높은 신뢰성 요건 충족하는 무선 배터리 관리 시스템

2017년 01월호 지면기사  /  글│그렉 짐머(Greg Zimmer), Linear Technology Corporation

 


리니어 테크놀로지의 배터리 셀 모니터링 IC는 꾸준한 향상을 통해 오늘날 자동차에 사용되는 배터리 팩의 높은 성능을 달성하고 수명과 신뢰성을 향상시켜왔다. 무선 BMS는 전체 배터리 시스템의 더욱 향상된 안정성과 신뢰성을 약속한다.

 


리튬이온 배터리가 오랫동안 신뢰성 있게 동작하기를 기대한다면 많은 주의가 필요하다. 리튬이온 배터리는 충전상태(SOC)의 끝까지 동작하지 않도록 해야 하며, 리튬이온 셀의 용량은 시간이 지나고 반복 사용함에 따라 줄어들고 차이가 나기 때문에 시스템 내의 모든 셀이 한정된 SOC 내에 있도록 관리해야 한다.

자동차에 충분한 전력을 공급하려면 수십 내지 수백 개의 배터리 셀이 필요하다. 이들 셀은 직렬로 길게 연결되며 1000 V 이상까지 전력을 발생시킨다. 배터리 관리 전자장치는 이와 같이 매우 높은 전압에서 동작하면서 공통 모드 전압효과를 제거해야 한다. 동시에 이러한 스트링 내의 각 셀들을 차동방식으로 측정하고 제어해야 한다. 또 배터리 전자장치는 배터리 스택 내부의 각 셀들에서 중앙지점으로 정보를 전달해 처리할 수 있어야 한다.

또 자동차나 기타 고전력 애플리케이션에서 고전압 배터리 스택의 동작은 많은 전기 잡음과 넓은 동작온도 범위에서 동작해야하는 등 가혹한 조건이 수반된다. 따라서 배터리 관리 전자장치는 동작범위, 수명, 안전성, 신뢰성을 극대화하면서 비용, 크기, 무게를 최소화해야 한다.

리니어 테크놀로지의 배터리 셀 모니터링 IC는 꾸준한 향상을 통해 오늘날 자동차에 사용되는 배터리 팩의 높은 성능을 달성하고 수명과 신뢰성을 향상시켜왔다. 무선 BMS는 전체 배터리 시스템의 더욱 향상된 안정성과 신뢰성을 약속한다.

 


배터리 모니터링


리니어 테크놀로지는 2008년에 최초의 고성능 멀티 셀 배터리 스택 모니터 LTC6802를 발표했다. LTC6802의 핵심적인 특징으로는 최대 12개 리튬이온 셀을 13 ms 내에 0.25% 최대 총 측정오차로 측정할 수 있으며, 또 많은 LTC6802 IC를 직렬로 연결해 긴 고전압 배터리 스트링의 모든 셀을 동시에 모니터링할 수 있다는 점을 꼽을 수 있다.


리니어 테크놀로지는 수년에 걸쳐 LTC6802 제품을 기반으로 향상을 거듭해왔으며, 리니어 LTC68XX 제품군의 모든 디바이스는 하이브리드 카(HEV), 전기차(EV) 및 기타 고전압, 고전력 스택의 정밀한 배터리 관리를 제공하도록 설계됐다.

LTC6811은 리니어 테크놀로지의 최신 멀티 셀 배터리 스택 모니터로서 극히 안정적인 전압 레퍼런스, 고전압 멀티플렉서 및 듀얼 16비트 델타-시그마 ADC를 통합하고 있다. LTC6811은 0.04% 이상의 정확도로 최대 12개 직렬 연결 배터리 셀 전압을 측정할 수 있다. 최고속 ADC 모드에서는 모든 셀을 290 μsec 내에 측정할 수 있다. 8가지 프로그래머블 3차 저역통과 필터 설정이 포함돼 LTC6811은 잡음감소에 뛰어난 성능을 제공한다. 그 결과 탁월한 셀 측정 정확도를 달성함으로써 배터리 팩 용량, 안정성, 수명을 향상시키는 정밀한 배터리 관리를 구현한다.

LTC6811은 각각 2개의 1 MHz 직렬 인터페이스를 내장하고 있다. 로컬 마이크로프로세서에 연결하는데 사용되는 SPI 인터페이스와 리니어의 독자적인 고유 2-wire isoSPI 인터페이스다. isoSPI 인터페이스는 2가지 통신 옵션을 제공한다. 여러 개의 디바이스를 데이지 체인 방식으로 BMS 마스터(호스트 프로세서)에 연결하거나, 여러 개의 디바이스를 BMS 마스터에 병렬로 연결하고 주소를 지정할 수 있다.




