리튬 배터리 관리 시스템
기능적 안전성 규정에 최적화된 새로운 아키텍처

Manfred Brandl, Gernot Hehn   ams AG


유럽 각국 정부의 계획대로 일이 진행된다면, 앞으로 몇 년 내 유럽의 도로에서는 더 많은 하이브리드 및 전기차를 볼 수 있게 될 것이다. 그리고 자동차 업계에서 리튬 이온 배터리를 주요 배터리 옵션으로 선택함에 따라, 리튬 배터리를 모니터링하고 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 장착한 차량의 수도 급증할 것으로 예상된다.
하지만 기능적 안전성 표준인 ISO26262라는 그림자가 자동차 부문의 여러 신규 설계 프로젝트에 드리워져 있다. 설계를 ISO26262 규정에 맞추고 관련 내용을 문서화하는 프로세스는 자동차 시스템 설계 시간과 작업량을 크게 증가시키기도 한다. 특히 리튬 BMS 구현에서 그 영향이 크게 나타나고 있다. 복잡한 소프트웨어와 정교한 프로세서가 포함된 설계 때문에, 자동차 장비 공급업체는 어쩔 수 없이 ISO26262 규정을 준수하는 데 많은 리소스를 투입할 수밖에 없다.
그런데 복잡한 소프트웨어 없이 단순한 로우엔드 마이크로컨트롤러로 구현 가능하며 향상된 셀 모니터링 성능을 제공하는, 완전히 새로운 BMS 아키텍처가 탄생했다. 여기서는 그 아키텍처에 대해 설명하고, ISO26262 규정 준수를 위한 프로세스를 간소화하는 데 어떤 효과가 있는지 알아본다.

기능적 안전성에 대한 요구

기능적 안전성에 대한 요구가 자동차 시스템 설계의 판도를 바꾸어 놓은 것은 자명하다. 특히 기능적 안전성 설계의 엄격한 프로세스 때문에 예측 가능한 사용 사례에서 설계의 안전성을 보장할 지능형 결함 감지 기능이 필요해졌다. 이로 인해 기능적 안전성 요소가 포함된 설계를 개발하는 작업의 강도가 심화되었다.
안전성이 특히 중요한 시스템에서는 하드웨어 구성 부품의 정확한 작동 모델과 프로세스 문서화 기능을 제공할 수 있는 반도체 제조업체를 이용할 경우 규정 준수 부담을 크게 덜 수 있다. 일례로 ams는 자사의 자동차용 IC 제품에 대해 FIT(Failure-in-Time) 비율, 고장 모드 및 안전성 기능에 대한 데이터를 FMEDA(Failure Mode Effects and Diag-nostic Analyses)라는 문서로 고객에게 제공하고 있다.
기존에 BMS 제조업체가 안고 있던 문제점은 배터리 시스템의 개별 리튬 셀에서 중요한 전압 수치를 읽어내는 셀 모니터링 시스템에 복잡한 소프트웨어와 센서 간 민감한 통신 연결, 그리고 하이엔드 프로세서가 포함되어 있다는 점이었다. 이러한 이유로 ISO26262의 기능적 안전성 표준을 준수하기가 어려웠다.

