대용량 배터리 시스템의 사용이 빠르게 늘어나고 있다. 이는 배터리 기술과 소재가 지속적으로 발전해왔기 때문이다. 하지만, 최근 출시되는 배터리는 용량, 수명 및 안전성을 유지하기 위해 세심한 모니터링과 제어가 필요하다. 따라서 대용량 배터리 팩은 정교한 배터리 관리 전자장치를 필요로 한다. 이 글에서는 리니어의 멀티셀 배터리 스택 모니터링 IC LTC6811에 대해 알아본다.
전기차(EV)와 하이브리드전기차(HEV)뿐만 아니라 백업용 및 비중단용 에너지 저장 같은 부수적인 시장까지 대용량 배터리 시스템의 사용이 빠르게 늘어나고 있다주1). 이는 배터리 기술과 배터리 소재가 지속적으로 발전해 왔기 때문이다.
그렇기는 하나 첨단 배터리는 용량, 수명, 안전성을 유지하기 위해서는 세심한 모니터링과 제어를 필요로 한다. 그런데다가 수 킬로와트 규모의 시스템을 구축하기 위해서는 수십 혹은 수백 개의 배터리 셀들을 직렬로 연결해야 한다. 그러므로 시스템의 관점에서는 배터리 스택이 하나의 단일적인 전원 소스라고 하더라도 각각의 개별 배터리 셀을 세심하게 관리하는 것이 필요하다. 이런 이유에서 대용량 첨단 배터리 팩은 정교한 배터리 관리 전자장치를 필요로 한다.
배터리 셀을 관리하기 위한 배터리 관리 시스템은 세 가지 중요한 임무를 수행한다. 첫째, 각 배터리 셀의 건전도(state-of-health, SOH)를 모니터링 한다. 이를 위해서 셀 전압, 전류, 온도, 동작 이력을 모니터링 한다.
둘째, 각 배터리 셀의 충전 상태(state-of-charge, SOC)를 제어한다. 이렇게 하기 위해서 시스템 내의 모든 셀에 대해서 충전, 방전, 밸런싱을 할 수 있다주2).
셋째, 지속적으로 자신이 적절히 동작하는지를 확인한다. 전자장치가 어떤 배터리 이상을 감지하지 못하고 시스템으로 알려주지 못하는 일이 발생되어서는 안 되기 때문이다.
수년 전에 리니어는 배터리 관리의 까다로운 과제들을 인식하고 멀티셀 배터리 스택 모니터링 IC를 개발하게 되었다. 배터리 스택 모니터링 IC를 일련의 직렬연결 배터리 셀들로 곧바로 연결할 수 있다. 주된 기능은 각 셀의 전압을 측정하는 것이다. 하지만 이후로 점차 더 많은 기능들을 포함하도록 진화하였다. 배터리 스택 모니터링 IC를 여러 개 연결해서 길게 이어진 고전압 배터리 스트링을 모니터링 할 수 있다.
멀티셀 배터리 스택 모니터링 IC LTC6811
리니어가 맨 처음 내놓은 배터리 스택 모니터링 IC는 LTC6802이다. LTC6802는 최대 12개 리튬이온 셀을 0.25% 최대 총 측정 오차로 13ms 이내에 측정할 수 있다. 다수의 LTC6802를 직렬로 연결해서 아주 길게 연결된 고전압 배터리 스트링의 각 셀들을 동시에 모니터링 할 수 있다(그림 1). LTC6802 이후로 LTC6803, LTC6804를 출시했으며, 이제 가장 진화한 멀티셀 배터리 모니터링 IC로서 LTC6811을 출시하게 되었다.
▲ 그림 1. 멀티셀 배터리 모니터링 IC의 기본적 기능
1. 최신의 진보한 고전압 배터리 스택 모니터링 IC
LTC6811은 극히 안정적인 전압 레퍼런스, 고전압 다중화기, 16비트 델타-시그마 ADC, 1Mbps 절연형 직렬 인터페이스를 포함하며, 최대 12개 직렬연결 배터리 셀 전압을 0.04% 이내 정확도로 측정할 수 있다. 또한 8가지 프로그램가능 3차 저역통과 필터 설정을 사용할 수 있으므로 뛰어난 잡음 제거를 달성할 수 있다. 한편으로 가장 빠른 ADC 모드일 때 모든 셀을 290µsec 이내에 측정할 수 있다.
