글: 그렉 짐머(Greg Zimmer) 배터리 관리 시스템 그룹 마케팅 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

 

개요

연료 탱크가 단일한 에너지 저장 장치인 것과 달리, 전기차(EV) 배터리 팩은 수백 개의 리튬이온 배터리 셀들로 이루어진다. 이러한 배터리 셀들은 주의 깊게 관리하지 않으면 시간이 지날수록 용량과 수명이 저마다 다르게 감소한다. 배터리 관리 시스템(BMS)이 하는 일은 각각의 셀로부터 용량과 수명을 최대한 끌어내는 한편, 안전과 신뢰성을 높이는 것이다. 이 시스템의 핵심을 이루는 것이 배터리 셀 모니터링 IC이다. 이 IC가 제공하는 셀 측정값을 활용하면, 셀 상태를 파악하기 위한 주된 파라미터로서 각 셀의 충전 상태(SOC)와 노후 상태(SOH)를 계산할 수 있다.
이 글에서는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 ADBMS6815 고전압 배터리 셀 모니터링 IC 제품군을 소개한다. 이들 IC 제품을 사용해서 전기차 배터리 팩의 용량, 안전, 신뢰성, 수명을 극대화할 수 있다.
 

머리말

자동차 산업이 수십 년에 걸쳐 점진적으로 표준화되자, 기술과 브랜드의 차별화는 오히려 약해졌다. 파워트레인은 에너지를 운동으로 변환하는 시스템으로서, 아마도 자동차 회사의 가장 귀중한 지적 자산(IP)일 것이다. 파워트레인은 백 년 넘는 세월 동안 기술 발전을 거듭해 왔다. 그랬던 파워트레인이 전혀 새로운 자동차 회사들이 부상하면서 전면적인 도전에 직면하고 있다.
통상적인 내연 엔진(ICE) 자동차는 15갤런(약 57리터)에 이르는 연료 탱크를 포함한다. 이는 약 500kWhr의 전기 에너지에 해당한다. 휘발유 15갤런이면 ICE로 375마일(603킬로미터)을 달릴 수 있다. 그런데 500kWhr의 전기 에너지면 EV로는 1,450마일(2,333킬로미터) 주행이 가능하다. 연비에 있어서 이러한 절대적 우위가 EV를 궁극의 승자로 만들 것으로 보인다. 하지만 이러한 여정에서 아직 정비되지 못한 하나의 구간이 남아 있다. 오늘날 EV가 직면한 최대의 과제는 ICE 차의 주행 거리에 견줄 만한 충분한 배터리 용량을 탑재하지 못한다는 것이다.
 

해결해야 할 과제들

EV 배터리 팩은 수백 개의 배터리 셀들로 이루어진다. 이 셀들이 직렬로 동작해서 400V ~ 800V의 전압을 발생시킨다. 과충전이나 과방전은 셀을 손상시키거나 급격한 노화를 유발한다. 이는 용량이나 수명의 단축으로 이어지고, 결국은 셀의 고장을 일으킨다. BMS의 일차적 기능은 팩을 구성하는 각 셀의 SOC와 SOH를 계산하고 제어하는 것이다. 리튬이온 셀을 100% SOC로 충전하거나 0% SOC로 방전하는 것은 셀 용량을 감소시킨다. SOC를 계산하기 위해서는 셀 전압과 온도를 측정해야 하며, 이 측정 정확도는 SOC를 얼마나 잘 관리할 수 있느냐에 직접적으로 영향을 미친다. 간단히 말해, BMS의 전자장치들은 EV 배터리 시스템의 동작 범위, 수명, 신뢰성, 안전을 극대화하는 데 핵심적 역할을 한다.
직렬로 연결된 모든 고전압 배터리 셀을 정확하게, 연속적으로 측정하기는 결코 쉽지 않다. 이 측정은 인버터, 액추에이터, 스위치, 릴레이 등으로 인해 발생하는 높은 전기적 노이즈에 영향을 받지 않아야 한다. 측정 장치들 자체도 배터리 팩의 높은 전압으로부터 전기적으로 절연되어야 한다. 또한 이 장치들은 기계적 마모, 기상 조건, 차량 마일리지에 따른 노후화 등을 견디면서 수년 간 작동해야 한다.
 

