기술기고문
고전압 전기차를 위해 설계된 저전압 배터리 모니터
글/ 크리스토퍼 고복(Christopher Gobok), 제품 마케팅 및 운영 매니저(Product Marketing and Operations Manager), 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
자동차 역사의 대부분 혁신은 배출 가스를 줄이고 ICE의 연소 효율을 높이면서 편안한 사용자 경험을 제공하는 데 초점을 맞춰왔다. 그러나 ICE 자동차에서 최근 혁신의 상당히 많은 부분은 샤시 시스템에서부터 파워 트레인, 자율 및 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS), 인포테인먼트 및 안전 시스템에 이르기까지 전자장치 향상의 직접적인 결과이다. EV는 많은 부분에서 ICE 자동차와 동일한 전자 시스템을 탑재하며, 여기에 동력 전달 계통 자체가 추가된다. 마이크론 테크놀로지에 따르면, EV 가격에서 전자장치가 차지하는 부분이 75%에 이르며, 반도체 기술의 발전으로 다양한 전자장치 모듈과 서브시스템의 비용이 지속적으로 낮아지면서 전자장치가 차지하는 비중은 더욱 늘어날 전망이다. 심지어 인텔®과 같은 전통적인 비자동차 분야 업체들도 자동차 시장에 가세하고 있다.
제조업체와 소비자가 모두 EV에 들어가는 전자 서브시스템 중에서 EV의 심장인 배터리 시스템에 초점을 맞추는 것은 놀라운 일이 아니다. 배터리 시스템은 재충전 가능한 배터리 자체인 현재의 표준 리튬이온(Li-Ion) 및 배터리 사용과 안전을 극대화하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함한다. 아나로그디바이스의 BMS 솔루션은 배터리 모니터의 표준이다. ADI의 LTC2949 EV 배터리 팩 모니터는 차세대 EV BMS 설계를 주도하는 광범위한 스마트 BMS IC 포트폴리오에 새롭게 추가된 제품이다.
새로운 LTC2949 팩 모니터와 같은 BMS 측정 회로가 효과적이 되기 위해서는 정밀하고 빠르면서 높은 공통 모드 전압 제거가 가능하고, 저전력을 소비하며, 다른 기기와 안전하게 통신할 수 있어야 한다. 그 밖에 EV BMS가 다루어야 하는 기능에는 배터리 스택에서 에너지 재충전(회생 제동), 셀 밸런싱, 위험한 수준의 전압과 전류 및 온도 수준으로부터 배터리 스택 보호, 다른 서브시스템(충전기, 부하, 열 관리, 비상정지 등)과의 통신을 포함한다.
자동차 제조업체들은 정확도, 신뢰성, 제조 용이성, 비용, 전력 요구사항을 만족하기 위해 여러 BMS 모니터링 토폴로지를 사용한다. 예를 들어 그림 1에 보이는 분산형 토폴로지는 로컬 스마트를 이용한 높은 정확도, 직렬 연결된 배터리 팩의 높은 제조 용이성, IC 간 통신을 위한 저전력 SPI 및 isoSPI™ 인터페이스를 통한 최소 전력 소모와 높은 신뢰성을 제공한다.
여기서 LTC2949는 로우 사이드 전류 감지 구성에 사용되며, isoSPI 통신 라인은 하단 LTC6811-1 배터리 모니터와 병렬로 배치됐다. 향상된 신뢰성을 위해 2차 isoSPI 트랜시버를 배터리 스택 상단에 연결하고 양방향으로 통신할 수 있는 링 토폴로지를 생성하여 듀얼 통신 구조를 실현할 수 있다. SPI 마스터 컨트롤러와의 절연 통신은 LTC6820 isoSPI-SPI 신호 컨버터를 통해 구현된다. 아나로그디바이스의 적층형 LTC681x 멀티셀 배터리 모니터 제품군을 이용하여 최대 6, 12, 15 또는 18개의 직렬 연결된 배터리 셀의 개별 전압을 측정할 수 있으며, 단일 LTC2949는 전체 스택 파라미터를 측정하는 데 사용된다. LTC681x와 LTC2949는 함께 포괄적인 EV BMS 모니터링 솔루션을 구성한다. 일부에서 이 회로는 BMS의 아날로그 프론트엔드(AFE)로 더 잘 알려져 있다.
