하이브리드/전기 자동차를 위한 배터리 관리구조 - Technology

차세대 전기(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)는 새로운 배터리 기술 개발을 촉진시키고 있다. 비용을 최소화하고 효율을 극대화하려면 자동차 시스템 설계자는 사용 가능한 전체 배터리 저장 용량을 모두 이용할 수 있어야 한다. 배터리 모니터링 구조는 비용과 신뢰성에 영향을 미치지 않으면서 종합적이고 정확하고 견고해야 한다.

하이브리드/전기 자동차를 위한 배터리 관리구조

유연하고 정확한 배터리 모니터링

글│Jim Douglass, Linear Technology 설계 관리자

차세대 전기(EV) 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)는 새로운 배터리 기술 개발을 촉진시키고 있다. 비용을 최소화하고 효율을 극대화하려면 자동차 시스템 설계자는 사용 가능한 전체 배터리 저장 용량을 모두 이용할 수 있어야 한다.

배터리 모니터링 구조는 비용과 신뢰성에 영향을 미치지 않으면서 종합적이고 정확하고 견고해야 한다. Linear Technology에서 새로 나온 LTC6802는 설계자에게 시스템을 최적화하여 필요한 성능을 달성하는데 필요한 유연성을 제공한다.

EV 및 HEV를 위한 배터리 기술은 놀라운 발전을 보여주었다. 배터리 에너지 밀도는 꾸준히 증가하여 최근의 배터리는 안정적으로 수천 번 충전 및 방전할 수 있다. 설계자가 에너지 용량 및 성능 개선으로 성취된 이러한 향상을 효과적으로 이용할 수 있다면 EV 및 HEV는 비용, 신뢰성 및 수명이라는 측면에서 전통적인 차량과 경쟁할 수 있는 가능성이 있다.

배터리의 지정된 용량은 배터리가 100% 충전 상태(SOC)로부터 0% SOC까지 배터리가 공급할 수 있는 충전 양을 가리킨다. 100% SOC 충전 또는 0% SOC 방전은 배터리의 수명을 급격히 단축시킨다. 배터리는 완전 방전 또는 완전 충전 상태가 되지 않도록 신중하게 관리해야 된다.

10% SOC~90% SOC(지정된 용량의 80% 사용) 사이에서 사용하는 경우 30%~70% SOC(용량의 40%) 사이의 사용과 비교할 때 전체 충전 사이클 횟수가 3배 감소할 수 있다.

효과적인 배터리 용량과 배터리 수명 간의 절충은 배터리 시스템 설계자에게 주요한 해결 과제를 제공한다. 위에서 언급된 40% 사이클링과 80% 사이클링 경우를 비교하여 고려해 보자.

만약 시스템이 배터리 수명을 3배 증가시키기 위해 배터리를 단 40% 사이클링으로 제한한다면 80% 사이클링의 경우와 동일한 가용 용량을 얻기 위해서는 배터리 크기가 두 배가 되어야 한다. 이것은 배터리 시스템의 무게와 수량을 두 배로 증가시킨다는 것을 의미하며, 이에 따라 비용이 증가하고 효율이 떨어질 것이다.

자동차 제조업체는 일반적으로 10년 이상의 배터리 수명을 요구하고, 그 다음으로 필요한 가용 배터리 용량을 지정한다. 배터리 시스템 설계자의 과제는 최소형 배터리 팩으로부터 최대 용량을 빈틈없이 끌어내야 한다. 이를 위해 배터리 시스템은 정밀한 전자장치를 사용하여 배터리를 신중하게 제어하고 모니터링해야 한다.

전기 자동차 배터리 팩 시스템

전기 자동차 배터리 팩은 일렬로 연결된 십여 개의 배터리로 구성된다. 일반적인 하나의 팩에 96개 정도의 배터리로 구성된 스택이 있는 경우도 있기 때문에 4.2V로 충전되는 리튬 이온 배터리의 경우 전체 전압이 400V를 넘을 수 있다.

자동차 파워 시스템은 배터리 팩을 단일의 고전압 배터리로 인식(전체 배터리 팩을 한 번에 충전 및 방전)하는 반면 배터리 제어 시스템은 각 배터리의 상태를 개별적으로 고려해야 한다. 만약 스택에 있는 하나의 배터리가 다른 배터리보다 다소 적은 용량을 갖는다면 그 배터리의 충전 상태는 여러 번의 충전/방전 사이클을 거치면서 서서히 나머지 배터리로부터 편차를 보인다.

