BMS 기능안전성 요건 준수하는 설계법

리튬이온 시스템에서 전류 감지 설계 기법

글│맨프레드 브랜들 (Manfred Brandl)_manfred.brandl@ams.com, ams
2015년 05월호 지면기사




감지는 고성능 배터리를 감시하고 보호하는 모듈인 배터리 관리 시스템에 의해 구현되는 중요한 기능이었다. 리튬 이온과 밀폐형 납축전지는 과전류 시 비상 정지 기능으로 안전한 사용을 보장하고 배터리의 오용을 방지하기 위한 전류 측정에 사용한다. 보호 및 안전 기능만 고려하는 경우, 전류 측정의 정확성은 상당히 낮은 수준으로 설계할 수 있다. 그러나, 현재 일부 분야에서는 전류 감지 요구사항이 더욱 엄격해 지고 있다. 특히 자동차 제조업체들은 전기차의 성능을 향상시키고 소비자의 관심을 증진하기 위해 적극적으로 노력하고 있다. 주행거리 불안은 소비자들이 전기차를 선택하는데 방해가 되는 가장 큰 우려 요인이기 때문에, 가용 에너지 수준을 나타내는 충전 상태(SOC) 표시인 전기차의 연료계 정확성은 운전자에게 매우 중요하다. 정확한 충전상태 측정으로 배터리 관리 시스템은 0%부터 80%까지 충전 상태를 유지함으로써 전기차와 산업용 장비의 수명을 연장할 수 있도록 운영을 최적화할 수 있다. 연료계의 정확성은 절대적으로 배터리 관리 시스템의 전류 측정 정확성에 따라 결정된다. 이 글은 정밀 아날로그 회로망과 적합한 구조가 현재 배터리 관리 시스템의 평균 정확성보다 훨씬 더 높은 정확성을 제공할 수 있다는 것을 설명한다.



전류 감지는 대용량 배터리를 모니터하고 보호하는 BMS(Battery Management System)를 통해 구현되는 중요한 기능이다.
리튬 이온과 밀폐형 납축전지 두 가지 모두에서, 전류 측정은 배터리의 오용을 방지하고 과전류 시 비상 정지기능(셧다운)으로 안전한 사용을 보장하기 위해 사용되고 있다.

보호 및 안전 기능만 고려하는 경우, 전류 측정의 정확성은 상당히 낮은 수준으로 설계할 수 있다. 시스템 설계자는 과전류 상황을 보수적으로 정할 수 있으며, 이에 따라 전류센서가 전류를 매우 낮게 평가할지라도 안전한 셧다운 임계값(threshold)을 넘지 않는다.

그러나, 현재 일부 분야에서는 전류 감지 요구사항이 더욱 엄격해지고 있다. 특히 자동차 제조업체들은 전기자동차의 성능을 향상시키고 소비자의 관심을 높이기 위해 적극적으로 노력하고 있다. 주행거리에 대한 불안감은 소비자들의 전기차 선택을 주저하게 하는 가장 큰 장애 요인이기 때문에, 정밀한 전기차 ‘연료계’는 운전자에게 매우 중요한 사안이다. 여기서 연료계란 가용에너지 수준을 보여주는 충전상태(SOC) 표시기다.

충전상태의 정밀 측정을 통해 BMS는 0%부터 80%까지 충전상태를 유지함으로써 전기차와 산업용 장비에서 긴 수명 주기에 적합한 동작으로 최적화할 수 있다.

연료계의 정밀함은 절대적으로 BMS의 전류 측정 정밀도에 따라 결정된다. 본 기고글에서 설명하는 바와 같이, 정밀 아날로그 회로와 적절한 아키텍처는 현재 일반적으로 BMS에서 달성되는 수준보다 훨씬 더 높은 수준의 정밀도를 제공할 수 있다.
 




리튬이온 BMS에서 전류 측정 사용


현재 수명 주기가 긴 애플리케이션(즉 배터리를 수차례 충, 방전하는 애플리케이션)에서, 리튬이온 배터리의 2가지 형태는 리튬 철인산염(LFP)과 리튬티타네이트(LTO)이다.

이 두 가지 배터리 뿐만 아니라 에너지 밀도가 높은 다른 리튬이온 배터리에서, 시간 경과에 따른 정확한 전하(charge) 누적이 가장 중요한 충전상태(SOC) 측정 방식으로 간주된다.

