4세대 고전압 배터리 스택 모니터 IC

리니어, 저비용·고정밀 측정·기능안전성 대응

2016년 01월호 지면기사  /  글│한 상 민 기자 _ han@autoelectronics.co.kr


리니어 테크놀로지가 기존 배터리 스택 모니터를 위한 IC LTC6804를 대체하는 LTC6811을 출시했다. LTC6811은 기존 대비 25% 더 낮은 가격으로 동일한 고성능을 제공하면서 필터 컷오프 주파수, 패시브 및 액티브 밸런싱 제어 기능을 추가했다.

 

리니어 테크놀로지 코리아의 홍사곽 대표는 “우리는 2008년에 1세대 배터리 스택 모니터 IC인 LTC6802를 업계 최초로 발표했고 자동차에 적용하며 많은 경험과 노하우를 축적해왔다”며 “LTC6811은 혁신적인 3세대 LTC6804의 업그레이드 버전이면서도 저 가격으로 기대가 매우 크다”고 말했다.

리니어의 LTC IC는 그 탁월한 성능과 기능을 인정받아 BMW의 i3, i8, 미쓰비시 iMiEV, 혼다 시빅 하이브리드는 물론, 국내 기아 K5와 K7, 현대 쏘나타 HEV, 그랜저 HEV 등 수많은 모델에 적용되고 있다. 예를 들어 BMW i3에는 1세대 배터리 스택 모니터 IC는 물론, 리던던트 콘셉트 구현을 위해 다양한 리니어 IC들이 적용돼 있다.

최신 버전인 LTC6811은 직렬로 연결된 최대 12개 배터리 셀 전압을 0.04% 이내의 우수한 정밀도로 측정할 수 있다. 하이브리드 카 등 xEV에 적합한 통합형 배터리 측정 IC로서 딥 베리드(deep buried) 제너(Zener) 전압 레퍼런스, 고전압 멀티플렉서, 16비트 델타시그마 ADC(Analog-to-Digital Converter), 1 Mbps 절연 직렬 인터페이스를 통합했다. LTC6811은 3차 로우패스 필터 8개 중 하나를 프로그램해 설정할 수 있기 때문에 매우 우수한 노이즈 감쇄 기능을 제공한다. 가장 빠른 ADC 모드로 사용 시에는 모든 셀을 290 μs 내에 측정할 수 있다.

최근의 전기자동차에서는 배터리 배치가 자유로워지고 모듈식 구조를 도입하고 있다. 때문에 대용량 배터리 팩의 경우에서 여러 개의 LTC6811 제품들은 리니어의 독자적인 2선 isoSPI™ 인터페이스를 사용해 서로 동시 연결돼 동작한다. 내장된 인터페이스는 최대 1 Mbps의 데이터 속도를 지원하며 전기적으로 절연된 RF 노이즈에 내성 높은 통신기능을 제공한다. 트위스트 페어 와이어로 연결된 다수의 LTC6811은 1개의 호스트 프로세서에 데이지체인 방식으로 연결돼 수백 개셀의 고전압 배터리 스택을 측정할 수 있다.

리니어의 노일 이사는 “1세대 LTC 6802 이후 리니어는 다양한 경험을 축적하면서, 특히 2012년 출시한 3세대 제품인 LTC 6804에서 획기적인 측정 정밀성을 이뤄낼 수 있었다”며 “LTC 6811은 엄밀히 말해 새롭게 개발한 IC는 아니지만, 정밀성, 통신내성 등의 특성을 크게 높여 가격 구조가 크게 올라간 LTC 6804의 부담감을 덜어주면서 동일한 성능, 소프트웨어에서 몇 가지 기능과 업계의 요구를 반영한 획기적 제품”이라고 설명했다.

LTC6811은 실제 양산 차량에서 검증된 3세대 배터리 모니터 IC 제품의 후속 제품으로, 자동차 및 산업용 애플리케이션에서 요구하는 환경조건, 신뢰성, 안전 요건을 충족한다. 특히 ISO 26262 기능안전성 표준을 따르는 시스템을 위해 설계돼 리던던트 전압 레퍼런스를 통한 확장된 오류 범위, 로직 테스트 회로, 크로스 채널 테스트, 오픈 와이어 검출 성능, 와치독 타이머 및 시리얼 인터페이스에서 패킷 오류 체크 기능을 제공한다.



정밀도


뛰어난 정밀도를 달성하기 위해 LTC6811은 표면 아래에 전용 제너 전압 레퍼런스를 포함한다. 이는 장시간 안정성과 정확성을 비롯해 오버 타임 및 동작 상태에 따른 기능을 제공한다. 그 결과 LTC6811은 1.2 mL 미만의 오류 내에서 모든 배터리 셀을 측정할 수 있다.
또 LTC6811은 잡음이 존재해도 배터리 전압에서 잡음을 걸러냄으로써, 뛰어난 측정 정확성을 제공한다. 이 기능은 델타시그마 ADC 컨버터를 사용해 달성된다.