만약 셀의 충전 상태가 나머지 배터리와 정기적으로 균형이 맞지 않을 때는 결국 과방전 상태가 되어 손상이 발생되고 마침내는 배터리 스택 전체가 못 쓰게 된다. 이를 방지하려면 각 셀의 전압을 모니터링하여 충전 상태를 결정해야 한다. 이 밖에도 SOC 균형을 맞추도록 셀을 개별적으로 충전 또는 방전하는 기능이 있다.

배터리 팩 모니터링 시스템의 중요한 고려사항 중 하나는 통신 인터페이스이다. PC 보드와 통신을 위해 일반적으로 SPI(Serial Peripheral Interface) 버스와 I2C(Inter-Integrated Circuit) 버스가 사용될 수 있다. 각각은 적은 통신 오버헤드를 가지며 간섭이 적은 환경에 적합하다.

다른 옵션으로는 자동차 애플리케이션에서 많이 사용되는 CAN(Cont-roller Area Network) 버스가 있다. CAN 버스는 매우 견고하며 에러 검출 기능과 오류에 대해 어느 정도 면역성을 갖고 있지만 통신 오버헤드가 크고 재료 비용이 높다.

배터리 시스템으로부터 주 자동차의 CAN 버스를 연결하는 인터페이스가 바람직하다고 할 수 있지만, SPI 또는 I2C 통신은 배터리 팩 내부에서 장점을 갖는다고 볼 수 있다.

Linear Technology는 배터리 시스템 설계자가 이러한 어려운 요구사항을 만족할 수 있는 소자를 발표했다. LTC6802는 배터리 스택 모니터 IC로 최고 12개의 스택 셀의 셀 전압을 측정할 수 있다. 또한 LTC6802에는 스택의 나머지 배터리와 균형을 맞추도록 개별 셀의 방전을 제공하는 스위치가 내장되어 있다.

배터리 스택 구조를 살펴볼 수 있도록 96개의 Li-Ion 셀로 구성된 시스템을 고려해 보자. 전체 스택을 모니터링하기 위해서는 8개의 LTC6802가 필요하며, 각각의 소자는 다른 전압 레벨에서 동작한다. 하단의 모니터링 소자는 4.2V 리튬 이온 배터리를 사용하여 0V~50.4V 범위의 전위차를 갖는 12개 배터리를 담당한다.

다음의 배터리 그룹은 50.4V~ 100.8V의 범위를 가지며 이런 방식으로 스택 끝까지 이어진다. 다른 전위차를 갖는 이들 소자 간의 통신은 어려운 과제이다. 다양한 방법이 고려되었으며 각 방법은 자동차 제조업체의 우선순위에 따라 장단점을 갖는다.

배터리 모니터링 요구사항

배터리 모니터링 시스템 구조를 결정할 때 균형을 맞추어야 하는 최소 5개의 주요 요구사항이 있다. 이들의 상대적 중요성은 최종 고객의 요구와 기대에 의해 결정된다.

정확도

최대 가능한 배터리 용량을 이용할 수 있으려면 배터리 모니터가 정확해야 한다. 그러나 자동차는 잡음이 많은 시스템으로 넓은 주파수 범위에서 EMI가 존재한다. 정확도가 조금이라도 떨어지면 배터리 팩 수명과 성능에 나쁜 영향을 미친다.

신뢰성

자동차 제조업체는 모든 전력 소스에 대해 매우 높은 신뢰성 표준을 요구한다. 더욱이 일부 배터리 기술의 높은 에너지 용량과 잠재적인 휘발성은 주요 안전 문제가 된다. 보수적 조건에서 셧다운하는 페일 세이프 시스템은 비록 승객들이 오도 가도 못하는 상황이 발생할 수 있는 가능성이 있더라도 치명적 배터리 고장보다 바람직하다.

따라서 배터리 시스템은 시스템의 전체 수명 동안 완벽한 제어를 제공할 수 있도록 신중하게 모니터링되고 제어되어야 한다. 의사 및 실제 고장(false and real failures)을 모두 최소화하기 위해 잘 설계된 배터리 팩 시스템은 견고한 통신, 최소화된 고장 모드, 고장 검출 기능을 제공해야 한다.