그림 1. LTC6811-1과 LTC2949를 이용한 분산형 EV BMS 모니터링 토폴로지
LTC2949는 특별히 EV를 위해 설계된 고정밀 전류, 전압, 온도, 충전, 전력 및 에너지 미터이다. 이러한 주요 파라미터를 측정함으로써 시스템 설계자는 전체 배터리 팩에 대한 다른 성능 지수는 물론 실시간 SOC와 SOH를 계산할 수 있는 필수적인 정보를 확보한다. 그림 2는 하이 사이드 전류 감지 구성에 사용되는 LTC2949의 블록 다이어그램을 보여준다. 여기 LTC2949는 가변 부동 토폴로지를 사용하므로 자체적인 14.5V 전압 정격의 제약을 받지 않고 매우 높은 전압 배터리 팩을 모니터링할 수 있다. LTC2949에 대한 전력은 LT8301 절연 플라이백 컨버터를 통해 공급되며, VCC는 양극 배터리 단자에 연결된다.
그림 2. 하이 사이드 전류 감지 구성에서 LTC2949 부동 EV 배터리 모니터의 일반적인 연결. LTC2949를 위한 전력은 LT8301 플라이백을 통해 공급되며, VCC는 양극 배터리 단자에 연결된다.
구성을 간소화하기 위해 LTC2949의 5개 ADC는 3개의 데이터 수집 채널을 형성한다. 각 채널은 애플리케이션에 따라 2개 속도 중 하나로 구성할 수 있다(표 1 참조). 예를 들어 2채널을 사용하여 단일 션트 저항을 모니터링하는 데 사용한다면, 한 채널은 저속(100ms) 고정밀 전류 전력 충전 에너지 측정에, 그리고 다른 채널은 고속(782μs) 전류 스냅샷에 사용하여 임피던스 추적 또는 프리차지 충전을 위해 배터리 스택 전압 측정과 동기화된다. 아니면, 2개의 다른 크기의 션트 저항을 2개의 개별 채널에서 모니터링하면(그림 2 참조), 사용자가 각 션트에 대한 정확도와 전력 손실을 밸런싱 할 수 있다. 한편, 세 번째 보조 채널은 선택 가능한 버퍼드 입력을 빠르게 측정하거나 2개의 구성 가능한 입력, 스택 전압, 다이 온도, 공급 전압, 레퍼런스 전압에 대해 자동 라운드 로빈(RR) 측정을 수행할 수 있다.
표 1. LTC2949의 3개 데이터 수집 채널 구성 옵션
LTC2949의 3개 데이터 수집 채널 중 어느 하나를 고속 모드(782μs 변환 시간 및 15비트 분해능)로 구성하면 LTC2949는 배터리 스택 전압 및 전류 측정을 어느 LTC681x 멀티셀 배터리 모니터의 셀 전압 측정과도 동기화하여 개별 셀 임피던스, 노화, SOH를 추정할 수 있다. 가장 약한 셀이 근본적으로 전체 스택의 SOH를 결정하므로 이러한 정보를 사용하여 스택 배터리 수명을 산정할 수 있다.
SOH는 배터리(또는 배터리 스택)의 수명 주기에서 한 지점으로, 새 배터리와 비교해서 해당 시점의 상태를 나타내는 것이므로 주행 거리를 극대화하기 위해서뿐 아니라 예기치 않은 배터리 고장을 최소화하기 위해서도 정확한 EV BMS 모니터를 사용하는 것이 중요하다. 배터리 수명의 경우 LTC2949는 턴온 시 단 16mA를, 슬립 모드에서 단 8µA를 소비한다.
LTC2949는 전류, 전압, 전력 및 온도 데이터의 최소 및 최대값을 추적하므로 버스와 호스트는 LTC2949를 지속적으로 폴링 하는 대신 다른 작업에 클록 사이클을 사용할 수 있다. 최소 및 최대값을 검출하고 저장하는 외에도 LTC2949는 사용자가 정의한 임계값을 초과하면 경보를 발생할 수 있다. 이에 따라 역시 호스트 컨트롤러와 버스는 폴링을 수행할 필요가 없어진다. LTC2949는 또한 지정된 에너지 또는 충전양이 공급되거나 사전 설정된 시간이 경과하면 오버플로우 경보를 발생할 수 있다.