델타시그마 컨버터를 통해, 입력은 변환하는 과정에서 수차례 샘플링 된 다음 디지털로 필터된다. 컷오프 주파수가 샘플레이트로 구축되는 곳에서 측정 오류 소스로서 잡음을 제거할 수 있는 로우 패스 필터링이 내장된다. LTC6811은 프로그램 가능한 샘플레이트 기능을 갖춘 고속의 3차 델타시그마 ADC를 사용해 8개의 선택 가능한 컷오프 주파수를 사용한다. 그 결과 뛰어난 잡음 제거 및 8개 프로그램 가능한 측정 속도를 제공하며, 290 μs의 짧은 시간에서 12개 배터리 셀을 측정할 수 있다.

노일 이사는 “자동차에는 엄청난 노이즈가 발생하고 이것이 배터리 스택 모니터 IC에 영향을 미치기 때문에 필터링 기법이 요구된다”며 “LTC6804는 6가지 필터 모드를 제공했었는데 LTC6811은 두 가지 필터 모드를 추가해 총 8가지 모드를 제공하기 때문에 고객은 컨버터 속도를 떨어뜨려 노이즈 없는 정밀성을 더욱 높일 수 있다”고 말했다.


기능안전성

 

노일 이사는 “3세대 LTC 6804 부터 기능안전성 표준에 대응하기 시작했는데, 이 규격이 영문으로 돼 있고 보는 사람마다 해석이 다른 문제가 있었다”며 “이때 놓쳤던 기능들을 추가했다”고 말했다.

LTC6811은 고전압, 극한의 온도, 핫플러깅, 전기 잡음의 환경에서 오랜 기간 동작이 필요한 전력관리 시스템에서 높은 신뢰성, 안정성, 측정 정밀도를 실현할 수 있게 하면서 ISO 26262 표준을 지원한다. 이에 따라 전자적/전기적 시스템의 동작들이 제대로 기능하지 않아 발생할 수 있는 잠재적 위험요소들을 해결한다.

이런 조건은 시스템이 셀 전압 측정 전자제품처럼 핵심 전자제품의 적절한 동작을 지속적으로 확인할 것을 요구하기 때문에 LTC6811은 ▶배터리 및 모니터 간 개방형 와이어 검출 ▶±5 mV 이내의 1차 레퍼런스 정밀도를 확인할 수 있는 보조적인 전압 레퍼런스 ▶±0.25% 이내로 셀 측정 정밀도를 확인할 수 있는 12셀 스택 전압 측정 ▶0.01% 이내의 멀티 플렉서와 ADC 정밀도를 확인할 수 있는 듀얼 채널 측정 ▶필터 동작을 확인할 수 있는 듀얼 필터 동시 측정 ▶내부 전원공급장치 전압 측정 등 진단 성능을 확장해 포함하고 있다.




밸런싱 기능 추가

 

노일 이사는 “LTC6804에서 변화된 부분은 로우패스 필터 사양을 두 가지 추가한 것과 패시브 및 액티브 밸런싱 제어 기능을 추가한 것”이라며 “패시브 밸런싱은 높은 것을 깎아 맞추는 개념이지만 액티브 밸런싱은 에너지를 재분배하는 것”이라고 말했다.

LTC6811은 개별 셀을 방전시키거나 용량이 더 큰 고전력 외부 FET를 제어할 수 있는 패시브 밸런싱 FET를 내장하고 있다. LTC6811은 배터리 팩이 동작하지 않는 낮은 전력 상태일 때 셀들을 방전하도록 구성할 수 있다. 또 각 셀의 방전 출력은 독립적인 기간 동안 턴온 될 수 있다. 이 기능은 오랜 기간 동안 밸런싱을 할 수 있게 하면서 배터리 모니터는 활성 상태가 아니다. 동일한 밸런싱 핀은 리니어의 LT8584 액티브 밸런스 회로를 제어할 수 있는 시리얼 인터페이스로 동작할 수 있다.

LT8584는 불균형해진 셀 배터리 스택에서 99% 이상의 복구를 가능하게 해주는 모놀리식 플라이백 DC-DC 컨버터다. LTC6811 SPI 마스터를 사용하면, LTC6811은 리니어의 SPI 기반 액티브 밸런싱 IC LTC300으로 인터페이스할 수 있다. LTC3300은 전하를 12개에서 근접한 더 많은 셀로 효율적으로 이동시킬 수 있는 양방향 액티브 밸런싱으로 오류 기능이 보호된 컨트롤러 IC다.

LTC6811은 -40~125°C 범위에서 동작할 수 있도록 설계됐다. LTC6811은 소형 8×12 mm 표면 실장 SSOP 패키지로 제공된다. 가격은 1,000개 수량 기준으로 개당 8.19달러로 책정됐다. 샘플 및 데모 보드는 www.linear.com/product/LTC6811에서 이용할 수 있다.

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