전기차용 BMS 설계 기법:

핵심 역할 담당하는 전류 센서 인터페이스

2015년 11월호 지면기사  /  글│사빈 주드(Sabine Jud), 거노트 GPS(Gernot Hehn), ams

 

전기차 성장률에 영향을 주는 가장 큰 요인은 배터리다. 배터리는 전기차 구매 가격에 가장 큰 부분을 차지하는 요소이며, 범위와 수명, 전력/출력 특성을 포함한 배터리 성능은 대부분 소비자가 전기차를 내연기관 차량의 대체 제품으로 수용할 수 있거나 전혀 수용할 수 없다고 판단하는 기준이 된다. 배터리 센서는 전반적으로 배터리 성능에서 핵심 역할을 담당한다. 배터리 충전 및 정확한 기능 수행은 센서가 감지하는 측정의 정확성과 신뢰성에 따라 결정된다. 배터리 센서의 기술 발전은 배터리 성능이 획기적으로 향상돼 전기차에 대한 소비자의 인식을 개선하는 점에서 큰 도움을 주고 있다. 

 


미래에 대한 희망이 전기차 기술 발전에 많은 투자를 주도해왔다. 전기차를 통해 온실가스(greenhouse gas, GHS) 방출이 줄어들고, 지속가능한 에너지 개발을 촉진해 도심 지역의 공기질이 개선될 것으로 모두 기대하고 있다. 전기차를 많이 사용할수록 지구와 인류 모두에게 도움이 될 것으로 전망된다.

현재 전기차는 기존의 내연기관(ICE) 승용차를 대체할 수 있는 과정에서 서서히 발전되고 있는 단계다. 전기차 제조업체가 직면하고 있는 문제 중 가장 심각한 사항은 소비자의 새로운 기술 채택에 대한 거부감과 전기차의 비싼 초기 구매 비용을 비롯해 광범위하게 사용할 수 있는 충전 인프라 부족등이다. 전기차가 산화질소, 일산화탄소, 탄화수소 등 다양한 오염원을 전혀 배출하지 않는다고 해도 전기차 구매와 관련해서는 극소수의 소비자들도 신중하게 고려한다.

사실, 여러 해 동안 전기차는 우유배달차, 골프카트 등 저전력, 단거리 이동 기술에 적합한 틈새시장에서 성공을 거둬 왔다. 그러나 닛산의 리프(Leaf), 쉐보레의 볼트(Volt) 등 2010년 말 혁신적인 자동차 디자인이 출시된 이후, 플러그인 하이브리드(PHEV)가 더욱 광범위하게 사용되고 있다.

10년 먼저 출시된 하이브리드 카(HEV) 또한 현재 꾸준히 판매되고 있다. 파이크리서치(Pike Research)의 새 보고서에 따르면, 전 세계의 연간 전기차 판매량은 오는 2020년까지 380만 대에 이를 전망이다.

전기차 성장률에 영향을 주는 가장 큰 요인은 배터리다. 배터리는 전기차 구매 가격에 가장 큰 부분을 차지하는 요소이며, 범위와 수명, 전력/출력 특성을 포함한 배터리 성능은 대부분 소비자가 전기차를 내연기관 차량의 대체 제품으로 수용할 수 있거나 전혀 수용할 수 없다고 판단하는 기준이 된다.

배터리 센서는 전반적으로 배터리 성능에서 핵심 역할을 담당한다. 배터리 충전 및 정확한 기능 수행은 센서가 감지하는 측정의 정확성과 신뢰성에 따라 결정된다. 이 글에서 설명하겠지만, 배터리 센서의 기술 발전은 배터리 성능이 획기적으로 향상돼 전기차에 대한 소비자의 인식을 개선하는 점에서 도움을 주고 있다.