이것은 LFP와 LTO 배터리에서 출력 전압이 대부분의 방전 주기 동안 일정하게 유지되기 때문이다. 즉 배터리가 ‘대기 상태’인 경우, 개방형 회로 전압(OCV) 측정은 충전 상태를 정확하게 표시하지 않는다는 것을 의미한다. 또한, LFP와 LTO 배터리를 활용하는 일부 분야에서는 충전상태 또는 방전 상태를 중간 정도로 유지하면서 지속적으로 사용한다(완전 충전과 완전 방전의 중간 상태). 이것은 풍력 발전용 터빈, 태양 전지판 배열 등 재생에너지 장치에서 일반적으로 활용되는 경우이며, 이와 같은 형태의 장치에서 개방형 회로 전압 조건은 거의 발생하지 않는다.

전하 누적은 쿨롬(coulombs)을 빼고(배터리 방전 과정에서) 다시 복구하는 과정이다(충전 과정에서). 기존의 충전 용량과 완전 충전 상태에서 시작해서 쿨롬을 세서 이론적으로 무한한 충전/방전 주기에 대한 충전 상태를 측정할 수 있다.

그러나 명확하게 이와 같은 정확성은 전적으로 포지티브(positive) 및 네거티브(negative) 신호 변화(signal swing)에 대한 전류 측정 회로의 정확성에 따라 결정되며, 제로 전류 지점을 정밀하게 감지한다.

전기차와 발전 장비의 에너지 완충장치의 일반적인 작동 프로파일을 충족하기 위해, 중간 및 낮은 전류에서 높은 정확성을 유지하는 것은 특히 중요하다. 모든 조건에서 매우 높은 수준의 정밀도를 위한 새로운 요건은 초창기 BMS에 적합했었던 전류 감지회로의 성능을 훨씬 뛰어넘는다.



현재 자동차 애플리케이션의 경우, 일반적으로 두 가지 전류 감지 기술 중 한 가지가 채택되고 있다.

- 션트 인터페이스(shunt interface) 솔루션은 정밀 션트 저항에서 전압 강하를 측정한다. 그러나, 일반적으로 이와 같은 인터페이스는 완벽한 제로 오프셋(zero offset)을 제공할 수 없기 때문에 저전류 및 중간 전류에서 부정확하게 되며, 제로 전류점을 정확하게 감지할 수 없게 만든다.
- 마그네틱 전류센서는 고질적인 오프셋을 특징으로 하며 , 온도에 따른 변화 , 자기이력 현상(히스테리시스, hysteresis), 외부 자기장 간섭에 대한 감도에 대한 오프셋 드리프트가 있다. 이와 같은 결함들로 인해 마그네틱 전류 센서는 높은 정밀도를 요구하는 전기 자동차 BMS 및 다른 애플리케이션의 중대한 고려 사항에서 부적합하다.
이 때 기존의 션트 인터페이스 솔루션 오프셋을 보정하기 위해, 매우 정교하고 복잡하면서 애플리케이션에 특화된 소프트웨어 보정 기능이 필요할 것이다.
- 40°C에서 +125°C까지 자동차 온도 범위에서 완벽하게 오프셋이 되는 션트 인터페이스를 사용하는 것은 더욱 간단한 방법이다(즉, +/-15-비트 해상도 센서 인터페이스의 경우, LSB는 1보다 현저히 낮아서 기본적으로 제로 LSB 오프셋을 제공한다).
이는 AS8510 션트 전류 감지 인터페이스 IC 개발할 때 ams의 출발점이었다. 오프셋이 없는 션트 저항과 병행될 때, 이 센서인터페이스는 전체 동작 온도 범위와 그라운드 이상 및 이하의 전체 신호 범위에서 거의 완벽하게 리니어 출력을 제공할 수 있다. 이 센서 인터페이스는 최고 8 kHz 의 빠른 샘플링 속도를 지원한다.
이러한 디바이스를 사용하면, LFP 또는 LTO 배터리 개발자들은 높은 정밀도를 훨씬 더 쉽게 달성할 수 있다. 그 이유는 유일하게 보정이 필요한 부분이 온도 및 수명에 대한 션트, 이득단, ADC 레퍼런스의 드리프트(drift)이기 때문이다. 일반적으로 통합 오차가 0.5% 미만이기 때문에, 수많은 애플리케이션에 보정 과정이 필요하지 않을 것이다. 디지털 출력 전자 회로의 경우, 제로 전류 지점에서만 미미한 양의 오류가 ADC 분해능의 한계치 및 노이즈로 인해 발생할 것이다.

기능안전성의 다양한 특성

정밀한 전류 측정뿐만 아니라 자동차 애플리케이션에서 전류 센서 인터페이스는 ISO 26262 기능안전성 규격을 준수하기 위한 요구 사항도 지원해야 한다.