모듈러 배터리 팩


고전력으로 구동되는 자동차 시스템에 요구되는 대용량 배터리 셀을 수용하기 위해 배터리는 종종 팩으로 나누어 사용 가능한 차 내 공간 전체에 걸쳐 분산 배치된다. 보통 하나의 모듈에 10~24개 셀이 들어가며, 모듈은 여러 자동차 플랫폼에 맞춰 다양한 구성으로 조립할 수 있다. 모듈러 설계는 유지보수와 보증문제를 간소화해 매우 큰 배터리 스택의 기초로 사용할 수 있다. 이렇게 하면 배터리 팩을 더 큰 영역에 걸쳐 분산 배치할 수 있어 공간을 더 효과적으로 사용할 수 있다.

EV/HEV의 높은 전자기 간섭(EMI) 환경에서 분산된 모듈러 토폴로지를 지원하려면 견고한 통신 시스템이 필요하다. 절연 CAN 버스와 리니어의 isoSPI는 모두 이러한 환경에서 모듈을 상호연결하는, 도로현장에서 검증된 솔루션을 제공한다.



CAN 버스는 자동차 애플리케이션에서 성공적인 행보를 보여주고 있듯이 배터리 모듈을 상호연결하는 잘 확립된 네트워크를 제공하지만, 다수의 추가적인 부품을 필요로 한다. 예를 들어 절연 CAN 버스를 LTC6811의 SPI 인터페이스를 통해 구현하려면 CAN 트랜시버와 마이크로프로세서, 아이솔레이터를 추가해야 한다. CAN 버스의 주요한 단점은 이러한 추가요소를 구현하는데 요구되는 비용과 보드공간이 추가되는 점이다.

CAN 버스인터페이스에 대한 대안으로 리니어 테크놀로지의 혁신 2-wire isoSPI 인터페이스가 있다. CAN 버스가 4개의 와이어를 필요로 하는데 반해, 모든 LTC6811에 내장된 isoSPI 인터페이스는 간단한 트랜스포머와 단 하나의 트위스트페어를 사용한다. isoSPI 인터페이스는 긴 케이블 길이에 걸쳐 데이지 체인방식으로 연결하면서 최대 1 Mbps 데이터 속도로 동작할 수 있는 모듈에서 높은 RF 잡음 내성 인터페이스를 제공한다.





무선 BMS


무선 BMS에서 각 모듈은 CAN 버스 케이블이나 isoSPI 트위스트 페어 대신 무선연결을 통해 상호 연결된다. 현재 리니어 테크놀로지는 업계 최초 무선 자동차 배터리 관리 시스템(BMS) 콘셉트 카를 시험운행 중이다. 이 무선 BMS 콘셉트 카는 BMW i3에 LTC6811 배터리 스택 모니터와 리니어의 스마트메쉬(SmartMesh) 무선 메쉬 네트워킹 제품을 결합해 기존의 배터리 팩과 배터리 관리 시스템을 유선으로 연결하던 것을 대체했다. 시험 중인 이 완전 무선 BMS 차량은 전기차 및 하이브리드 카의 대형 멀티 셀 배터리 스택의 신뢰성을 향상시키고 비용을 낮추면서 배선의 복잡성을 줄여주는 획기적인 혁신을 달성했다.
자동차 제조사는 일반 운전자에게 전기차와 하이브리드 카가 안전하고 신뢰할 수 있다는 것을 보장해야 하는 과제를 안고 있다. 리니어 테크놀로지는 배터리 모니터링 IC의 안정성과 신뢰성 확보에서 더 나아가 높은 진동의 자동차 환경에서 커넥터, 케이블 및 전기배선에서 발생할 수 있는 기계고장에 대해 대처한다. 현재까지 자동차의 금속 및 높은 EMI 주변환경은 무선 시스템이 신뢰성 있는 동작을 수행하기 어려운 매우 가혹한 환경으로 간주됐다.