모니터링 정확도를 보장하기 위해 LTC2949는 션트 저항을 위한 2개, 배터리 전압 분배기 및 4개의 멀티플렉서 입력과 같이 측정 구성요소의 허용오차를 보상하는 프로그래밍 가능한 이득 보정 계수를 제공한다. 이러한 보정 계수는 외부 EEPROM에 저장하여 배터리 팩의 공장 캘리브레이션에 모듈식 접근을 가능하게 한다. 뿐만 아니라 LTC2949는 프로그래밍 가능한 계수로 슈타인하트-하트 방정식을 풀어 최대 2개의 외부 NTC 서미스터의 온도 판독값을 선형화 할 수 있다. 그런 다음 이 판독값은 션트 저항 판독값을 자동으로 온도 보상하는 데 사용할 수 있다. 이와 같이 허용오차와 온도 영향을 지속적으로 보상함으로써 모니터링 정확도가 향상될 뿐 아니라 보다 저렴한 외부 부품을 사용할 수 있다.
LTC2949에는 직접 MCU 연결을 위해 표준 SPI 인터페이스가 제공된다. ADI의 독자적인 isoSPI 인터페이스도 있다. isoSPI는 표준 칩 레벨 SPI의 물리적 계층을 변형한 것으로 비용 효과적인 분산 팩 아키텍처의 잠재력을 완전히 이용할 수 있다. 고전압 및 고잡음 시스템을 위해 설계된 isoSPI는 단일 트위스트 페어 케이블과 단순한 펄스 트랜스포머를 사용하여 최대 100미터 케이블에서 최고 1Mbps의 안전하고 견고한 정보 전송을 제공한다. isoSPI는 다른 온보드 절연 솔루션보다 저렴하다. 그림 3은 LTC2949가 어떻게 데이지 체인의 마지막 요소로서 또는 주소 지정 가능한 병렬 구성으로 LTC6811-1과 함께 isoSPI를 이용하는지 보여준다.
그림 3. LTC2949 isoSPI 구성
대세가 된 전기차
하이브리드 전기차(HEV)나 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV) 또는 순수 전기차든 아직 전기차(EV)를 사지 않았다면, 아마도 곧 그렇게 될 것이다. 주행거리 걱정은 과거의 일이 되었다. 이제 도로 중간에 멈춰 설 걱정 없이 환경 보존에도 일조할 수 있다. 세계 각국은 내연기관(ICE) 자동차 구매를 억제하기 위해 EV의 프리미엄 가격을 보조해주는 풍부한 금융 혜택을 제공하고 있다. 일부 정부는 자동차 시장을 궁극적으로 전기차로 대체한다는 목표로 자동차 제조업체에게 EV의 제작과 판매를 의무화하는 조치를 취하고 있으며, 독일과 같은 국가는 보다 명확한 시기를 규정해 2030년부터 ICE 자동차를 전면 금지하는 방안을 추진 중이다.자동차 역사의 대부분 혁신은 배출 가스를 줄이고 ICE의 연소 효율을 높이면서 편안한 사용자 경험을 제공하는 데 초점을 맞춰왔다. 그러나 ICE 자동차에서 최근 혁신의 상당히 많은 부분은 샤시 시스템에서부터 파워 트레인, 자율 및 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS), 인포테인먼트 및 안전 시스템에 이르기까지 전자장치 향상의 직접적인 결과이다. EV는 많은 부분에서 ICE 자동차와 동일한 전자 시스템을 탑재하며, 여기에 동력 전달 계통 자체가 추가된다. 마이크론 테크놀로지에 따르면, EV 가격에서 전자장치가 차지하는 부분이 75%에 이르며, 반도체 기술의 발전으로 다양한 전자장치 모듈과 서브시스템의 비용이 지속적으로 낮아지면서 전자장치가 차지하는 비중은 더욱 늘어날 전망이다. 심지어 인텔®과 같은 전통적인 비자동차 분야 업체들도 자동차 시장에 가세하고 있다.