또한 리니어 고유의 2와이어 isoSPI™ 인터페이스를 사용해서 다중의 LTC6811을 연결하고 동시에 작동시킬 수 있다. 모든 LTC6811에 적용된 isoSPI 인터페이스는 꼬임쌍선(TP, Twisted Pair)만을 사용해서 최대 1Mbps 및 최대 100미터 케이블에 이르기까지 높은 RF 잡음 내구성을 달성한다. 이를 위해서는 LTC6811-1와 LTC6811-2 등 두 가지 통신 옵션을 사용할 수 있다.
LTC6811-1을 사용하면 다중의 디바이스를 데이지 체인 구성으로 하나의 호스트로 연결할 수 있으며, LTC6811-2를 사용하면 다중의 디바이스를 병렬로 호스트 프로세서로 연결하고 각 디바이스를 개별적으로 어드레싱 할 수 있다.
2. 정확한 셀 전압 측정
배터리 셀의 건전도(SOH)를 판단하기 위해서는 이의 토대가 되는 셀 전압 측정이 아주 정확해야 한다. 이 배터리 스택 모니터링 IC는 배터리 스택 전압과 함께 각 다른 동상 모드 전압(common mode voltage)으로 셀 전압을 차동적으로 측정한다. 그러려면 정밀한 다중화 및 아날로그 변환을 필요로 하는데 이때의 정확도는 궁극적으로 내부 전압 레퍼런스에 의해서 결정된다.
따라서 우수한 정확도를 달성하기 위해서 LTC6811은 전용 매립형 제너 전압 레퍼런스를 사용하고 있다. 매립형 제너 전압 레퍼런스는 열 변동, 습도, 시간, 동작 조건에 대해서 뛰어난 장기적 안정성을 달성한다(그림 2). 그럼으로써 LTC6811은 모든 배터리 셀을 1.2mV 이내의 오차로 측정할 수 있다.
▲ 그림 2. 매립형 제너 전압 레퍼런스의 우수한 온도 드리프트 성능
시험실 장비로 높은 정확도를 달성하기는 쉽다. 하지만 실제 EV의 후드 안에서 전기적 잡음이 존재하는 환경에서 높은 정확도를 달성하는 것은 또 다른 문제이다. LTC6811은 델타-시그마 ADC 컨버터를 사용해서 LTC6811 내에서 셀 전압 잡음을 필터링 함으로써 잡음이 존재하는 가운데서도 뛰어난 측정 정확도를 달성한다(그림 3).
▲ 그림 3. LTC6811의 델타-시그마 컨버터
델타-시그마 컨버터를 사용해서 변환 과정에서 입력을 여러 번 샘플링하고 그런 다음 디지털적으로 필터링 한다. 그러기 위해서 저역통과 필터링을 내부적으로 통합해서 측정 오차를 일으키는 원인인 잡음을 제거한다. 이 때 샘플 속도에 의해서 컷오프 주파수가 확정된다. LTC6811은 고속 3차 델타-시그마 ADC를 사용하며 샘플 속도를 프로그램 할 수 있고 8가지 컷오프 주파수를 선택할 수 있다. 그럼으로써 뛰어난 잡음 제거를 달성할 수 있으며, 8가지 측정 속도를 사용할 수 있으므로 가장 빠르게는 290µsec 이내에 모든 12개 배터리 셀을 측정할 수 있다.
3. 측정 상관화
배터리 셀로 바로 연결한다는 점에서 LTC6811은 이 위치를 활용해서 셀 전압 측정을 수집하고 이것을 온도 및 전류와 상관화할 수 있다. 또 범용 I/O(GPIO)를 사용해서 외부 센서 측정을 셀 전압 포착 스트림으로 다중화할 수 있으며, LTC6811에 포함하고 있는 특수한 명령들을 사용해서 이 동기화 기능을 자동으로 처리하고 208µs 이내로 동기화할 수 있다. 아날로그 입력을 측정할 수 있을 뿐만 아니고, LTC6811 GPIO를 디지털 입력 및 출력으로 동작하거나, 이들 GPIO를 사용해서 I2C 또는 SPI 슬레이브 장치를 제어할 수도 있다. 그러므로 LTC6811을 아날로그 입력 확장을 위한 다중화기나 캘리브레이션 정보를 저장하기 위한 EEPROM 같은 좀더 복잡한 기능으로 인터페이스 할 수 있다.
