ST Promoting the Latest ASSP BMS Solution
오토모티브 명가 ST의 BMS 솔루션
14개 모니터링 채널별 ADC로 동일 시점 측정 전압 제공
2020년 09월호 지면기사  /  글│윤 범 진 기자_bjyun@autoelectronics.co.kr



STMicroelectronics Hojae Lee                            ST마이크로일렉트로닉스 이 호 재 부장

ST마이크로일렉트로닉스가 올 초 ASSP로 고집적 배터리 매니지먼트 IC인 L9963을 출시하고 본격 프로모션에 나서고 있다. 고집적 배터리 관리 IC L9963과 그 컴패니언 트랜시버 칩 L9963T를 기반으로 하는 ST의 솔루션은 최대 14셀을 직렬로, 일방 및 쌍방향 데이지 체인 구성으로 가장 정확도가 우수한 측정력을 자랑하면서 복잡한 셀 모니터링 및 진단 기능을 내장해 ASIL D를 만족한다. 이호재 부장을 만났다. 

글│윤범진 기자_bjyun@autoelectronics.co.kr





Q . 차량용 BMS를 구성하는 ST의 IC 포트폴리오에는 어떤 제품들이 있나요.
A. 차량용 BMS는 전압, 온도, 전류의 모니터링을 통한 배터리의 충전 상태(State of Charge, SOC)와 수명 상태(State of Health, SOH)를 관리하고 셀 밸런싱(cell balancing)과 같은 주요한 기능들을 구현할 수 있어야 합니다. EV에서 BMS의 주요 기능은 ▶전기차의 안전 구동 영역을 벗어났을 때 배터리 보호 기능 ▶배터리 팩 충전 상태(SOC)와 수명 상태(SOH)를 추산하는 배터리 모니터링 기능 ▶셀 밸런스 기술을 통한 배터리 수명 및 용량 향상과 주행거리를 최대화하는 배터리 사용 최적화 기능 등입니다.

ST의 BMS 솔루션은 이러한 요구조건을 만족시키는데 적합한 성능을 갖고 있습니다. 고집적 배터리 관리 IC L9963 및 그 컴패니언 트랜시버 칩 L9963T를 기반으로 하는 ST의 솔루션은 최대 14셀을 직렬로, 일방 및 쌍방향 데이지 체인 구성으로 가장 정확도가 우수한 측정력을 자랑하면서 복잡한 셀 모니터링 및 진단 기능을 내장하고 있습니다. 그리고 ISO 26262에서 요구하는 등급 중 ASIL D(Automotive Safety Integrity Level D)를 만족하도록 설계돼 있습니다.

L9963과 함께 32비트 Automotive MCU 제품군과 전력관리 및 릴레이 드라이브(Relay drive)를 위한 스마트 스위치, 다양한 보호 디바이스 그리고 데이터 로깅(data logging)을 위한 차량용 EEPROM을 포함하는 유연한 솔루션을 제공하고 있습니다.

다가올 Automotive Innovation Day(9.1~9.15, www.autoelectronics.co.kr) 행사에서는 ST BMS의 핵심 부품으로 배터리 셀 모니터링 IC인 L9963에 대해 중점적으로 소개하고 전체적인 ST BMS 솔루션을 제안하려 합니다. ST가 제안하는 BMS 솔루션은 기본적으로 배터리 셀 모니터링을 위한 L9963, 이 L9963과 MCU 사이의 절연통신을 할 수 있는 트랜시버(Transceiver)로 L9963T로 구성됩니다. 그리고 배터리 매니지먼트 시스템을 제어하는 MCU로 SPC58NN, High side나 Low side 또는 하프브리지(Half-bridge) 구성으로 파워 릴레이(Power Relay)를 구동할 수 있는 L9301을 사용해 전체 시스템을 구성할 수 있습니다. 추가로 고객의 요구사양에 따라 배터리의 버스 바(Bus bar)에 파이로 스위치(Pyro Switch)가 필요한 경우에는 구동 IC인 L9679E와 L9678로 구성할 수 있습니다.