새로운 BMS 아키텍처

BMS는 기본적으로 배터리의 안전한 작동을 보장하고 작동 수명(주기 수명)을 연장하며 입력 전하의 양에 관계없이 런타임을 최적화하는 기능을 담당한다. 리튬 배터리의 경우 BMS는 다음 사항을 위해 충전 상태(SOC), 건강 상태(SOH) 및 전압에 대한 정보를 지속적으로 참조한다.
•충전 및 방전 프로세스에 대한 결정
•‌잠재적인 고장 상태를 진단하고 기능적 안전성을 보장하기 위한 조치
•운전자에게 작동 정보 표시
작은 공간에서 높은 에너지 보존 용량을 제공하기 위해 가연성 물질과 산소를 사용하는 셀의 화학적인 특성상, 리튬 배터리는 기존의 밀폐형 납 배터리에 비해 악조건에 훨씬 취약하다. 특히 셀 전압과 셀 온도가 엄격하게 정해진 한계치 이내로 유지되어야 한다. 그렇지 않으면 사용 불능 상태가 되거나 연소되어 안전상 위험을 초래할 수 있다.
자동차용 리튬 배터리는 여러 개의 리튬 셀로 이루어진 조립품이다. ams에서 제안한 새로운 아키텍처의 경우, 배터리의 BMS에 팩 모니터와 셀 모니터링 시스템이 모두 사용된다. 팩 모니터는 전체 배터리 차원에서 전압, 온도 및 전류의 흐름을 측정한다. 이러한 기능은 ams의 AS8510과 같은 2채널 배터리 센서 인터페이스와 정밀 션트 레지스터 및 정밀 팩 전압 감쇠기를 결합하는 등의 방식으로 구현할 수 있다.
셀 모니터는 각각의 개별 셀에서 전압을 측정하고 선택한 위치에서 온도를 측정한다. 측정된 배터리 전압을 측정된 셀 전압의 합계와 비교하면 차량에서 BMS가 정상적으로 작동 중인지 확인할 수 있다. 이러한 검증 방식은 완전히 독립적인 측정 시스템을 기반으로 감지선에서 소프트웨어 콤퍼레이터까지 전체 셀 측정 신호 경로를 검증한다는 데 이점이 있다. 따라서 개별 IC 차원에서 기능적인 안전성 규정 준수 상태를 구현하는 기존 아키텍처보다 포괄적인 시스템 차원의 검증 기능이 제공된다.
하지만 이 아키텍처의 이점이 기능적 안전성 검증 기능에만 있는 것은 아니다. 현재 사용되고 있는 기존의 아키텍처는 SOC값을 정확하게 계산하기 위해 개별 셀에서 매우 정확한 전압 측정치를 얻어야 한다. 하지만 이 방식은 리튬 셀의 특성과 상충한다. 리튬 셀의 전압은 약 20% 방전 상태와 80% 방전 상태 사이이다. 따라서 SOC의 변화를 추적하려면 매우 작은 전압 변화를 정확하게 측정하는 기능이 필요하다. 또한 자동차용 리튬 배터리는 대부분 이러한 중간 SOC에서 작동하도록 설계되었다(운전 중 브레이크 회생 에너지를 흡수하기 위한 배터리 여유 용량을 남겨 두기 위해 대부분의 사용자는 배터리를 완전 충전하지 않는다).
실제 자동차용 배터리 시스템에서 초정밀, 초정확 셀 전압 측정 기능을 구현하는 것은 기술적, 비용적 측면에서 현실성이 거의 없는 것으로 알려져 있다. 반면 AS8510과 같이 제대로 된 제로오프셋 장치를 사용하여 정밀 션트 전류 감지 기능을 구현하는 것은 훨씬 쉽고 간단하다. 향상된 쿨롬(Coulomb) 통합 방식은 상대적으로 정밀도가 떨어지는 측정치를 참조하여 계산하는 경우에도 고도로 정확하고 신뢰할 수 있는 SOC 평가 결과를 제공한다.

지나치게 복잡한 소프트웨어

셀 전압 모니터링에 있어서 현재 관습적으로 이용되고 있는 방식은 각 셀의 전압을 순차적으로 측정하여 거의 실시간에 가깝게 강력한 호스트 컨트롤러로 데이터를 스트리밍하는 것이다. 그러면 컨트롤러의 소프트웨어는 전압 측정치를 전류 데이터와 함께 SOC, SOH 및 배터리 셀의 안전 작동 영역 분석 결과와 같은 유용한 정보로 변환해 준다. 이 방식의 가장 큰 단점은 복잡한 소프트웨어와 고속 데이터 통신이 필요하다는 점이다.
•‌복잡한 소프트웨어를 실행하기 위해서는 BMS에 높은 처리 성능을 갖춘 컨트롤러가 필요하다. 이러한 컨트롤러는 상대적으로 비싸다.
•‌안전이 특히 중요한 시스템에서 사용할 복잡한 소프트웨어를 설계하고 기능적 안전성을 검증하려면 막대한 개발 시간과 비용이 소요된다.
•‌센서와 호스트 컨트롤러 간에 전압 측정치를 전송하는 과정에서, 시스템은 엔진실에서 일반적으로 발생하는 노이즈와 간섭의 영향을 극복하며 고전압부터 저전압에 이르기까지 전 영역에서 전송을 관리해야 한다. 절연 커플러, 실드와 같은 주변 구성 부품을 사용하는 것도 시스템의 비용과 복잡성을 가중시킨다.

