새로운 48V 전력 시스템은 ICE 구동 차량의 연료 소모를 대폭 절감하기 위한 최후의 방법 중 하나이다.
또한 차량 제조업체들은 이 시스템을 통해 신형 차량의 배터리 수명을 한층 늘릴 수 있게 된다.

<글/게르노트 헨(Gernot Hehn), ams>

현재 사용되고 있는 차량들은 12V 배터리로 작동하는 전기 시스템과 함께 관련 전력 관리 시스템이 통합되어 있다. 하지만 현재 이러한 12V의 전력 시스템을 용량 한계치까지 몰고 가는 다음과 같은 두 가지 요구사항이 있다.

① 유럽 연합의 2020년 자동차 및 밴 관련 표준에서는 CO2 배출량 목표를 제조업체의 전체 차량에 대해 95g/km로 규정하고 있다. 이는 최소한 전체 차량의 일부만이라도 전기 구동계를 더 많이 도입해야만 도달할 수 있는 수치이다.

②고객의 요구에 따라 실내 온도 제어, 고급 안전 시스템(예: 브레이크 잠김 방지 장치 및 구동력 제어장치), 네비게이션 시스템, 온보드 엔터테인먼트, 내부 시트 난방과 같은 유용한 기능이 광범위하게 도입되고 있다.

이러한 두 가지 요인으로 인해 전기 시스템의 부하가 기존 12V 시스템의 용량 한계치와 비슷한 3kW를 넘어서고 있다. 그 결과, 배터리의 고장 시기가 앞당겨지고 사용자는 짧은 차량 배터리 수명에 불만족을 표하는 상황이발생하고 있다.
이 문제를 해결하기 위해 자동차 전력 시스템에 두 가지 대대적인 변화가 제안되었다. 첫 번째로, 일부 차량 제조업체에서는 48V 파워 버스를 도입할 계획을 세우고 있다. 이처럼 보다 높은 전압의 네트워크를 활용하면 동일 하거나 훨씬 좁은 지름의 케이블로 더 높은 부하(최대 10kW)를 지원할 수 있게 된다. 두 번째로, 취약한 특성의 납산(Lead-Acid) 배터리 유형을 리튬 기반 배터리(주로 LiFePO4 또는 LiTi2O3)로 대체하는 것이다. 이렇게 하면 더 많은 충전/방전 주기를 지원하여 배터리 수명을 더 오래 늘릴 수 있게 된다.

이를 통해 이미 12V 파워 버스에 부하를 더하고 있는 애플리케이션 외에도 차량에 완전히 새로운 애플리케이션을 도입할 수 있게 되는데, 이러한 애플리케이션에는 다음이 포함될 수 있다.

◎ ICE (Internal Combustion Engine: 내연 기관)를 지원하는 전기 수퍼차징
◎ 터치 세이프(Touch-safe) 전압 도메인에서 작동하며 브레이크 에너지를 재생하는 마일드 하이브리드 솔루션
◎ 벨트리스 연소 엔진

하지만 이러한 새로운 시스템을 도입하려면 차량의 전기 토폴로지를 대폭 변경해야 한다. 새로운 48V 시스템은 기존의 12V 시스템과 나란히 작동하지만 48V 버스는 고전력 입출력이 필요한 기능에만 전력을 공급하며, 나머지 기능은 계속해서 12V 버스를 통해 작동한다. 그런데 DCDC 컨버터를 활용하면 두 전압 도메인 사이에 배터리 전력을 분산시킬 수 있다. 또한 새로운 48V 시스템을 도입 하려면 현재 널리 사용되고 있는 CAN(Controller Area Network) 버스와 같은 통신 시스템도 수정해야 할 수 있다.

마지막이지만 마찬가지로 중요한 사항은 새로운 리튬 배터리를 사용하는 것이다. 리튬 배터리는 더 많은 전력 사용량을 지원하기 위한 충분한 용량을 갖추고 있으며 납산 배터리보다 훨씬 정교한 배터리 관리 및 진단 시스템을 필요로 한다.
자동차 전기 디자이너의 과제는 복잡한 회로 설계에 부품을 많이 사용하지 않으면서 저전압 도메인과 고전압 도메인의 분리, 긴배터리 수명, 안전한 작동을 함께 실현하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 구현하는 일이다.