BMS 블록다이어그램



14개의 모니터링 채널별로 개별 ADC

Q. 차량용 BMS IC 솔루션 시장에서 ST의 위상은 어느 정도이고 경쟁 포인트는 무엇인가요.
A. www.asirt.org의 스트래티지 애널리틱스(Strategy Analytics)에 따르면, 2019년 9%인 EV(마일드 하이브리드는 제외)의 전 세계 차량 생산 비율은 2025년까지 19%에 이를 것으로 전망되고 있습니다. 지속적인 성장세를 보이는 전기차 시장에서 ST의 시장 리더십과 기술력은 중요한 성장 동력으로 작용할 것입니다.

ST는 지난 2008년부터 전기차 배터리 관리 기술 분야의 주요 파트너들과 BMS 비즈니스를 시작해 전 세계 배터리 관련 고객들을 중심으로 ASIC 솔루션 개발 및 기술을 선도해왔으며, 그 동안 축적된 기술을 바탕으로 ASSP(Application Specific Standard Product) 제품인 L9963을 2020년 상반기에 출시하고 이와 함께 시스템 솔루션을 제안하면서 적극적으로 시장의 성장과 발맞춰 나가고 있습니다. 특히, 기존 내연기관 자동차의 파워트레인과 세이프티 시스템 등 다양한 분야에서 기술 우위를 선점한 ST의 경험과 노하우가 EV 기술 및 시장에서도 독보적일 것으로 기대합니다.

ST는 MCU, 스마트 파워 IC, 디스크리트 등 다양한 제품과 솔루션을 바탕으로 오토모티브 시장의 다양한 분야를 리드하고 있으며, 이를 통해 오토모티브 시장의 명가(名家)로서 고객들의 신뢰를 쌓아왔습니다.
배터리 관리 시스템에 적합한 최적의 솔루션을 모두 ST의 제품으로 구현하고 검증할 수 있습니다. ST의 경쟁력 있는 기술 적용과 함께 이렇듯 비용 최적화된 시스템 디자인을 구현할 수 있다는 점에서 고객들에게 더욱 큰 혜택을 제공하게 될 것입니다.




Q. BMS IC 시장에는 경쟁사가 많습니다. 회사 간 차이점이 크게 눈에 띄지 않습니다. ST BMS 프로그램의 최신 제품인 L9963만의 어필 요소가 있을까요? L9963의 어필 요소가 다른 기술과의 비교에서 왜 우위에 있다고 할 수 있는지 구체적으로 설명해 주실 수 있나요.
A. 일반적인 배터리 셀 전압 모니터링 IC는 내부의 Mux를 통해 순차적으로 셀 전압을 측정하고 ADC로 Conversion하므로 모든 셀 전압이 각각 다른 시간에 측정된 값을 가지게 됩니다. 하지만 L9963은 14개의 모니터링 채널별로 개별 ADC가 있고 이 ADC들은 샘플링 동기화가 가능해 동일 시점에 측정한 셀 전압값을 제공할 수 있습니다. 셀 전압 모니터링을 위한 16비트 ADC는 1.7~4.7 V 범위에서 2 mV 오차 내의 전압을 측정할 수 있고, 18비트 ADC와 전류 감지 증폭기(current sense amplifier)는 외부 션트 저항기(shunt resistor)를 통해 0.5% 오차 내에서 전류를 측정할 수 있어 배터리의 SOC와 SOH 관리를 효과적으로 할 수 있습니다.

모니터링 채널은 최소 4ch부터 사용할 수 있으며 배터리 모듈 간 연결 부위인 버스바 커넥션(Busbar connection)도 감지가 가능합니다. 그리고 충전 효율을 높이기 위한 셀 밸런스 기능을 지원하고 L9963 internal MOSFET을 통해서는 Max 200 mA의 전류를 사용할 수 있으며 더 높은 전류가 필요할 경우 외부 MOSFET을 드라이브하여 셀 밸런스를 할 수 있도록 지원합니다.

SPI(Serial Peripheral Interface)와 전체 배터리 셀(cell)을 모니터링하는 여러 L9963 IC 간의 고속 통신을 지원하기 위해 2.66 Mbps의 수직 통신 인터페이스인 Isolated SPI를 갖추고 있습니다. 이를 통해 8개의 디바이스가 4 ms 미만으로 96개의 셀을 변환 및 판독 가능하고, 트랜스포머와 커패시터 절연 모두 사용할 수 있습니다.

