2019년 1월 21일 월요일

T Technical Report

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배터리 관리 시스템이 어떻게 전기차의 안전성을 높이는가?

전문가들 말에 따르면 2025년에는 신차 판매의 25%가 전기 엔진 차량일 것이라고 한다. 실제로 많은 국가에서 환경 오염이나 기후 변화에 대한 대응으로 전기차 구입을 장려하고 있다. 중국은 전세계 전기차 판매에 있어서 절반을 차지하는 나라로서 2020년까지 도로 상에서 주행하는 전기차 대수를 5백만 대로 늘리겠다는 계획이다. 인도는 2030년에 이르면 전기차만 판매할 수 있도록 할 계획이다. 유럽 지역에서는 영국과 프랑스가 2040년 안에 디젤 및 가솔린 신차 판매를 완전히 금지할 것이라고 발표했다. 이러한 추세에 따라 자동차 회사들은 자동차 구동 방식의 전면 재고에 나서고 있다. 볼보는 2019년까지 자사의 모든 차종으로 전기 모터를 장착한다는 계획이다. GM은 가솔린 차량을 단계적으로 폐지하고 2023년까지 20종의 완전 전기차를 내놓는다는 계획이다. 포드는 전문적인 전기차 개발 팀을 구축하고 앞으로 5년에 걸쳐서 완전 전기차 및 하이브리드 신차 개발에 45억 달러를 투자할 것이라고 발표했다.

- Tamer Kira / Automotive Business Management Director Maxim Integrated 
- Daniel Miller / Principal Member of the Technical Staff Automotive Business Unit Maxim Integrated 

 
이러한 변화에 따라서 전기차 하이브리드차 플러그인 하이브리드차에 사용되는 대형 리튬이온 배터리 팩에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 배터리는 혹독한  환경에서 동작해야 하고 잠재적으로 장시간 사용하지 않았을 경우 견딜 수 있어야 한다. 이러한 배터리 팩을 구성하는 수백 혹은 수천 개의 개별 배터리 셀들은 정밀하게 관리되어야 한다. 셀들 간의 전압은 모니터링 되어야 하고 밸런싱되어야 한다. 리튬이온 배터리의 수명을 길게 하기 위해서는 어떤 셀이든 100% SOC(state-of-charge)로 충전되거나 0% SOC로 방전되지 않도록 해야 한다. 그렇게 되면 용량(capacity)이 감소되기 때문이다. 따라서 각 셀의 SOC를 정확히 제어하면 배터리 팩의 용량이 감소되지 않고 극대화될 수 있다. 또한 셀 밸런싱은 필수이다 . 이것은 모든 셀들의 충전 수준을 권장 SOC 범위 이내로 머물도록 하는 것이다.  배터리 온도를 감시하는 것도 중요하다. 이러한 모든 노력이 자동차를 더 안전하고 효율적으로 운행할 수 있도록 하며 배터리 수명과 자동차 주행 거리를 늘리는 데 기여한다.
 
오래도록 우수한 성능을 유지하기 위해서는
전기차의 리튬이온 배터리 팩을 정밀하게 관리해야 한다.
 
배터리 팩을 잘 관리하기 위한 효과적이고 효율적인 방법은 무엇일까? 빠르고 정확한 배터리 관리 시스템(BMS)은 큰 차이를 만들어 낸다. BMS는 배터리 팩을 모니터링할 뿐만 아니라 BMS  하드웨어 및 배터리의 정상 동작을 위한 실시간 진단 기능을 제공한다. 그러면 자동차에서 효과적인 BMS를 구현하기 위해 어떤 것들을 고려해야 하는지 살펴보자.
 
BMS의 주요 기능
때때로 자동차는 예상치 못한 혹독한 환경에서도 동작해야 하므로  BMS도 그에 맞게 까다로운 요건들을 충족해야 한다. 무엇보다  충전과 방전이 순식간에 일어나는 환경에서 높은 정확도로 실시간에 동작해야 한다. 또한 다양한 차내 시스템과 인터페이스해야 한다. 더불어 배터리의 전압 온도 충전 및 방전 전류도 측정하여 정확한 용량 측정해야 한다. BMS의 주요 기능은 아래와 같다. 
 
배터리 팩의 충전 상태(SOC state-of-charge)와 노화도(SOH state of health)를 계산하여 자동차 주행 거리와 예상 수명을 정확히 예측할 수 있다.
배터리를 손상시키거나 자동차 및 탑승자의 안전성을 저해하는 아래와 같은 조건들이 발생되지 않도록 예방한다. 
   - 과전압 또는 과전류 충전. 열폭주를 발생시킬 수 있다.
   - 저전압. 한번의 과방전만으로는 비극적인 결함이 발생되지 않지만 애노드 도체를 서서히 용해시킨다.
     반복적인 과방전은 리튬 플레이팅(plating)을 일으키고 결국에 열 폭주로 이어질 수 있다. 
   - 극단적인 고온. 셀 전해질 소재에 영향을 미침으로써 SOC를 떨어뜨린다.
     이 조건은 고체 전해질 계면(SEI) 형성을 촉진함으로써 저항과 전력 손실을 증가시키거나 불균일하게 만든다.
   - 극단적인 저온. 리튬 침착 (deposition)을 일으켜 용량 저하를 일으킨다.
   - 과전류. 불균일한 내부 임피던스로 인해서 내부적 발열을 일으키고 결국에 열 폭주로 이어질 수 있다.
     이 조건이 발생되면 배터리의 고체 전해질 계면 (SEI) 층을 증가시키고 저항을 높인다.
 