48V 자동차전력 시스템의 개발은 초기 단계에 머물러 있으므로 아직은 이러한 목표를 달성하기 위해 적극 활용되는 단일 아키텍처나 접근 방식이 없는 상황이다.

그림 1에 나와 있는 회로는 이 과제를 해결하기 위한 고도로 통합된 접근방식을 보여 준다. 이 회로의 구현은 간단하면서도 매우 정확한 셀 전압 및 전류 측정 기능을 갖추고 있다. 또한 모든 셀에 걸쳐 충전 레벨의 밸런싱을 정밀하게 유지하고 에너지보존 용량을 극대화하며 모든 전력 사용 레벨에 요구되는 최소 충전/방전 주기 횟수를 유지한다. 그림 1에 나와 있는 시스템은 다음과 같은 48V BMS의 네 가지 주요 기능을 구현한다.

① 배터리 팩 전압, 개별 셀 전압 및 전류의 측정. 이러한 데이터는 배터리를 안전한 작동 영역 범위 이내로 유지하는 데 사용된다.
② 셀 밸런싱

③ 12V 도메인과 48V 도메인 분리
④ 48V 도메인의 페일 세이프(Fail-safe) 연결 해제

첫 번째 기능은 BMS 시스템의 일반적인 요구 사항이다. 자동 시동/정지 기능을 갖춘 오늘날의 12V 차량에서는 배터리의 충전 상태(SOC)를 50% 이상으로 유지해야 한다. 이를 통해 엔진 시동 메커니즘을 구동하기에 충분한 용량이 지속적으로 유지되는 것이다.
하지만 이는 실현하기가 상당히 까다로운 기술이다.
리튬 기반 배터리(대부분의 경우 모든 LiFePO4 유형)는 방전 전압 곡선이 매우 평평한 형태로 나타난다(그림 2 참조). 즉, 출력 전압은 방전이 진행되는 과정에서 매우 점진적으로 감소하다가 SOC가 0%에 가까워지면 급격히 빠른 속도로 떨어지게 되는 것이다(손쉽게 측정 가능). 이로 인해 전압 관리 기능만으로는 SOC를 효과적으로 파악할 수가 없는 것이다. 실제로, 리튬 배터리의 SOC를 가장 효과적으로 모니터링하는 방법은 개방 회로 전압을 측정하여 측정 시작 지점을 설정한 후 쿨롱 계산 (Coulomb Counting)을 수행하여 배터리에 존재하는 총전류를 측정하는 것이다. 이렇게 하면 전압 채널에 매우 높은 정확도가 요구될 뿐 아니라 오프셋 없는 전류 측정경로가 필요한데, 그림 1의 회로에 나와 있는 ams AS8510 배터리 센서 인터페이스는 이러한 두 가지 요구사항을 모두 해결해 준다.

신호 컨디셔닝 기능과 16비트 ADC 2개가 통합된 AS8510은 팩 전압 측정을 위해 AS880x 고정밀 감쇠기와 결합되어 있다. 이 회로의 정확도는 기존 이산 구현의 정확도를 뛰어넘어 0.2%의 정확도 레벨에 도달하는 것으로 확인되고 있다.
이 센서 인터페이스는 쿨롱 계산도 수행하는데, 이를 위해 Isabellenhuette의 100μΩ 망가닌(Manganin) 션트 저항이 함께 사용된다. AS8510의 특성은 이 특별한 션트 저항과 적절한 조화를 이룬다. 따라서 디자이너는 자동차 온도 범위 전반에 걸쳐 0.5% 이상의 시스템 레벨 정확도를 실현하고 전체 측정 범위에서 제로 오프셋을 달성할 수 있다.

긴 배터리 수명

그림 1에 나와 있는 시스템 설계는 리튬 기반 배터리에 요구되는 셀 밸런싱도 수행한다. 리튬 배터리 팩과 마찬가지로 납산 배터리는 여러 개의 개별 셀(에너지 저장 단위)로 구성되어 있다. 모든 배터리에는 셀 간에 임의의 편차가 존재하기 때문에 다른 셀이 완전히 충전되기 전에 일부 셀이 먼저 충전되는 현상이 발생하게 된다. 배터리 관리의 목적은 모든 셀이 동일한 충전 상태를 유지하도록 하는 것이다. BMS가 이러한 목표를 보다 충실히 달성할수록 배터리 용량이 개선되고 배터리의 수명이 길어지게 된다.