BMS 기능

배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리 손상을 방지하고 배터리 수명을 연장하며 특정 용도의 기능을 수행할 수 있는 배터리 적합성을 유지하기 위해 절대적으로 필요한 시스템이다. 즉, BMS는 차량의 안전과 성능에 대한 요건을 지원한다. 기본적인 BMS 기능은 다음과 같다:
- Pack 전압 측정
- 배터리 유입(충전 시) 또는 배터리 배출(방전 시) 전류 측정
- 각 cell 전압 측정
- Cell 온도 측정
- 상기 측정 수치가 절대 최대/최소 허용 수준을 초과하는 경우 배터리 차단
- Stack의 각 cell에 저장된 충전 전기 균형 조절
- BMS의 기능안전성을 보장하기 위해 시스템 부품의 동작 상태 점검
- 배터리의 충전상태(SOC), 건전상태(SOH), 기능상태(SOF) 산출
- 상기 데이터를 차량에 전송

이러한 기능을 수행할 수 있는 BMS성능은 해당 센서 입력의 정확성에 달려 있다. 이 글은 다양한 이용 가능한 기술을 비교하고, 각 기술의 장단점을 설명하기 위해 전류 감지(current sensing)에 대한 내용을 자세하게 살펴보고자 한다.


hall과 shunt 기반 센서 비교

전류 흐름을 측정할 수 있는 기본적인 측정 기술은 두 가지가 있다:
- 회로가 정해진 저항 값을 가진 션트 저항 사이의 전압 강하를 직접 측정해서 해당 전압값을 전류 흐름 값으로 전환한다.
- Hall 센서로 알려진 자기장 감지 요소가 전류를 운반하는 도체에서 생성되는 자속을 측정할 수 있다. 자속 강도는 전류 변화에 따라 변동된다.

위의 두 가지 방법은 본질적으로 장단점이 있다. Shunt 기반 센서를 전류 경로에 삽입해야 하며 이것은 측정하는 시스템에 영향을 줄 수 있다는 의미다. 이전에 shunt 기반 시스템은 상대적으로 감도가 낮아서 필수적인 정밀도 및 분해능(resolution)으로 전류 측정을 하기 위해 높은 저항값의 shunt가 필요했다. 고저항은 높은 삽입 손실과 바람직하지 않은 전력낭비를 발생시킨다.

그러나, 현재 Shunt 기반 센서는 아날로그 회로 디자인과 제조방식이 대폭 향상돼 개선됨에 따라, 단지 100 μΩ의 shunt로도 정확하고 정밀하게 전류를 측정할 수 있다. 현재 마그네틱 센서와 거의 동일한 삽입 손실을 나타낸다. 이와 같은 시스템에서 저항기 내부의 전압 강하를 증폭하고(오프셋을 제거하는 아키텍처를 선호해 사용) 디지털화한다.

마그네틱 전류 센서의 경 우 , 전류 도체를 Hall 센서 요소에 근접하게 놓는다. 전류 도체와 Hall 요소를 단일 패키지에 통합하거나 철금속 고리를 자속 집중장치(concentrator)로 사용해서 센서 요소를 고리 안에 있는 공간에 통합시킨 후 근접한 위치를 확보할 수 있다. 그 후 자속은 Hall 요소가 직접 감지하거나 총 자속을 0으로 보상하기 위해 폐쇄 루프 아키텍처를 사용한다.

다음으로 교정 전압을 측정할 전류에 비례하게 한다. 자기성 시스템은 전류 경로로 삽입할 필요가 없기 때문에 본질적으로 고립시켜서 설치하기가 더 간단하다. 그러나 비선형성이 나타나며(Hall 요소는 기본적으로 비선형이기 때문에) 표유자계에 의한 간섭에 쉽게 영향을 받을 수 있다.

표1은 shunt 기반 전류 센서가 시스템 제조업체가 필요로 하는 대부분의 파라미터에서 마그네틱 센서보다 많은 장점이 있다는 것을 보여준다.


정확한 배터리 전압 및 전류 측정

자동차 배터리 센서 설계에서 가장 어려운 과제는 1 mA에서 1 kA까지 넓은 전류 범위에서 매우 정밀한 측정이 필요하다는 것이다. 이에 따라 1 μV 이상의 분해능에서 100 mV 이상의 측정 범위를 가지는 센서 인터페이스가 필요하다.

이와 같은 측정 시스템의 주요 속성은 다음과 같다:

- 매우 적은 노이즈
- 높은 선형성
- 제로 오프셋

ams의 고집적 센서 인터페이스인 AS8510은 이같은 특성을 제공한다. 전류 및 전압 측정 시 동종 제품 중 최상의 정확성을 제공하는 디바이스 AS8510은 양극성의 전류 및 전압 신호를 오프셋 없이 동시에 측정하는 두 개의 독립된 데이터 수집 채널을 제공한다.