BMS의 핵심 요소

업계를 선도하는 IC와 솔루션 공급 업체로서, ADI의 배터리 관리 시스템(BMS) 제품은 몇몇 주요 영역들에 초점을 맞추고 있다. 여기에는 개별 셀 측정(셀 모니터링), 전체 팩 측정(팩 모니터링), 이를 연결하기 위한 통신 네트워크(유선 또는 무선 네트워크), 그리고 이들 디바이스를 제어하기 위한 소프트웨어가 포함된다. 이들 부품을 사용하는 목적은 모든 배터리 셀을 가능한 최대 용량까지 안전하게 충전하면서 전체 팩에 최대의 에너지를 저장하고 EV 주행 거리를 극대화하는 것이다.
이 중에서도 특히 중요한 디바이스가 고전압 셀 모니터링 IC이다. 셀 모니터링 IC는 직렬로 연결된 배터리 셀들의 셀 전압과 온도를 측정하며, 보통 12개의 채널로 되어있다. 셀 전압과 온도가 주요 파라미터이며, 측정 정밀도와 동기화가 주요한 특성이다.
이러한 정보들을 결합하여, BMS는 셀들이 각자의 안전한 동작 범위 내에서 최대의 용량으로 동작하도록 한다. 따라서 차량의 주행 거리를 극대화하고 비용과 무게를 줄이고 신뢰성을 높이는 데 있어서, 이들 셀 모니터링 디바이스의 역할은 매우 중요하다. 여기서 생기는 측정 오차는 효과적인 배터리 관리를 저해하기 때문이다. ADI의 BMS 제품은 항상 업계에서 가장 정확한 측정 능력을 제공한다.
ADI가 최근에 출시한 ADBMS6815 정밀 셀 모니터링 IC 제품군은 안전, 성능, 비용적 경제성을 달성하기 위한 모든 특성을 갖췄다. 현재 이 제품군은 모니터링하는 채널 수가 서로 다른 3가지 제품들로 구성된다. ADBMS6816은 6개 배터리 셀을 모니터링하고, ADBMS6817은 직렬로 8개 배터리 셀을 모니터링하며, ADBMS6815는 직렬로 12개 배터리 셀을 모니터링한다. 모니터링하는 셀의 수가 서로 다른 3가지 제품을 제공하므로 광범위한 배터리 팩 구성을 위해 다양한 셀 구성 요건을 충족할 수 있다.
 

그림 1: 다중셀 배터리 모니터링 IC
 
뿐만 아니라, 이들 IC를 다양하게 조합하면 원하는 숫자의 셀 모니터링 채널을 구축할 수도 있다. 동작 환경 중에는 가혹한 전기적 잡음도 포함되므로, 이들 제품은 설정이 가능한 저역통과 필터링(Low Pass Filter)을 포함함으로써 이 잡음을 낮추고 높은 정밀도의 측정을 달성한다.
 

ADI의 BMS 통신 기술

ADBMS6815 셀 모니터링 IC 제품군은 isoSPI™라고 하는 2와이어 통신 인터페이스를 사용해서 데이지 체인 연결을 하도록 설계되었다. isoSPI™은 견고하고, EMI에 대한 내성이 높으면서, 전기적으로 절연된 네트워크를 달성함으로써 ADI의 BMS 디바이스들을 BMS MCU로부터 동기적으로 실행, 폴링 및 제어할 수 있다. 팩 내의 모든 셀을 동기적으로 측정하고 팩 모니터링 디바이스를 사용해서 팩 전류와 팩 전압을 모니터링한다. 이 데이지 체인을 각 디바이스에 대해 한 개의 경로를 구성해서 사용하거나, 루프 구성으로 이중 경로를 사용해서 실행할 수 있다. 루프 구성을 하면 와이어 또는 커넥터 결함이 발생했을 때 모든 셀 모니터링 디바이스의 데이터에 접근할 수 있다.
isoSPI에 대한 보다 자세한 설명은 다음 영상을 통해 확인할 수 있다:
https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/6299664860001.html
 
ADBMS6815 제품군은 무선 BMS(wBMS)로도 동작할 수 있다. 이 경우, 셀 모니터링 디바이스 상에서 유선 데이지 체인을 2.4GHz 무선 BMS 노드로 변경해야 한다.
 