제조업체와 소비자가 모두 EV에 들어가는 전자 서브시스템 중에서 EV의 심장인 배터리 시스템에 초점을 맞추는 것은 놀라운 일이 아니다. 배터리 시스템은 재충전 가능한 배터리 자체인 현재의 표준 리튬이온(Li-Ion) 및 배터리 사용과 안전을 극대화하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함한다. 아나로그디바이스의 BMS 솔루션은 배터리 모니터의 표준이다. ADI의 LTC2949 EV 배터리 팩 모니터는 차세대 EV BMS 설계를 주도하는 광범위한 스마트 BMS IC 포트폴리오에 새롭게 추가된 제품이다.
BMS 모니터링
BMS의 주된 기능은 배터리 상태 또는 EV의 경우 대형 배터리 팩이나 스택의 상태를 모니터링하는 것이다. BMS는 주로 개별 셀과 팩 전압, 전류, 온도, 충전 상태(SOC), 건강 상태(SOH), 그리고 냉각수 유량과 같은 기타 관련 기능을 모니터링한다. BMS에 의해 제공되는 명백한 안전 및 성능 상의 이점 외에도 이러한 파라미터를 정확하게 모니터링하는 것은 운전자가 실시간 배터리 상태를 잘 알게 돼 일반적으로 보다 나은 주행 경험으로 전환된다.새로운 LTC2949 팩 모니터와 같은 BMS 측정 회로가 효과적이 되기 위해서는 정밀하고 빠르면서 높은 공통 모드 전압 제거가 가능하고, 저전력을 소비하며, 다른 기기와 안전하게 통신할 수 있어야 한다. 그 밖에 EV BMS가 다루어야 하는 기능에는 배터리 스택에서 에너지 재충전(회생 제동), 셀 밸런싱, 위험한 수준의 전압과 전류 및 온도 수준으로부터 배터리 스택 보호, 다른 서브시스템(충전기, 부하, 열 관리, 비상정지 등)과의 통신을 포함한다.
자동차 제조업체들은 정확도, 신뢰성, 제조 용이성, 비용, 전력 요구사항을 만족하기 위해 여러 BMS 모니터링 토폴로지를 사용한다. 예를 들어 그림 1에 보이는 분산형 토폴로지는 로컬 스마트를 이용한 높은 정확도, 직렬 연결된 배터리 팩의 높은 제조 용이성, IC 간 통신을 위한 저전력 SPI 및 isoSPI™ 인터페이스를 통한 최소 전력 소모와 높은 신뢰성을 제공한다.
여기서 LTC2949는 로우 사이드 전류 감지 구성에 사용되며, isoSPI 통신 라인은 하단 LTC6811-1 배터리 모니터와 병렬로 배치됐다. 향상된 신뢰성을 위해 2차 isoSPI 트랜시버를 배터리 스택 상단에 연결하고 양방향으로 통신할 수 있는 링 토폴로지를 생성하여 듀얼 통신 구조를 실현할 수 있다. SPI 마스터 컨트롤러와의 절연 통신은 LTC6820 isoSPI-SPI 신호 컨버터를 통해 구현된다. 아나로그디바이스의 적층형 LTC681x 멀티셀 배터리 모니터 제품군을 이용하여 최대 6, 12, 15 또는 18개의 직렬 연결된 배터리 셀의 개별 전압을 측정할 수 있으며, 단일 LTC2949는 전체 스택 파라미터를 측정하는 데 사용된다. LTC681x와 LTC2949는 함께 포괄적인 EV BMS 모니터링 솔루션을 구성한다. 일부에서 이 회로는 BMS의 아날로그 프론트엔드(AFE)로 더 잘 알려져 있다.
그림 1. LTC6811-1과 LTC2949를 이용한 분산형 EV BMS 모니터링 토폴로지
LTC2949는 특별히 EV를 위해 설계된 고정밀 전류, 전압, 온도, 충전, 전력 및 에너지 미터이다. 이러한 주요 파라미터를 측정함으로써 시스템 설계자는 전체 배터리 팩에 대한 다른 성능 지수는 물론 실시간 SOC와 SOH를 계산할 수 있는 필수적인 정보를 확보한다. 그림 2는 하이 사이드 전류 감지 구성에 사용되는 LTC2949의 블록 다이어그램을 보여준다. 여기 LTC2949는 가변 부동 토폴로지를 사용하므로 자체적인 14.5V 전압 정격의 제약을 받지 않고 매우 높은 전압 배터리 팩을 모니터링할 수 있다. LTC2949에 대한 전력은 LT8301 절연 플라이백 컨버터를 통해 공급되며, VCC는 양극 배터리 단자에 연결된다.