AS8510은 2채널 데이터 수집 디바이스이다. 두 개의 동일한 채널에는 초퍼, 프로그램이 가능한 증폭기, 통합형 16비트 시그마 델타 ADC, 디초퍼(de-chopper) 및 각 채널에 대한 독립적인 환경설정이 가능한 필터 옵션이 있다. 이 디바이스의 전류 측정과 관련된 디지털 표시는 시리얼 페리페럴 인터페이스를 통해서 외부 마이크로 컨트롤러로 전송된다. 외부 초퍼 및 레벨 시프터 부품을 추가함으로써, AS8510은 같은 제로 오프셋으로 파지티브 전원 레일(배터리 하이사이드)에서 전력을 측정하도록 할 수도 있다.

2개 신호 조절 채널에 내재된 리던던시(redundancy)는 차량의 기능안전성 요구사항을 지원한다. 다른 기능들도 BMS 제조업체들이 입력핀에 연결할 수 있는 프로그램 가능 전류 소스(오류 테스트 지원), ADC레퍼런스 전압에 대한 외부 접근, 각 채널의 독립적인 구성과 같은 ISO 26262 준수 의무를 충족할 수 있도록 지원한다.


최상의 정밀도 위한 최적화 방법

위에서 설명한 바와 같이, AS8510 기반 전류 측정 시스템에서 오류가 있는 주요부품들은 션트 저항, 이득단, 레퍼런스 전압의 온도 및 수명 드리프트이다.

실제로, 션트 및 ADC 레퍼런스 전압의 온도 의존성은 -20°C 이하 및 65°C 이상 온도에서만 정상 값에서 현저히 벗어나는 결과를 초래한다. 이 온도 범위에서, ams는 레퍼런스 및 이득단의 온도 드리프트를 완벽하게 규정하고 있으며, AS8510을 사용한 일반적인 구현 환경은 단일점 종단(single-point end-of-line) 보정 시 전체 온도 범위에서 0.8%의 시스템 정밀도를 달성할 수 있다.
그렇다면 필요한 경우, 설계자들이 더욱 엄격한 정밀도를 실현할 수 있는 방법은 무엇인가?

다행히 AS8510은 내부 온도 센서를 포함하고 있고, 극히 낮은 전력으로 동작되기 때문에 내부 자체 발열은 무시할 수 있다. 이것은 열적으로 AS8510에 연결된다는 조건으로, 통합 온도 센서가 션트와 같은 외부 장치와 내부 신호 경로에서 라인종단(end-ofline)보정으로 사용할 수 있는 감지 결과를 제공할 수 있다는 의미이다.

센서 인터페이스에서 가장 큰 오류 출처는 온도에 따른 이득단 드리프트와 ADC레퍼런스 의 드리프트이다. 따라서, 이와 같은 오류들은 온도 드리프트 특성을 파악하면 해결할 수 있다.

이와 같은 특성들은 보정으로 해결할 수 있다. 다양한 온도에 레퍼런스 전류를 적용해서 사용자는 내부 온도 센서의 감지 결과를 추출해서 소프트웨어에서 드리프트 영향을 제거할 수 있다(즉, 온도 기능으로서 드리프트 특성의 곡률 보정).

또 다른 방법으로서 ADC 레퍼런스 AS8510 데이터시트에 명시된 바와 같이 기존의 다항식 함수가 포함된 일반적인 곡률을 갖는데 오류원 또한 내부 온도 센서의 감지결과로 소프트웨어를 사용해서 제거할 수 있다. 다점 보정으로 션트 센서 시스템은 최상의 정밀도를 실현할 수 있다. 온도 드리프트를 해결한 상태에서, 오류는 대부분 일반적으로 약 0.2%인 수명에 따른 션트 드리프트에 의해 결정된다.

흥미롭게도, 금속의 높은 온도 계수는 (구리와 알루미늄은 약 4.000 ppm/K로 평가된다) 온도 센서의 감지 결과를 이용해서 보정할 수 있기 때문에, 내부 온도 센서는 PCB에서 금속 트랙을 사용해서 션트를 대체할 수 있다. 하드웨어 평가에 의하면, 금속 트랙에서 IC까지 열전도가 대형 펄스 전류의 경우 약 2% 정도, 소형 전류의 경우 그 이상의 시스템 정확성을 실현하는 보정을 지원할 정도로 충분한 것으로 나타났다.

션트 저항은 본질적으로 선형으로 오프셋 보정을 필요로 하지 않는다. 50-100 ЧΩ범위 내 션트와 오프셋 보정을 필요로 하지 않는 고선형의 오프셋이 없는 고분해능 신호조정 디바이스를 통합함으로써, 전류 센서 시스템은 실제 에너지 손실 없이 mA에서 kA에 이르는 신호를 측정할 때 높은 정밀도를 제공할 수 있도록 설계할 수 있다. 가장 주목할 것은 이와 같은 시스템은 실질적인 제로오프셋과 고선형성 덕분에 제로 전류까지 낮아진 전체 신호 범위에서 높은 정밀도를 제공할 수 있다는 것이다.


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