안전성

BMS의 모든 요구사항 중에서 특히 중요한 것이 배터리 팩의 안전성이다. IC 내의 잠재적인 결함을 감지하고 처리하기 위해서는 BIST(built-in self-test) 기능과 이중화가 요구된다. 이에 대한 해결책으로는 이중화된 측정 경로, 입력 신호들 간에 향상된 동기성, 셀프 테스트 기능 등을 들 수 있다.
ADBMS6815 제품군은 ISO 26262 ASIL-D를 충족하도록 설계되었다.
ISO 26262는 보편적으로 채택되고 있는 자동차 기능 안전 표준으로서, 차량 전기 장비 및 시스템의 전체 수명에 걸쳐서 안전을 보장하기 위한 것이다. ASIL-D 등급은 이 ISO 표준에서 정의하고 있는 최고 수준의 자동차 안전 요건이다. ADI 제품은 ASIL-D를 충족하는 것으로 인증을 취득함으로써 ADI 부품을 사용하는 자동차 제조사들이 인증 취득에 걸리는 시간을 줄일 수 있게 해준다.
뿐만 아니라 ISO 26262 표준을 충족함으로써, 설계자들은 IEC 61508 같은 다른 기능 안전 표준들도 수월하게 달성할 수 있다.
 

저전력 셀 모니터링

BMS는 자동차 구동을 위해 안정적이고, 예측 가능하며, 신뢰할 수 있는 에너지원을 제공하는 것뿐 아니라, 셀 자체가 항상 안전하게 동작하도록 해야 한다. 드물기는 하지만, 배터리 셀 결함은 시간이 지나면서 셀이 단락을 일으키고, 열 폭주가 발생하여, 자칫 심각한 결과로 이어질 수도 있다. 따라서 BMS는 어떠한 이상 징후를 나타내는 조건을 즉시 감지할 수 있어야 한다.
배터리 셀은 사용되지 않는다고 활동을 멈추고 있는 것이 아니다. 전기화학적 소자로서, 배터리 셀은 사용되지 않고 있다 하더라도 시간이 지나면서 특성이 점점 변화한다. 즉, 차량의 시동이 꺼져 있을 때에도 셀 안에서의 문제는 계속해서 진행된다. 이처럼 차량의 시동이 꺼져 있는 상태에서도 배터리 팩 내의 셀들을 지속적으로 모니터링하기 위해, ADI는 저전력 셀 모니터링(LPCM)이라고 하는 것을 개발했다. LPCM은 진화된 셀 모니터링 기능으로서, 배터리 셀의 주요 파라미터를 스스로 알아서 주기적으로 측정한다. LPCM 기능을 사용해서 어떠한 이상 징후가 감지되면 셀 모니터링 디바이스는 BMS에 경고를 보내서 필요한 조치를 취하도록 한다. 셀 모니터링 디바이스가 주기적으로 정상적인 확인 응답을 하지 않을 때도 BMS에 경고가 전달된다.
이러한 문제가 발생할 때 ADI가 이를 어떻게 해결하는지 아래 영상에서 확인할 수 있다:
https://www.analog.com/en/education/education-library/videos/6299664639001.html
 

유연성, 기능성, 경제성

ADBMS6815 제품군은 위에서 설명한 안전성, 신뢰성, 성능 외에도 다양한 애플리케이션 요구를 충족하는 특성들을 두루 갖췄다. 이들 디바이스 제품은 패키지와 핀아웃이 동일하므로, 지원하는 채널 수가 서로 다른 제품들을 적절히 조합해서(디바이스당 6개, 8개, 12개 배터리 셀 모니터링) 다양한 배터리 팩 또는 셀 모듈 구성을 충족할 수 있다. 또한 이들 제품은 범용 I/O를 디지털 입력, 디지털 출력, 혹은 아날로그 입력으로도 사용할 수 있다. 아날로그 입력으로 사용할 때는 셀 측정과 동일한 측정 정확도로 5V 이내의 어떠한 전압이든 측정할 수 있다. 온도나 전류 같은 보조적 측정과 개별 셀 측정을 동기화해서 좀더 정확한 SOC 계산을 할 수 있다.
또한 이들 I/O 핀으로 I²C 또는 SPI 서브노드 디바이스를 제어할 수 있으므로, 아날로그 입력을 확장하기 위해서 다중화기를 추가하거나 EEPROM을 사용해서 교정 정보를 저장하는 것과 같은 좀더 복잡한 기능을 구현할 수 있다. 마지막으로, 이들 제품은 최대 300mA까지 전류를 방전할 수 있는 셀 밸런싱 기능을 포함한다. 그러므로 팩 내의 모든 셀들에 균등한 SOC를 유지할 수 있다. 이 균등화 프로세스를 특정한 시간 간격으로 설정하고, 충전량이 프로그램된 임계값에 도달하면 충전을 자동으로 멈추도록 할 수 있다. 그러므로 배터리 셀 모니터링 디바이스가 슬립 모드이더라도 장시간에 걸쳐서 밸런싱을 할 수 있다.
 