제조 용이성

최근의 자동차는 복잡한 배선 시스템을 포함하여 이미 매우 많은 전자장치를 탑재하고 있다. EV/HEV 배터리 시스템을 지원하기 위해 복잡한 전자장치와 배선을 추가함에 따라 자동차 제조의 복잡성이 증가한다. 엄격한 크기와 무게 제한을 만족하면서 양산에 들어가기 위해서는 부품과 연결의 전체 수를 최소화해야 한다.

비용

복잡한 전자 제어 시스템은 많은 비용이 들 수 있다. 마이크로컨트롤러, 인터페이스 컨트롤러, 갈바니 절연, 크리스털과 같은 상대적으로 비싼 부품 수를 최소화하면 전체 시스템 비용을 크게 줄일 수 있다.

전력

배터리 모니터 자체는 배터리에 부하가 될 수 있다. 낮은 능동 전류는 시스템 효율을 높여주며 낮은 대기 전류는 자동차의 시동이 꺼져 있을 때 과도한 배터리 방전을 방지한다.

배터링 모니터링 구조

배터리 모니터링 시스템을 위한 4개 구조는 그림 1~4에 나와 있으며 아래에서 설명한다. 표 1은 12개 배터리의 8개 그룹으로 구성된 96개 배터리 시스템을 가정하여 각 구조의 장단점을 요약한 것이다. 모든 경우에서 1개의 LTC6802가 각 그룹의 12개 배터리를 모니터링한다.

표 1. 배터리 모니터링 구조 비교

병렬 독립

CAN 모듈

CAN 게이트웨이가 있는 병렬 모듈

CAN 게이트웨이가 있는 단일 모니터링 모듈

CAN 게이트웨이가 있는 직렬 모듈

정확도

LTC6802는 배터리 모듈에만 해당

민감한 아날로그 와이어는 단일 보드로 라우팅

LTC6802는 배터리 모듈에만 해당

신뢰성

CAN은 케이블을 통한 견고한 통신을 제공하지만 별도의 회로가 고장 모드를 증가시킬 수 있다.

SPI 인터페이스는 케이블을 통한 CAN만큼 견고하지 않지만 통신은 병렬 부정적인 영향을 최소화한다.

단일 보드에서만 이루어지는 통신은 케이블 연괄과 통신 간섭에 대한 민감도를 최소화한다.

SPI 인터페이스는 케이블을 통한 CAN 만큼 견고하지 않다.

제조

용이성

많은 병렬 통신 배선 필요

단일 정밀 보드이나 아날로그 민감도로 인해 배선이 어려울 수 있다.

통신 배선은 모듈 간 직렬로 연결

비용

- -

마이크로컨트롤러, CAN 인터페이스 및 모든 모듈에 절연 필요, 주 컨트롤러 보드

단일 마이크로컨트롤러 및 CAN트랜시버가 필요하지만 디지털 절연기가 내장된 별도의 정밀 PC 보드

1개의 정밀 PC 보드에 단일 마이크로컨트롤러, CAN 트랜시버, 절연기 내장

단일 마이크로컨트롤러, CAN 트랜시버, 절연기가 필요하지만 별도의 정밀 PC 보드

전력

- -

여러 개의 마이크로컨트롤러와 CAN 인터페이스가 과도한 전력 소비 요구

고속 디지털 절연기는 전류 소비가 큼

저전력 SPI 인터페이스가 있는 최소 회로

최소 회로이나 SPI 인터페이스는 보드 간 통신을 위해 더 많은 전력 필요

각 구조는 자동적인 배터리 모니터링 시스템으로 설계되었다. 각각은 자동차의 주 CAN 버스에 CAN 버스 인터페이스를 제공하며 자동차의 나머지 부분과 갈바니 절연된다.