앞선 아날로그 성능
운전자가 LTC2949의 디지털 출력과 정확도를 높이 평가한다면, 시스템 설계자는 LTC2949의 아날로그 성능과 실제적으로 거의 모든 EV BMS에 가능한 매끄러운 통합을 높이 평가할 것이다. LTC2949의 중심에는 5개의 레일-투-레일, 낮은 오프셋, 시그마-델타(Σ-Δ) ADC가 있어 정확한 전압 측정을 보장한다. 5개 ADC 중에서 2개 20비트 ADC를 2개의 감지 저항에 걸친 전압을 측정하는 데 사용하여(그림 2 참조), 놀라운 0.3% 정확도로 2개의 개별 레일을 통과하는 전류를 추론할 수 있다. 또한 1µV 미만의 오프셋으로 LTC2949는 전례 없는 높은 동적 범위를 제공한다. 마찬가지로 전체 배터리 스택 전압은 최대 18비트와 0.4% 정확도로 측정된다. 2개의 전용 전원 ADC가 션트 및 배터리 스택 전압 입력을 감지하여 0.9% 정확도의 전력 판독을 달성한다. 마지막 15비트 ADC는 최대 12개 보조 전압을 측정하는 데 이용할 수 있으므로 외부 온도 센서나 저항 분배기와 함께 사용하기에 편리하다. 내장 멀티플렉서를 이용하여 LTC2949는 0.4% 정확도로 12개의 버퍼드 입력의 임의 쌍 사이에 차동 레일-투-레일 전압 측정을 수행할 수 있다.그림 2. 하이 사이드 전류 감지 구성에서 LTC2949 부동 EV 배터리 모니터의 일반적인 연결. LTC2949를 위한 전력은 LT8301 플라이백을 통해 공급되며, VCC는 양극 배터리 단자에 연결된다.
구성을 간소화하기 위해 LTC2949의 5개 ADC는 3개의 데이터 수집 채널을 형성한다. 각 채널은 애플리케이션에 따라 2개 속도 중 하나로 구성할 수 있다(표 1 참조). 예를 들어 2채널을 사용하여 단일 션트 저항을 모니터링하는 데 사용한다면, 한 채널은 저속(100ms) 고정밀 전류 전력 충전 에너지 측정에, 그리고 다른 채널은 고속(782μs) 전류 스냅샷에 사용하여 임피던스 추적 또는 프리차지 충전을 위해 배터리 스택 전압 측정과 동기화된다. 아니면, 2개의 다른 크기의 션트 저항을 2개의 개별 채널에서 모니터링하면(그림 2 참조), 사용자가 각 션트에 대한 정확도와 전력 손실을 밸런싱 할 수 있다. 한편, 세 번째 보조 채널은 선택 가능한 버퍼드 입력을 빠르게 측정하거나 2개의 구성 가능한 입력, 스택 전압, 다이 온도, 공급 전압, 레퍼런스 전압에 대해 자동 라운드 로빈(RR) 측정을 수행할 수 있다.
표 1. LTC2949의 3개 데이터 수집 채널 구성 옵션
| 채널 |
구성 | ||
| 단일 션트 | 이중 션트 | ||
| 1 | 저속 | 저속 | 고속 |
| 2 | 고속 | 저속 | 고속 |
| 보조 | RR/고속 | RR/고속 | RR/고속 |
LTC2949의 3개 데이터 수집 채널 중 어느 하나를 고속 모드(782μs 변환 시간 및 15비트 분해능)로 구성하면 LTC2949는 배터리 스택 전압 및 전류 측정을 어느 LTC681x 멀티셀 배터리 모니터의 셀 전압 측정과도 동기화하여 개별 셀 임피던스, 노화, SOH를 추정할 수 있다. 가장 약한 셀이 근본적으로 전체 스택의 SOH를 결정하므로 이러한 정보를 사용하여 스택 배터리 수명을 산정할 수 있다.