4. 개별 셀 밸런싱
각 셀의 개별적인 충전 상태를 제어하기 위해서 LTC6811은 내부의 수동 밸런싱 FET을 사용해서 개별 셀을 방전하거나, 아니면 또는 대용량 고전력 외부 FET을 직접적으로 제어할 수 있다. 밸런싱 기능을 사용함으로써 개별 셀들이 최대 SOC에 근접하더라도 팩 차원 차저가 계속해서 작동할 수 있다. 뿐만 아니고 LTC6811은 저전력 상태일 때 셀들을 방전하도록 구성할 수 있으며 각 셀 방전 출력을 각 다른 시간 간격으로 설정할 수 있다. 그러므로 자동차를 주차하고 있을 때 같이 배터리 모니터링이 작동하지 않을 때 긴 시간에 걸쳐서 밸런싱을 할 수 있다.
이들 동일한 밸런싱 핀들을 직렬 인터페이스로 작동해서 리니어의 LT8584 능동 밸런싱 회로를 제어할 수도 있다. LT8584는 모노리식 플라이백 DC/DC 컨버터로서, 이 IC를 사용함으로써 셀 배터리들이 불일치 하는 스택으로 99% 이상의 용량 회복을 할 수 있다. 또한 LTC6811의 SPI 마스터 기능을 사용해서 LTC6811을 SPI 기반 능동 밸런싱 IC인 LTC3300으로 연결할 수 있다. LTC3300은 양방향 능동 밸런싱을 하기 위한 결함 보호 컨트롤러 IC로서, 12개 혹은 그 이상의 인접 셀들로 전하를 효율적으로 보내거나 가져오거나 할 수 있다.
5. ‘FUNCTIONAL SAFETY’ 요건
전자장치와 고에너지 배터리 시스템의 사용이 늘어남에 따라서 이러한 전자장치들의 기능적 안전성을 보장하기 위한 노력 또한 이어지고 있다. ISO 26262는 국제적인 안전성 표준으로서 자동차에서 전자 및 전기 시스템의 오작동으로 인해서 발생될 수 있는 위험성들에 대해서 정의하고 있다.
이 표준에 따라서 셀 전압 측정 전자장치 같은 주요 전자장치들이 자신이 적절히 동작하는지를 지속적으로 점검해야 한다. 부정확한 리딩은 과방전이나 셀 이상을 일으키거나 또는 과충전을 일으켜서 셀을 손상시키거나 심각한 문제를 발생시킬 수 있기 때문이다.
LTC6811은 ISO 26262 표준의 요건을 충족하기 위해서 다음과 같은 포괄적인 내부 진단 기능들을 포함하고 있다.
• 배터리와 모니터링 IC 사이의 개방 와이어 검출
• 보조 전압 레퍼런스를 사용해서 일차 레퍼런스 정확도가 ±5mV 이내인지 확인
• 12셀 스택 전압 측정을 사용해서 셀 측정 정확도가 ±0.25% 이내인지 확인
• 듀얼 채널 측정을 사용해서 다중화기 및 ADC 정확도가 0.01% 이내인지 확인
• 동시 듀얼 필터 측정을 사용해서 필터 동작 확인
• 내부 전원 전압 측정
• 메모리 셀프 테스트
• 범용 I/O를 통해서 센서와 외부 디바이스를 사용한 중복 모니터링
• 직렬 인터페이스에 대한 15비트 패킷 오류 코드
☆
EV와 HEV의 보급이 늘어남에 따라서 첨단 고에너지 배터리 시스템의 사용은 갈수록 더 늘어날 것이다. 이들 시스템이 이렇게 성장할 수 있도록 핵심적인 역할을 하는 것이 배터리 관리 전자장치이다. 최종 사용자들에게는 단순히 배터리 박스로만 보이겠지만, 배터리 팩의 동작 범위, 수명, 안전성, 신뢰성을 극대화하기 위해서는 모든 개별 배터리 셀을 세심하게 관리해야 한다.
그렉 짐머 (Greg Zimmer) _ 리니어 테크놀로지