그림 2: 유선 BMS 개략도
 

그림 3: wBMS는 통신 와이어를 무선으로 대체한다.
 

공통 기능

• ADBMS6815 (12채널)
• ADBMS6817 (8채널)
• ADBMS6816 (6채널)
  • ASIL-D 레벨 지원
  • 수명 전반에 걸친 최대 총 측정 오차: 1.5mV
  • 고전압 배터리 팩을 위한 Stackable 아키텍처
  • 304ms만에 시스템 내의 모든 셀 측정
  • 프로그램 가능한 노이즈 필터를 포함한 16비트 ADC
  • 프로그램 가능한 PWM 제어 기능을 포함한 채널당 300mA의 패시브 셀 밸런싱
  • 2Mbps 전기 절연 isoSPI 통신
  • 단 2개의 와이어와 커패시터 또는 트랜스포머 사용
  • 역방향 통신으로 링 토폴로지 지원: 통신 경로에 결함이 발생하더라도 통신 가능
  • 아날로그 입력, 디지털 입력, 디지털 출력으로 사용 가능한 7개의 범용 인터페이스 핀: 온도 센서 지원 및 I²C 또는 SPI 메인으로 구성 가능
  • 5.5mA 슬립 모드 전류
  • 48핀 7mm x 7mm LQFP 패키지

 

맺음말

전 세계의 자동차들은 앞으로 30년 안에 ICE 차에서 전기차로 전환할 것이다. 석유는 유한한 자원인데다 자동차 연료로서의 효율 또한 지극히 낮다. 환경에 대한 우려 역시 이러한 전환을 부채질한다. 전기차는 우리의 미래가 될 것이며, 이것을 실현하는 데 핵심 역할을 하는 것이 BMS 기술이다.
이러한 미래를 실현하기 위해서 ADBMS6815 제품군 같은 앞선 BMS 제품을 사용할 수 있다. 이들 IC 제품은 ISO 26262 ASIL-D 인증을 충족하고, 업계에서 가장 우수한 배터리 셀 전압 및 온도 측정 정밀도를 제공한다. ADBMS6815 제품군은 현장에서 검증된 여러 세대의 배터리 모니터링 IC에 대한 경험을 바탕으로 한 것으로서, 자동차 및 산업용 애플리케이션의 환경, 신뢰성, 안전 요구 조건을 능가하므로 EV와 대규모 에너지 저장 시스템의 진화하는 요구를 효율적으로 충족할 수 있다. 설계자들은 ADI를 선택함으로써 앞선 기술을 활용해 최상의 BMS를 달성할 수 있다. ADI는 끊임없는 기술 혁신으로 고객이 미래를 향해 한 걸음 더 다가가도록 한다.
이들 제품에 관한 궁금한 점은 ADI 배터리 관리 그룹으로 문의하거나 analog.com/BMS에서 추가 정보를 확인할 수 있다.
 

저자 소개

그렉 짐머(Greg Zimmer)는 아나로그디바이스 배터리 관리 시스템 그룹의 마케팅 매니저로서, 다양한 고성능 신호 컨디셔닝 IC 제품에 걸쳐서 제품 마케팅 경험을 쌓았다. 마케팅, 기술 마케팅, 애플리케이션 엔지니어링, 아날로그 회로 설계와 관련한 다양한 직책을 거쳤다. UC 버클리에서 전기공학/컴퓨터 과학 학사학위 및 UC 산타크루즈에서 경제학 학사학위를 취득했다.