하지만 스마트메쉬 네트워킹은 경로와 주파수 다양화를 모두 적용해 진정한 의미의 리던던트 인터커넥트 시스템을 구현함으로써 장애를 피해 무선 메시지를 전달하고 간섭을 완화한다. 산업용 사물인터넷 애플리케이션에서 현장 검증된 스마트메쉬 임베디드 무선 네트워크는 철도차량 모니터링, 채광, 산업용 프로세스 플랜트와 같은 열악한 환경에서 99.999% 이상의 신뢰성 높은 데이터 전송을 제공한다. 무선 BMS 콘셉트 카는 유선 신뢰성을 제공하면서 기계 커넥터의 고장을 제거함으로써 전체적인 시스템 신뢰성을 크게 향상시키고 자동차 배터리 관리 시스템의 설계를 간소화하는 무선기술의 약속을 실현한다.




추가적 혜택


BMS와 스마트메쉬 네트워크의 결합은 현재 유선 시스템에서는 가능하지 않은 새로운 가능성을 열어준다. 무선 메쉬 네트워크는 배터리 모듈을 유연하게 배치할 수 있는데다, 이전의 전기배선에서는 적합하지 않던 위치에 센서를 설치할 수 있다. 또 간단히 스마트메쉬 지원 센서를 추가하면 배터리 충전상태(SOC) 계산의 정확성을 높여줄 수 있는 전류와 온도같은 추가적인 데이터를 BMS 마스터에서 수집할 수 있다.


스마트메쉬는 각 노드를 수 마이크로 초 내로 시간동기화하고, 각 노드에서 측정을 정확히 타임스탬프한다. 이러한 차량의 서로 다른 위치에서 시행되는 시간 - 상관측정은 배터리 SOC와 SOH(State of Health)를 보다 정확히 계산할 수 있게 하는 강력한 기능이다. 각 모듈에서 스마트메쉬 노드는 로컬 프로세싱을 수행해 일반 BMS 동작을 향상시킬 뿐 아니라 모듈 진단과 통신을 통해 어셈블리와 서비스를 향상시킬 수 있는 스마트 배터리 모듈을 구현할 수 있는 가능성을 제공한다.




스마트메쉬 네트워크


스마트메쉬 무선 센서 네트워킹 제품은 열악한 산업용 사물인터넷(IoT) 환경에서도 센서가 통신할 수 있게 하는 칩과 사전 인증된 PCB 모듈과 함께 메쉬 네트워킹 소프트웨어를 포함한다.



스마트메쉬는 120개국에서 5만 건 이상의 고객 네트워크에 설치돼 현장에서 성능을 검증받은 제품이다. 열악한 RF 환경에서 99.999% 이상의 데이터 신뢰성을 제공함으로써 스마트메쉬 무선 센서 네트워크는 다년 간에 걸쳐 개입할 필요없이 신뢰성 있게 핵심적인 센서를 제공하고 데이터를 제어하는 성능으로 산업용 IoT 제공업체로부터 신뢰를 얻고 있다.




스마트메쉬 특징

- 검증된 성능: 인더스트리 4.0 애플리케이션에서 현장 검증된 99.999% 이상 신뢰성 제공
- 강한 내구성: 시간동기화된 채널 호핑 메쉬 기술로 자기진단에 기반해 고장 자동완화
- 견고한 보안: NIST 인증 획득한 AES128 암호화를 포함 견고한 보안 제공




인터커넥트 비교 (그림 5부터)

다음의 다이어그램은 CAN 버스, isoSPI, 스마트메시 네트워크 간 다양한 전기적 연결을 보여준다.

배터리 모니터 및 신뢰성 높은 무선 네트워킹의 선도적인 기술을 보유하고 있는 리니어 테크놀로지는 언제, 어디에, 어떻게 무선 BMS를 배치할 수 있는지 평가할 수 있는 최적의 위치에 있다. 스마트메쉬 무선 BMS는 잦은 유지보수가 필요한 커넥터, 케이블, 전기배선을 없앤다는 약속이다. 무선 BMS는 스마트메쉬 확장성과 타임스탬프 데이터 수집 기능을 통해 확장된 BMS 기능을 구현할 수 있다. 리니어 테크놀로지는 고객과 지속적인 협력을 통해 고성능 아날로그 및 전력 솔루션을 제공하고 있다.

무선 BMS의 이점

- 잦은 유지보수가 필요한 커넥터, 케이블, 전기배선 제거
- 새로운 센서를 추가해 신뢰성 향상
- 자동차 어셈블리 및 배터리 유지보수를 간소화하고 설계자에게 추가적인 기계적 설계 유연성 제공
- 정밀한 타임스탬프 데이터 수집으로 SOC/SOH 계산 향상 AE 

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