병렬 독립 CAN 모듈

각 12개 배터리 모듈은 LTC6802가 탑재된 PC 보드, 마이크로컨트롤러, CAN 인터페이스 및 갈바니 절연 트랜스포머로 구성된다. 시스템에 필요한 많은 양의 배터리 모니터링 데이터가 자동차의 주 CAN 버스에 부담을 줄 수 있으므로 CAN 모듈을 로컬 CAN 서브넷에 배치할 필요가 있다. CAN 서브넷은 자동차의 주 CAN 버스에 게이트웨이를 제공하는 마스터 컨트롤러에 의해 조정된다.(그림 1)

그림 1. 병렬 독립 CAN 모듈

CAN 게이트웨이가 있는 병렬 모듈

각 12개 배터리 모듈은 LTC6802가 탑재된 PC 보드와 디지털 절연기로 구성된다. 모듈은 마이크로컨트롤러가 탑재된 컨트롤러 보드, CAN 인터페이스, 갈바니 절연 트랜스포머에 독립적인 인터페이스 연결을 갖는다. 마이크로컨트롤러는 모듈을 조정하며 자동차의 CAN 버스에 게이트웨이를 제공한다.(그림 2)

그림 2.CAN 게이트웨이가 있는 병렬 모듈

CAN 게이트웨이가 있는 단일 모니터링 모듈

이 구성에서 12개 배터리 모듈 내에는 모니터링 및 제어 회로가 없다. 대신 단일 PC 보드는 8개의 LTC6802 모니터 IC를 탑재하고 있으며, 각각은 배터리 모듈에 연결된다. LTC6802 소자는 비절연 SPI 호환 직렬 인터페이스를 통해 통신한다.

단일 마이크로컨트롤러는 SPI 호환 직렬 인터페이스를 통해 배터리 모니터의 전체 스택을 제어할 뿐 아니라 자동차의 주 CAN 버스에 게이트웨이를 제공한다. CAN 트랜시버와 갈바니 절연 트랜스포머가 배터리 모니터링 시스템을 완성한다.(그림 3)

그림 3. CAN 게이트웨이가 있는 단일 모니터링 모듈

CAN 게이트웨이가 있는 직렬 모듈

이 구조는 단일 모니터링 모듈과 유사하지만 12개 배터리 모듈 내에서 각 LTC6802가 PC 보드에 탑재된다는 차이점이 있다. 8개 모듈은 LTC6802 비절연 SPI 호환 직렬 인터페이스를 통해 통신하며 3개 또는 4개 도체 케이블로 양쪽의 각 쌍의 배터리 모듈을 연결해야 한다.

단일 마이크로컨트롤러는 하단의 모니터 IC를 통해 배터리 모니터의 전체 스택을 제어하며 자동차의 주 CAN 버스에 게이트웨이 역할도 한다. 여기에서도 CAN 트랜시버와 갈바니 절연 트랜스포머가 배터리 모니터링 시스템을 완성한다.(그림 4)

그림 4. CAN 게이트웨이가 있는 직렬 모듈

배터리 모니터링 구조의 선택

첫 번째와 두 번째 구조는 일반적으로 연결 수가 많고 병렬 인터페이스에 외부 절연이 필요하므로 문제가 있다. 이러한 추가된 복잡성을 위해 설계자는 각각의 모니터 소자에 독립적인 통신을 갖는다.

세 번째(CAN 게이트웨이가 있는 단일 모니터링 모듈)와 네 번째(CAN 게이트웨이가 있는 직렬 모듈) 구조는 최소 제한을 갖는 간편한 방법이다. LTC6802는 4개의 모든 구성을 지원할 수 있으며, 시스템 설계자는 LTC6802를 직렬 및 병렬로 구성할 수 있는 두 가지 선택을 갖는다.

LTC6802-1은 스택 SPI 인터페이스 구성으로 사용하도록 설계되었다. 외부 레벨 시프터 또는 절연기를 사용하지 않아도 데이터를 배터리 스택으로 올려보내고 내려보내는 인터페이스를 통해 여러 개의 LTC6802-1 소자를 직렬로 연결할 수 있다. LTC6802-2는 병렬 구조에서 개별적인 소자 어드레싱이 가능하다. 두 가지 구성은 모두 동일한 모니터링 규격과 성능을 갖는다.

각 자동차는 배터리 팩에 매우 많은 것을 요구한다. 자동차 제조업체는 그들의 엄격한 신뢰성 요구사항을 만족하는 경제적인 배터리 시스템을 기대한다. Linear Technology에서 나온 최신 배터리 모니터링 IC는 시스템 설계자에게 성능을 손상시키지 않으면서 최고의 배터리 팩 구조를 선택할 수 있는 유연성을 제공한다.