납산 배터리의 셀은 서서히 진행되는 과충전을 견딜 수 있다. 이러한 특성을 셀 밸런싱 기법으로 활용하면 이미 완전히 충전된 셀은 추가적인 에너지를 열로 발산하는 동시에 나머지 셀은 계속 충전되도록 할 수 있다.

하지만 리튬 배터리는 과충전에 매우 민감하기 때문에 이러한 기법은 리튬 셀의 밸런싱에는 사용할 수 없다. 대신 충전/방전 주기 전반에 걸쳐 셀 간에 전하를 계속해서 재분산시켜야 한다. 이 기능은 일반적으로 리튬 셀이 포함된 소비자 기기에 구현되지만 차량에서는 전자기 호환성(EMC)에 대한 엄격한 요구 사항으로 인해 작업이 복잡해지는 특성이 있다.

ams에서 새롭게 선보인 AS8506 IC는 동기화된 내장 오프셋 프리 비교기를 사용하여 밸런싱을 수행해야 하는 셀을 국부적으로 결정한다(그림 3참조). 기존의 셀 밸런싱 설계와 달리 이 시스템은 마이크로컨트롤러의 개입 없이도 작동한다.
이를 통해 다음과 같은 유용한 이점을 얻을 수 있다.

◎ 마이크로컨트롤러를 위한 애플리케이션 소프트웨어를 작성할 필요가 없어 구현이 용이해진다. 또한 이를 통해 마이크로컨트롤러에 대해 데이터 전송 속도가 높은 신호 경로를 사용할 필요가 없어지는데, 이러한 신호 경로는 EMC에 민감한 환경에서 문제를 일으키는 특성이 있다.
◎ 셀 모니터링 데이터가 손실률이 높은 아날로그-디지털 변환을 거치지 않으므로 정확도를 높일 수 있다.

48V 도메인과 12V 도메인을 별도로 유지

전압 도메인을 분리하기 위해 고저항 전압 디바이더가 사용된다. 장애가 발생할 경우 직렬 저항과 함께 3.9V의 제너(Zener) 다이오드가 다른 부품에 손상이 발생하기 전에 과도한 전압을 소산시키거나 CAN 버스로 넘긴다. 이 디자인을 활용하면 광 또는 자기식 커플러 같은 값비싼 절연 부품을 사용하지 않고도 전압 도메인을 안전하게 분리할 수 있다.
차량에 사고가 발생하거나 배터리가 작동 범위 한계에 도달하는 경우에는 배터리 팩을 48V 경로에서 완전히 분리하는 것이 바람직하다. 또한 차량을 장기간 사용하지 않는 경우에도 이렇게 해야 한다. 이렇게 하려면 배터리 양의 전압 레일에 고전압 릴레이를 배치하면 된다. 마지막으로, AS8601 SBC(System Basis Chip)는 전체 BMS에 전력을 공급하며 CAN 송수신기가 통합되어 있다.

요약

새로운 48V 전력 시스템은 ICE 구동 차량의 연료 소모를 대폭 절감하기 위한 최후의 방법 중 하나이다. 또한 차량 제조업체들은 이 시스템을 통해 신형 차량의 배터리 수명을 한층 늘릴 수 있게 된다. 구축에 소요되는 비용과 전기 네트워크 토폴로지를 완전히 새롭게 설계해야 할 필요성으로 인해 지금까지 구축이 미뤄져 있다. 하지만 리튬배터리 가격이 빠른 속도로 떨어지고 차량 제조업체들이 양산 제품의 CO2 배출량을 줄이도록 집중적인 압박을 받고 있는 지금과 같은 상황에서는 48V 파워 버스의 대대적인 약진을 목전에 두고 있다고 볼 수 있다. ams는 즉시 사용 가능한 IC로 구현할 수 있는 검증된 아키텍처를 제공하므로 차량 제조업체에 최상의 출시 시간을 보장하는 것은 물론, 고도로 정확하게 구현된 SOC 측정 및 셀 밸런싱 기능을 제공할 수 있다.

<반도체네트워크 7월>