SOH(상태)는 배터리가 새 제품일 때의 최대 용량을 기준으로 한 배터리의 최대 가용 Ah입니다.

하지만 배터리 관리 칩이 아무리 스마트하더라도 오류는 피할 수 없기 때문에 배터리 게이지의 정확성을 유지하려면 보정이 필요합니다. 보정이란 배터리가 100%에서 거의 빈 상태까지 방전하는 것을 의미합니다. 이렇게 하면 MAX17303X+에서 방전을 정확하게 파악할 수 있게 됩니다. 그런 다음 배터리를 다시 100% 충전하여 칩이 충전 용량을 인식하도록 합니다. 이렇게 하면 배터리 게이지가 보정됩니다.

따라서 저는 RCA 태블릿의 배터리를 보정했습니다. 이번에도 영화 버카루 반자이를 보면서 화면을 켜두고 2%까지 방전시키면서 SOD를 방지했습니다. 그런 다음 100%로 충전했다가 5분 동안 태블릿 전원을 껐습니다. 이 시간 동안 배터리 관리 칩이 정격 부하 상태에서 완전히 충전된 배터리 전압을 읽습니다. 이후, 태블릿 충돌이 멈췄습니다. 뿐만 아니라 응답성이 빨라지고 터치에도 더 빠르게 반응했습니다.

작동 원리

배터리 게이지를 보정하면 태블릿 충돌이 멈추는 이유는 무엇일까요? 제 이론은 이렇습니다. 버튼을 눌러 절전 모드에서 깨울 때 호스트 마이크로 컨트롤러는 먼저 배터리 관리 칩에서(종류에 상관없음) 배터리 상태를 읽습니다. 이때 호스트 마이크로 컨트롤러 펌웨어가 예기치 않은 데이터(코딩되지 않은 데이터 읽기)를 읽었는데 펌웨어에 해당 문제에 대한 예외 처리기가 없으면 태블릿이 멈춰버린다고 생각됩니다. 태블릿이 활성 상태일 때도 배터리 관리 칩의 데이터를 모니터링하므로 비슷한 상황이 발생합니다.

그러면 "배터리를 항상 보정하면 안 되나요?"라는 의문이 생길 수 있습니다. 리튬 이온 배터리는 심하게 방전될 경우 영구적 손상을 입기 때문에 1년에 2번 ~ 3번으로 충분합니다. 이는 웨어러블 및 IoT(사물 인터넷) 엔드포인트를 포함하여 충전식 리튬 이온 배터리가 포함된 모든 제품에 적용됩니다.

따라서 배터리를 보정하면 리튬 이온 시스템의 안정성이 향상될 수 있습니다. 정확한 배터리 게이지에 필요한 작업이지만 문제가 있을 때만 사용하는 것이 좋습니다.