BMS는 CMC(cell-monitoring controller)와 BMC(battery monitoring controller) 2개의 메인 모듈로 이루어진다. CMC에서 BMC로 전압과 온도 데이터를 보고한다. BMC는 CAN 버스를 통해 자동차 메인 ECU로 BMS 요약 데이터를 전송한다. CMC와 BMC를 어디에 배치하느냐는 애플리케이션에 따라 또는 분산형 시스템이냐 중앙집중형 시스템이냐에 따라 달라진다. 분산형 시스템은 셀 배선을 줄이거나 완전히 없앨 수 있고 높은 정확도를 달성한다. 또한 하이브리드 플러그인 하이브리드 전기차에 걸쳐서 공통적인 플랫폼 디자인을 사용할 수 있고  IC에 핫 플러그 연결 시 견고하다는 장점이 있다. 중앙집중형 시스템은 통신 케이블을 제거함으로써 통신 인터페이스에 대한 요구를 줄일 수 있다. 또한 BMC를 통해서 온도 샘플링을 최적화하며 열 발생이나 비용 면에서 유리하다는 것이 장점이다. 반면에 단점은 밸런싱 시에 정확도가 떨어지고 확장성이 떨어지고 배터리 팩으로 배선이 어려울 수 있다. 
 
하이브리드 및 전기차와 마찬가지로 플러그인 하이브리드 역시도
빠르고 정확한 배터리 관리 시스템을 필요로 한다.
 
아키텍처 선택: 어떤 것이 효과적일까?
BMS 아키텍처는 다양한 방식이 가능하다. 스타(star) 구성을 기반으로 한 절연형 CAN(controller area network) 아키텍처는 견고성이 뛰어나다. 절연형 CAN 아키텍처는 통신 와이어로 끊김이 발생되었을 때 한 IC만 장애를 겪는다. 배터리 팩의 나머지 부분은 안전하다. CAN 아키텍처의 단점은 BOM 비용이 높고 각각의 IC로 마이크로프로세서와 CAN을 필요로 하고 통신 속도가 비교적 느리다는 것이다.
 
데이지 체인 아키텍처는 좀더 경제성이 우수한 방식이다. 특히 UART 데이지 체인은 CAN처럼 복잡할 필요 없이 신뢰할 수 있는 빠른 통신을 제공한다. 비싼 마이크로컨트롤러와 CAN 물리 층을 제거할 뿐만 아니라 잡음이 심한 환경으로 견고하게 동작할 수 있다. 커패시티브 절연을 사용함으로써 (트랜스포머를 사용한 다른 분산형 시스템과 비교해서도) 시스템 비용 상으로 더 유리하다. 데이지 체인 아키텍처는 통신 와이어 끊김이 발생되었을 때 통신이 중단될 수 있다. 그러나 일부 시스템들은 와이어 끊김 시에 다양한 수준의 동작이 가능하도록 하여 이러한 조건이 발생되었다는 것을 통보함으로써 시스템 안전성 문제를 초래하지 않도록 한다. 또 다른 방법으로는 데이지 체인 아키텍처에 SAR(연속 근사 레지스터) ADC를 결합함으로써 빠르고 정확한 배터리 시스템 측정을 달성할 수 있다. 
 
맥심의 새로운 MAX17843는 데이지 체인 SAR ADC 아키텍처이다. 12채널의 고전압 스마트 센서 데이터  통합 인터페이스로 중앙집중형 시스템이든 분산형 시스템이든 신뢰할 수 있는 통신을 제공한다. 이 전문적인 배터리 관리 IC는 차동 UART 통신 높은 잡음 내성 커패시티브 및 트랜스포머 절연을 특징으로 하며 100미터 거리의 데이지 체인이 가능하다. 또한 ASIL(Automotive Safety Integrity Level) D를 충족하는 단일 칩 솔루션을 제공한다. ISO 26262 “자동차 기능 안전성 표준”에서 정의하고 있는 ASIL D는 최고 수준의 안전성을 나타낸다. 이 IC를 사용하면 트랜스포머를 커패시터로 대체할 수 있으므로 절연에 필요로 하는 BOM 비용을 90%까지 줄일 수 있다. 전기차 하이브리드차 플러그인 하이브리드차 외에도 BMS는 48V 시스템 전기 자전거 배터리 구동 공구 배터리 백업 시스템 고전압 배터리 스택 등에 사용될 수 있다.  
 
맺음말
전세계적으로 전기차 하이브리드차 플러그인 하이브리드차가 빠르게 늘어남에 따라 배터리 팩을 정밀하게 관리해야 할 필요성 또한 높아지고 있다. 빠르고 정확한 BMS는 배터리 수명과 자동차 주행 거리를 늘리는 데 도움이 된다. 이러한 시스템을 구현하기 위해 다양한 아키텍처를 사용할 수 있다. 데이지 체인 아키텍처에 SAR ADC를 결합함으로써 빠르고 정확한 전압 측정을 달성하면 자동차의 안전성과 신뢰성을 높일 수 있다.