L9963은 최대 15개 직렬 통신 연결이 가능합니다만, 800 V 전기차 배터리의 경우 좀 더 많은 직렬연결 대응이 필요해 최대 31개 직렬연결을 지원하는 라인업 제품으로 L9963E를 2020년 하반기에 출시할 예정입니다. 또한 듀얼 링(dual ring) 구성을 통한 양방향 통신을 구현해 세이프티 레벨을 향상시킬 수 있습니다.

L9963과 MCU와의 절연 통신을 위해서 별도의 트랜시버가 필요합니다. 이에 L9963과 함께 L9963T를 출시했습니다. L9963T는 L9963의 절연 통신으로 받은 데이터와 MCU로부터 받은 커멘드 데이터를 내부 버퍼에 저장한 뒤 절연 통신 버스의 유휴 상태에서 순차적으로(FIFO: First in, First out) 데이터 통신을 합니다. 최대 10 Mhz SPI 통신을 지원하며 통신전원은 3.3 V와 5.0 V 모두 사용 가능합니다. L9963T도 ASIL D를 만족하는 기능안전성 대응을 고려한 제품입니다.

BMS IC의 배터리 전원은 차단할 수 없으므로 일반적으로 BMS IC를 보호할 때 필요한 외부 제너 다이오드(Zener Diode)를 사용합니다만, L9963은 외부 제너 다이오드를 사용하지 않고도 핫 플러깅(Hot Plugging)이 가능해 견고한 설계를 구현합니다. L9963을 사용하면 설계자가 이러한 부품을 쓸 필요가 없어 비용을 추가로 절감할 수 있습니다.

폴트(fault) 상황을 빠르게 인지하기 위해 하드웨어 신호를 별도의 폴트 핀(fault pin)을 통해 주변 IC로 전달하며, 통신 프로토콜에 전용 폴트 비트가 할당돼 있어 해당IC의 폴트 상황을 MCU에서 신속하게 확인 가능합니다. 그리고 7개의 GPIO를 이용해 NTC를 통한 온도 측정도 가능합니다.

ASIL D 요건 충족 ISO 26262 기능안전성 등급인 ASIL D 요건을 충족시키기 위해 L9963은 ‘림프 홈(Limp Home)’ 모드를 지원하고, 안전성을 향상시키는 완전히 독립적인 두 개의 동일한 셀 측정 경로를 가지고 있습니다. 자동차 안전성 요건을 충족시키는 포괄적인 결함 감지 및 알림 기능도 내장하고 있습니다. BMS는 배터리 개별 셀로부터 모니터링된 정보로 충전 및 방전 제어도 해야 하며 과방전, 과충전 등 위험 상황에 대한 진단 및 보호도 해야 합니다. 그렇기에 ISO 26262의 기능안전성 등급 중 가장 높은 ASIL D를 요구하고 있습니다. 이를 완전히 구현하기 위해서는 BMS 내 MCU, 릴레이 컨트롤, 파워 매니지먼트 IC도 L9963과 동일한 수준의 기능안전성 대응이 필요합니다. 이에 BMS 솔루션으로 제안 드리는 ST 제품들을 다음과 같이 소개하고자 합니다.


ST의 MCU로는 SPC58NN을 제안합니다. SPC58NN은 32비트 MCU로 4~6 MB 플래시 메모리 라인업을 갖추고 있으며 ASIL D를 위한 Safety Lake(Lock step Core, DMA, Interrupt controller), End to End ECC(Error Correcting Code) 기능을 지원합니다. 그리고 시큐리티 요구사항인 EVITA Medium을 지원하는 HSM이 있습니다.

전기차 배터리 팩과 연결돼 배터리 전원을 공급 또는 차단하는 경로인 파워 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly) 내 릴레이 컨트롤에도 기능안전성 대응이 가능한 High side, Low side 또는 세이프티 레벨을 더 높인 하프브리지 드라이버도 필요합니다.
이에 L9301은 High side, Low side, 하프브리지 구성가능한 8ch IC로서 다양한 구성의 릴레이 컨트롤을 기능안전성 규격을 고려해 디자인할 수 있습니다.