SOH는 배터리(또는 배터리 스택)의 수명 주기에서 한 지점으로, 새 배터리와 비교해서 해당 시점의 상태를 나타내는 것이므로 주행 거리를 극대화하기 위해서뿐 아니라 예기치 않은 배터리 고장을 최소화하기 위해서도 정확한 EV BMS 모니터를 사용하는 것이 중요하다. 배터리 수명의 경우 LTC2949는 턴온 시 단 16mA를, 슬립 모드에서 단 8µA를 소비한다.
광범위한 디지털 기능
LTC2949의 디지털 기능은 오버샘플링 곱셈기 및 누산기를 포함하며 18비트 전력 값, 48비트 에너지 및 충전 값을 생성하고 최소 및 최대값을 보고할 뿐 아니라 사용자 정의 제한에 기반한 경보를 제공한다. 이는 BMS 컨트롤러와 버스가 전압 및 전류 데이터에 대해 LTC2949를 지속적으로 폴링하고, 결과에 기반해 계산을 수행하는 추가적인 작업 부담을 덜어준다. LTC2949는 평균값을 곱하는 대신 오버샘플 ADC 클록 레이트(프리데시메이션 필터)로 전력 샘플을 추출함으로써 최대 50kHz 신호로, 변환 속도를 훨씬 넘어 전류 및 전압 변동에도 전력을 정확히 측정한다.LTC2949는 전류, 전압, 전력 및 온도 데이터의 최소 및 최대값을 추적하므로 버스와 호스트는 LTC2949를 지속적으로 폴링 하는 대신 다른 작업에 클록 사이클을 사용할 수 있다. 최소 및 최대값을 검출하고 저장하는 외에도 LTC2949는 사용자가 정의한 임계값을 초과하면 경보를 발생할 수 있다. 이에 따라 역시 호스트 컨트롤러와 버스는 폴링을 수행할 필요가 없어진다. LTC2949는 또한 지정된 에너지 또는 충전양이 공급되거나 사전 설정된 시간이 경과하면 오버플로우 경보를 발생할 수 있다.
모니터링 정확도를 보장하기 위해 LTC2949는 션트 저항을 위한 2개, 배터리 전압 분배기 및 4개의 멀티플렉서 입력과 같이 측정 구성요소의 허용오차를 보상하는 프로그래밍 가능한 이득 보정 계수를 제공한다. 이러한 보정 계수는 외부 EEPROM에 저장하여 배터리 팩의 공장 캘리브레이션에 모듈식 접근을 가능하게 한다. 뿐만 아니라 LTC2949는 프로그래밍 가능한 계수로 슈타인하트-하트 방정식을 풀어 최대 2개의 외부 NTC 서미스터의 온도 판독값을 선형화 할 수 있다. 그런 다음 이 판독값은 션트 저항 판독값을 자동으로 온도 보상하는 데 사용할 수 있다. 이와 같이 허용오차와 온도 영향을 지속적으로 보상함으로써 모니터링 정확도가 향상될 뿐 아니라 보다 저렴한 외부 부품을 사용할 수 있다.
LTC2949에는 직접 MCU 연결을 위해 표준 SPI 인터페이스가 제공된다. ADI의 독자적인 isoSPI 인터페이스도 있다. isoSPI는 표준 칩 레벨 SPI의 물리적 계층을 변형한 것으로 비용 효과적인 분산 팩 아키텍처의 잠재력을 완전히 이용할 수 있다. 고전압 및 고잡음 시스템을 위해 설계된 isoSPI는 단일 트위스트 페어 케이블과 단순한 펄스 트랜스포머를 사용하여 최대 100미터 케이블에서 최고 1Mbps의 안전하고 견고한 정보 전송을 제공한다. isoSPI는 다른 온보드 절연 솔루션보다 저렴하다. 그림 3은 LTC2949가 어떻게 데이지 체인의 마지막 요소로서 또는 주소 지정 가능한 병렬 구성으로 LTC6811-1과 함께 isoSPI를 이용하는지 보여준다.
그림 3. LTC2949 isoSPI 구성
제품스펙