더욱 단순해진 아키텍처 : 로컬 셀 모니터링

하지만 이제 자동차용 리튬 배터리의 개별 셀을 모니터링하는 완전히 새로운 기법이 개발되었다. 여기에는 로컬로 모니터링 작업을 수행할 수 있는 새로운 IC가 사용된다. 전압 측정은 아날로그 방식으로 이루어진다. 즉, 여러 콤퍼레이터에 의해 셀 전압이 기준 전압과 비교된다.
무엇보다, 셀의 전압을 순차적으로 측정하는 것이 아니라 모든 셀의 전압을 동시에 비교한다는 점에 주목할 필요가 있다. 이 점에서 더 신뢰할 수 있는 결과가 나타난다. 순차 시스템에서는 전압 측정 간격에 발생하는 부하의 변화로 인해 셀 간 전압 차가 나타날 수 있다. 이러한 전압의 차이는 잘못된 결과로 이어지기 때문에 타임스탬프가 지정된 전압 측정치와 타임스탬프가 지정된 전류 측정치를 서로 일치시킨 후, 전압 측정치에 부하의 변화를 고려한 보정값을 적용시키는 복잡한 소프트웨어를 구현하지 않으면 BMS의 측정치가 쓸모가 없게 된다. 현재의 BMS 설계에서는 이러한 소프트웨어를 개발하느라 시스템 개발 프로세스와 규정 준수 프로세스에 시간이 많이 소요된다.
AS8506(그림 1 참조)이라는 새로운 아키텍처를 구현하기 위해 ams에서 개발한 IC를 사용할 경우, 셀 전압이 각각 7개의 셀(총 22개의 셀)을 지원할 수 있는 최대 32개의 IC로 구성된 스택에서 전체 배터리 셀 체인에 걸쳐 측정치가 동시에 비교된다. AS8506은 셀을 순차적이 아니라 동시에 비교하므로 부하 변화의 영향을 보정할 소프트웨어 프로그램이 필요 없다. 다시 말해 AS8506을 기반으로 하는 아키텍처는 기존의 설계보다 기본적으로 단순하고 더 정확하다. SOC 및 SOH 평가에서는 12비트 SAR ADC가 통합되어 기존 BMS와 마찬가지로 셀 절대 전압을 측정한다. 이러한 측정치는 SOC/SOH 평가를 위한 새 데이터와 진단이 필요할 때마다 수시로 데이지 체인을 구성하여 호스트 컨트롤러에서 저속으로 스트리밍된다. 모니터링과 밸런싱을 위한 모든 시간 임계적 결정은 하드웨어에서 로컬로 이루어지고 직접 진단 플래그를 통해 전달되므로, 이 통신 채널에는 높은 속도가 요구되지 않는다.
AS8506은 7개 셀의 각 모듈 내에서 ±1mV의 정확도까지 전압을 비교할 수 있다. 또한 패시브 셀 밸런싱을 로컬로 구현하는 통합 비교 기능을 지원한다(그림 2 참조). 자동차 제조사에서 사용하는 고품질 리튬 셀에서는 자체 방전 전류나 셀 제어 IC에서 발생하는 전류의 미세한 차이가 셀 간 SOC (및 출력 전압)의 미세한 불균형을 초래한다. 이러한 미세한 불균형은 셀에서 100mA 이하의 미세한 밸런싱 전류를 프로그래밍 가능한 상한 임계값을 상회하는 전압으로 방전함으로써 바로 잡을 수 있다. 이는 AS8506에 통합된 스위치의 기능으로 내장되어 있다.
결과적으로, AS8506은 호스트 컨트롤러와 통신하지 않으면서 셀 밸런싱 기능을 구현하는 데 사용할 수 있다.
AS8506은 전압 비교 정확성이 매우 높으므로 7개의 셀로 이루어진 셀 모듈 내에서 일반적으로 전압 차이가 극도로 작은 중간 SOC에 있는 리튬 인산화철 셀까지 밸런싱할 수 있다.
물론 BMS를 지원하려면 AS8506이 절대 측정값을 컨트롤러에 전달해야 한다. 하지만 여기서도 시스템 설계자는 기능적 안전성을 쉽게 구현할 수 있다. 아키텍처에서 이중 통신 링크가 지원되기 때문이다. 진단 신호는 우선 순위가 높다. 셀의 전압이 안전 임계값을 넘으면 즉각적으로 신호를 보내 컨트롤러가 필요한 조치를 신속하게 취할 수 있도록 해야 한다. 전용 CVT_NOK_OUT 핀을 통해 전송되는 신호는 마이크로컨트롤러에 셀 전압 중 하나 이상이 작동 전압 범위를 벗어났다는 것을 알린다.
SOC 및 SOH 모니터링을 위해 개별 셀 전압 측정치가 대체 링크를 통해 전송된다. 대체 링크로 사용되는 느리고 강력한 직렬 통신 채널은 순환 중복 검사(CRC) 기능을 갖추고 있어 간섭에 대한 내성이 높다.
셀 모니터링 및 로컬 패시브 셀 밸런싱 기능의 구현 방식은 ams에서 개발한 데모 시스템(그림 3 참조)에서 연구할 수 있다. 이 시스템의 데이지 체인 통신 설계는 전기 자동차에서 AS8506 유닛 4개를 연결하여 최대 16개의 셀로 이루어진 배터리를 모니터링하는 테스트를 거쳤다. 테스트에서 인버터와 전기 모터를 100A의 최대 순간 전류로 작동했을 때 링크의 비트 오류 문제가 나타나지 않았다.

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ams가 개발한 데모 시스템은 동시 전압 비교 기능과 로컬 패시브 셀 밸런싱 기능을 제공하는 아키텍처에서 리튬 셀 모니터링 및 밸런싱 기능을 보다 간단하고 저렴하게 구현할 수 있다는 것을 보여 준다. AS8506을 사용한 이 설계는 자동차 제조사가 오늘날의 리튬 BMS에서 소프트웨어 기반 셀 모니터링 및 밸런싱 기능을 구현하는 데 동반되는 높은 비용과 복잡성을 피하는 데 도움이 된다.
AS8506을 사용함으로써 자동차 제조사가 얻을 수 있는 이점은 BOM(Bill-of-Materials)이 적고 셀 절대 전압 측정에 대한 정확도 요건이 덜 까다로운 시스템에서 강력하고 유연한 차량용 전기 배터리 관리 솔루션을 구현할 수 있게 된다는 것이다.