또, ASIL D 등급의 기능안전 대응이 필요한 제동과 조향 시스템을 타깃으로 만든 PMIC인 L9369와 L9001을 제안하고 있습니다.

마지막으로 고전압 배터리를 사용하는 전기차는 사고 발생 시 운전자/구조자의 감전 및 차량 화재 예방이 필요합니다. 이에 대한 대책으로 에어백 시스템과 연계된 파이로 스위치(Pyro Switch를 배터리 버스바에 부착해 사고 발생 시 에어백과 함께 파이로 스위치의 동작으로 배터리 버스바를 끊어 전원을 차단하는 방법을 사용합니다. 파이로 스위치는 에어백 작동 시 화약을 폭파시키는 스큅 드라이브(squib drive) 기술이 동일하게 적용돼 있어 기존 에어백 스큅 드라이브 IC를 사용합니다. ST는 에어백 시스템 IC와 관련해 오랜 기간에 걸쳐 전 세계적으로 높은 시장 점유율을 가지고 시장을 선도하며 다양한 제품 라인업을 갖추고 있습니다. 전기차의 BMS 고객이 파이로 스위치 드라이브 솔루션을 찾을 경우 적합한 제품 추천, 기술지원도 가능합니다.

Q. 타사 제품을 사용하던 고객이 L9963 제품으로 변경하고자 할 때, 설계 지원을 위해 어떤 서비스와 툴이 제공되나요? L9963 제품으로 변경을 하고자 할 때, 기존 자원을 최대한 활용할 수 있다면 비용과 타임투마켓 측면에서 큰 이점이 될 것입니다. 기존 자원을 그대로 활용할 수 있을까요?
A. 경쟁사 및 여타 IC의 평가보드(evaluation board)와 다르게 L9963은 IC 단품의 성능을 검증할 수 있는 평가보드 뿐만 아니라, 시스템 사양을 구현한 시스템 보드를 GUI와 함께 제공해 실제 시스템 적용에 유용하도록 디자인 툴을 제공합니다. 시스템 보드는 ST의 통합 BMS 솔루션으로, ST의 MCU, PMIC, 모니터링 IC, 트랜시버로 구성되어 있으며 시스템 검증이 용이합니다.


Q. 차세대 배터리가 활발하게 연구개발되고 있습니다. 차세대 배터리에 대해서 어떻게 대응하고 있나요? ST BMS 프로그램의 일환으로 협업하고 있는 자동차 제조사(OEM)가 있나요? 수소연료전지차 분야에서도 ST의 제품이 적용되고 있나요?
A. ST는 지난 2008년 이후로 전기차 배터리 관련 고객들과 지속적으로 긴밀한 협력관계를 통해 관련 노하우와 기술력을 쌓아왔습니다. 미래에 요구되는 고효율 저비용 배터리와 수소연료 전지분야에 대해서도 전기적, 화학적 특성을 지속적으로 연구할 것이며, 이를 통해 고객들과 시장의 니즈를 만족시키는 새로운 모니터링 IC를 개발할 것입니다.



Q. 끝으로, 이호재 부장님께서 담당하고 계신 제품을 소개해 주시고, 공개가능한 범위에서 그간 실적을 소개해 주시겠어요.

A. 제가 ST에서 담당하는 시스템 영역은 파워트레인 및 세이프티로 개별 시스템으로 보면, 엔진, 트랜스미션, 에어백, 제동, 조향 등입니다. 해당 시스템들이 주요 자동차 회사 및 시스템을 개발하는 회사별로 특징 및 요구되는 기능이 조금씩 상이해 범용으로 사용되는 IC가 아닌, 해당 시스템에 적합한 ASIC 제품이 주로 사용되었습니다.

올해 초 ASSP로 고집적 배터리 매니지먼트 IC인 L9963이 출시되면서 다양한 고객들을 만나 프로모션을 진행하고 있습니다. 그동안 파워트레인 및 세이프티 시장에서 쌓아온 경험과 노하우를 기반으로 전기차용 시스템 IC와 관련한 분야에 더욱 노력을 기울일 계획입니다.

이번에 Automotive Electronics에서 진행하는 Automotive Innovation Day에 참가해 L9963을 중심으로 하는 ST의 BMS 솔루션을 소개하는 것도 이러한 노력의 일환이라고 하겠습니다. 

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