리튬이온 배터리에서 SOC 데이터는 배터리 온도와 함께 무부하 배터리 전압과 유사한 정밀 측정을 기반으로 한 보상 순환의 도움으로, 시간이 지나면서 배터리로 입력되거나 출력되는 전류를 정확하게 측정해서 얻을 수 있다. 정확한 SOC 데이터 수집은 정확한 시간 기준뿐만 아니라(외장형 쿼츠 기반 클록으로 제공) 전체 신호와 온도 범위에서 정확한 전류 측정을 필요로 한다. SOC 데이터는 운전자의 ‘남아 있는 충전량’ 표시기로 전송되어 BMS는 과방전(over discharge) 상태로 피해를 입을 수 있는 것을 방지할 수 있다.
전류는 상당히 정확하고 안정된 저항인 100 μΩ 망가닌 shunt를 통해 측정된다.

고선형 16비트 시그마 델타 ADC, 제로 오프셋 아키텍처, 공장에서 온도 조절된 ADC레퍼런스와 같은 특징 덕분에 AS8510은 자동차의 전체 온도 범위, 입력 범위, 수명에서 0.2%의 일반적인 정확성을 제공할 수 있다. 또한, 디바이스 수명에 대한 레퍼런스 및 이득의 정확성은 기기의 AEC Q100 자격의 일환으로 인증 받았다.

전압은 BMS가 측정해야 하는 또 다른 주요 요소다. 특히 안전하고 효율적인 충전과 리튬이온 배터리의 셀 균형을 위해 정확한 전압 측정이 필요하다. AS8510에서 외부적으로 감쇄된 전압은 전류 측정과 동시에 또는 구성된 경우 다양한 샘플 레이트로 직접 디지털화된다. 온도에 따라 ADC 레퍼런스드리프트의 소프트웨어 보정이 실행될 경우, 전류 측정 기능과 마찬가지로 0.2%의 전압 측정 정확성이 전압 채널 상에 가능하다.

다른 배터리 측정 IC보다 우수한 정확성과 안정성, 수명을 제공하는 AS8510은 EV와 HEV 제조업체들이 충전 주기 간격에 대한 운전자의 기대에 부합하면서 차량 소유에 따른 수명 비용을 낮춰 시장 요구를 충족할 수 있도록 예정돼 있다.


도로 주행 중 AS8510의 성능

BMW i3는 배터리 센서에 AS8510을 탑재해 현재 양산 중인 전기차의 한 가지 사례이다. 이 BMS는 i3의 전기 모터에 전력을 공급하는 400 V 리튬이온 배터리의 전압과 전류를 모니터하고 차량 배터리 시스템의 기능안전성을 보장한다. 특별한 보정 회로가 지원되는 경우, BMS의 센서 시스템은 AS8510의 전체 작동온도 범위(-40 ~ 125°C) 및 제품수명 동안 ±0.5%의 정확도로 전류를 측정하고 ±0.1% 이상의 정확도로 전압을 측정할 수 있다.

ams는 차량용 드라이브트레인의 까다로운 환경에서 매우 정확한 배터리 파라미터 측정을 BMW와 다른 OEM 제조업체들이 구현할 수 있도록 지원하고 있다. 또한, ams는 미래의 배터리 관리 기술에 대한 모든 동향을 준비하고 있을 뿐만 아니라 IC설계자들의 아날로그 전문기술력 및 오스트리아 그라츠에 있는 공장에서 사용되고 있는 우수한 아날로그 회로 제조공정 특성을 활용하고 있다.

전기차 성장률에 영향을 주는 가장 큰 요인은 배터리다. 배터리는 전기차 구매 가격에 가장 큰 부분을 차지하는 요소이며, 범위와 수명, 전력/출력 특성을 포함한 배터리 성능은 대부분 소비자가 전기차를 내연기관 차량의 대체 제품으로 수용할 수 있거나 전혀 수용할 수 없다고 판단하는 기준이 된다. 배터리 센서는 전반적으로 배터리 성능에서 핵심 역할을 담당한다. 배터리 충전 및 정확한 기능 수행은 센서가 감지하는 측정의 정확성과 신뢰성에 따라 결정된다. 배터리 센서의 기술 발전은 배터리 성능이 획기적으로 향상돼 전기차에 대한 소비자의 인식을 개선하는 점에서 오늘날 도움을 주고 있다.  

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