수동 밸런싱은 모든 셀이 동일한 용량을 갖는 것처럼 보이게 한다

글/ 샘 녹(Sam Nork), 케빈 스콧(Kevin Scott), 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

자동차 및 운송수단 시장에서 대형 배터리 스택은 가솔린으로 구동되는 내연 기관과 관련된 유해한 배기가스(일산화탄소, 탄화수소)를 배출하지 않으면서 높은 출력 전력을 제공한다. 직렬 연결된 스택의 개별적인 배터리는 이론상으로 시스템에 균등하게 작용해야 한다. 하지만, 배터리와 관한 한 모든 배터리가 균등하게 생산되지는 않는다. 심지어 동일한 화합물의 동일한 물리적 크기와 형태를 갖는 배터리라도 전체 용량, 내부 저항, 자체 방전율 등이 다를 수 있다. 이 밖에도 배터리는 노화의 상태가 다르므로 배터리 수명 계산에 다른 변수를 추가할 수 있다.

배터리 스택은 스택에서 가장 낮은 용량 셀에 의해 성능이 제한된다. 가장 약한 셀이 완전 방전되면, 전체 스택이 사실상 완전 방전된다. 스택에 있는 개별적인 각 배터리 셀의 상태는 셀 용량 대비 남은 용량의 비율을 측정하는 충전 상태(state of charge, SoC) 측정에 기초해 결정된다. SoC는 전압, 누적된 충전 및 방전 전류, 온도와 같은 배터리 측정을 사용하여 배터리에 남은 잔량을 결정한다. 정밀 단일 칩 및 멀티 칩 배터리 관리 시스템(BMS)은 SoC 측정을 포함한 배터리 모니터링과 수동 또는 능동 셀 밸런싱을 결합하여 배터리 스택 성능을 향상시킨다. 이러한 측정은 다음을 제공한다.

• 셀 용량과 독립적인 양호한 배터리 충전 상태

• 셀 간 충전 상태 불일치 최소화

• 셀 노화 영향 최소화(노화는 용량 손실 초래)

수동 및 능동 셀 밸런싱은 배터리 스택에 서로 다른 이점을 제공한다. 이에 따라 아나로그디바이스는 두 가지 방법 모두에 대한 배터리 관리 제품 포트폴리오에서 솔루션을 제공한다. 먼저 수동 밸런싱을 살펴보자.

수동 밸런싱은 모든 셀이 동일한 용량을 갖는 것처럼 보이게 한다
초기에 배터리 스택은 상당히 잘 일치된 셀을 가질 수 있다. 그러나 시간이 지남에 따라 충전/방전 사이클과 상승하는 온도, 일반적인 노화 등으로 인해 셀 균형 상태가 나빠진다. 약한 배터리 셀은 더 강하거나 높은 용량 셀보다 더 빨리 충전 및 방전함으로써 시스템의 실행 시간에 제한 요소가 된다. 수동 밸런싱은 스택에서 모든 셀이 가장 약한 셀과 같은 용량을 갖는 것처럼 보이게 한다. 비교적 낮은 전류를 사용하여 충전 사이클 동안 높은 SoC 셀로부터 소량의 에너지를 소비하여, 모든 셀이 최대 SoC로 충전할 수 있게 한다. 이는 스위치와 블리드 저항을 각 배터리 셀과 병렬로 사용하여 수행된다.


그림 1. 블리드 저항을 사용하는 수동 셀 밸런서

모든 셀이 완전히 충전될 때까지 충전이 계속될 수 있도록 높은 SoC 셀은 충전 상태가 감소된다(전력이 저항에서 소비된다).

수동 밸런싱은 모든 배터리가 동일한 SoC를 가질 수 있게 하지만, 배터리 구동 시스템의 실행 시간을 향상시키지는 않는다. 수동 밸런싱은 셀을 밸런싱 하는 상당히 저렴한 방법이다. 하지만 방전 저항으로 인해 과정 중에 에너지가 낭비된다. 또한 수동 밸런싱은 셀 간 자체 방전 전류에서의 장기적인 불일치를 교정할 수 있다.


그림 2. 외부 수동 밸런싱을 사용하는 LTC6804 애플리케이션 회로

수동 밸런싱을 사용하는 멀티셀 배터리 모니터
아나로그디바이스는 수동 셀 밸런싱을 포함하는 멀티셀 배터리 모니터 제품군을 제공한다. 이들 디바이스는 적층 가능한 구조로 되어 있어 수백 개의 셀을 모니터링할 수 있다. 각 디바이스는 최대 12개의 직렬 연결된 배터리 셀을 측정할 수 있으며, 전체 측정 오차는 1.2mV 미만이다. 0V ~ 5V의 셀당 측정 범위는 대부분의 배터리 화합물에 적합하다. LTC6804는 그림 2에서 볼 수 있다.

LTC6804는 내부 수동 밸런싱 기능을 포함하며(그림 3), 원하는 경우 외부 MOSFET과 함께 구성할 수 있다(그림 4). 또한 옵션인 프로그래밍 가능 수동 밸런싱 방전 타이머를 제공하므로 사용자는 더 많은 시스템 구성 유연성을 가질 수 있다.


그림 3. 내부 방전 스위치를 사용하는 수동 밸런싱


그림 4. 외부 방전 스위치를 사용하는 수동 밸런싱

시스템 실행 시간을 극대화하고 보다 효율적인 충전을 원하는 고객에게는 능동 밸런싱이 가장 적합한 방법이다. 능동 셀 밸런싱을 사용하면 에너지가 낭비되지 않으며, 오히려 충전 및 방전 동안 스택에 있는 다른 셀에 재분배된다. 방전 동안 더 약한 셀은 더 강한 셀에 의해 보충되므로 셀이 완전 방전 상태에 도달하는 시간을 연장시킬 수 있다. 능동 밸런싱에 대한 자세한 내용은 기술 원고 “능동 배터리 셀 밸런싱”을 참조한다.

저자소개
샘 녹(Sam Nork)은 1988년부터 아나로그디바이스의 전력 제품 사업부(이전 리니어테크놀로지)에서 근무하고 있다. 제너럴 매니저 및 설계 책임자로 120명 이상의 엔지니어로 구성된 개발 팀을 이끌면서 배터리 충전기, ASSP, PMIC 및 소비자용 전력 제품을 주로 담당한다. 개인적으로 다수의 휴대용 전력 관리 집적 회로를 설계 및 출시하였으며, 11개의 등록 특허 발명자/공동 발명자이다. 리니어테크놀로지에 입사하기 전 매사추세츠 윌밍턴에 있는 아나로그디바이스에서 제품/테스트 개발 엔지니어로 일했다. 다트머스 대학에서 A.B. 및 B.E. 학위를 받았다(연락처 sam.nork@analog.com).

케빈 스콧(Kevin Scott)은 아날로그디바이스의 전력 제품 사업부 제품 마케팅 매니저이며 부스트, 벅-부스트, 절연 컨버터 및 드라이버, 선형 레귤레이터를 담당한다. 이전에는 선임 전략 마케팅 엔지니어로 근무하면서 기술 교육 내용 작성, 판매 엔지니어 교육을 담당하고 회사의 광범위한 제품의 기술 이점을 설명하는 다수의 글을 웹사이트에 기고했다. 애플리케이션, 경영 관리, 마케팅 역할을 맡으며 26년간 반도체 업계에 종사하고 있다.

1987년에 스탠포드 대학에서 전기공학 학사학위를 받고 졸업했으며, NFL에 잠시 적을 두었다가 이후 엔지니어링 경력을 시작했다(연락처 kevin.scott@analog.com).

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