반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글 / 아미나 요에르그(Amina Joerg) FAE, 파울로 로크(Paulo Roque) 시스템 애플리케이션 엔지니어, 아나로그디바이스(Analog Devices)

리튬 이온(Li-Ion) 및 기타 화합물 배터리 제품들은 자동차 업계의 핵심 요소일 뿐만 아니라 에너지 저장 시스템(energy storage systems, ESS)에도 널리 사용된다. 예를 들어, 기가팩토리, 즉 전기차용 배터리를 제조하는 초대형 공장들은 신재생 발전을 통해 하루에 몇 MWh씩의 에너지를 생산할 수 있다. 그렇다면 하루 24시간 동안 에너지 그리드에 가해지는 다양한 부담을 어떻게 처리해야 할까? 이 작업은 배터리 기반 그리드 지원 에너지 저장 시스템(BESS)을 사용하여 수행할 수 있다. 이 글에서는 배터리 관리 컨트롤러 솔루션과 ESS 개발 및 배포에서 이들이 제공하는 효과에 대해 살펴본다.

리튬 이온 배터리의 과제

리튬 이온 셀들을 사용하려면 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)이 필요하다. 리튬 이온 셀은 위험할 수 있기 때문에 BMS는 필수다. 리튬 이온 배터리는 과충전이 되면 열 폭주를 겪으며 폭발할 수 있다. 반대로 과방전이 되면 셀 내에서 화학 반응들이 일어나 충전 성능에 영구적인 영향을 미친다. 두 가지 경우 모두 위험하고 처리 비용이 많이 드는 상황으로, 배터리 셀이 손상될 가능성이 크다. 또한 리튬 이온 셀들은 배터리 팩을 구성하기 위해 적층되는 경우가 많기 때문에 BMS가 필요하다. 적층된 셀들에 대한 충전 작업은 종종 스택에 병렬로 정전류원을 적용함으로써 직렬로 수행된다. 그러나 이는 모든 셀을 동일한 충전 상태(state of charge, SOC)로 균형 있게 유지하는 조치인 ‘밸런싱’ 과제를 낳는다. 

어떻게 하면 배터리 스택에서 개별 셀을 과충전 또는 과방전하지 않고 모든 셀을 완전히 충전하거나 방전할 수 있을까? 밸런싱은 좋은 BMS가 갖춰야 할 여러 핵심 특성 중 하나다. 그러한 BMS의 주요 기능들은 다음과 같다:

▶ 셀 전압, 셀 온도, 셀 입력과 출력으로 흐르는 전류와 같은 셀 매개 변수 모니터링.

▶ 위에서 언급한 매개변수들과 쿨롱 카운터로 충전 및 방전 전류를 암페어초(A.s) 단위로 측정하여 SOC를 계산.

▶ 모든 셀이 동일한 SOC 상태인지를 확인하는 셀 밸런싱(패시브).

ADI의 BMS 솔루션

아나로그디바이스(Analog Devices, ADI)는 광범위한 BMS 제품군(ADBMSxxxx 시리즈)을 제공하고 있다. 예를 들어 ADBMS1818은 산업 및 BESS 애플리케이션에 이상적이며, 18셀로 구성된 배터리 스택을 측정할 수 있다. 모든 ADBMS IC를 작동하려면 마이크로컨트롤러가 필요하다. 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)은 BMS와 통신하여 측정 데이터를 수신하고 SOC 및 기타 매개변수를 결정하기 위한 계산을 수행한다. 

대부분의 마이크로컨트롤러들은 BMS와 통신할 수 있지만 모든 것이 적합한 것은 아니다. 광범위한 처리 능력을 갖춘 마이크로컨트롤러라야 좋다. BMS의 피드백 데이터는 꽤 클 수 있는데, 특히 대형 셀 스택이 필요할 때 그렇다(일부 스택은 1500V에 달할 수도 있으며, 이 경우 데이지 체인으로 연결된 최대 32개의 ADBMS1818로 구성된다). 이 경우 마이크로컨트롤러는 결과 데이터를 처리하는 동안 시스템의 다른 BMS IC들과 통신할 수 있도록 충분한 대역폭을 가져야 한다. 

ADI BMS 플랫폼 솔루션의 일부인 MAX32626 마이크로컨트롤러에는 PowerPath 컨트롤러를 통해 관리되는 두 개의 전원공급장치들이 있다. PowerPath 컨트롤러는 보드의 전력 수요(연결된 주변 장치들 및 처리 부하 등)를 기반으로 공급전원의 우선순위를 지정한다. 

대부분의 ADI 모니터링 IC들은 고전압 시스템들을 위한 스택 가능한 구조로 제공되므로 여러 개의 아날로그 프런트엔드(AFE)를 데이지 체인 방식으로 연결할 수 있다. 따라서 에너지 저장 컨트롤러 유닛(ESCU)이라고 하는 BMS 컨트롤러 보드의 주요 특징 중 하나는 여러 AFE와 동시에 작동한다는 점이다.

그림 1은 일반적인 BMS 블록 다이어그램을 나타낸 것으로, 여기서 파란색으로 강조된 부분이 ESCU이다. 이 ESCU는 기능 안전(functional safety) 애플리케이션에 최적화되어 있지 않지만, 사용자는 보호 회로 및/또는 이중화를 구현함으로써 특정 안전 무결성 수준(Safety Integrity Level, SIL) 요구 사항을 달성할 수 있다.

그림 1. ADI BMS 솔루션이 적용된 간단한 BMS 블록 다이어그램

BMS 컨트롤러 보드의 하드웨어 및 소프트웨어

하드웨어 정보

ADI의 ESCU는 다양한 BMS 디바이스들(AFE, 가스 게이지, isoSPI 송수신기)과 인터페이스한다. 이 BMS 컨트롤러 보드의 하드웨어 및 기타 구성 요소는 다음과 같다:

▶ 온보드 MCU: Arm Cortex-M4 MAX32626은 에너지 저장 애플리케이션에 적합하다. 이는 저전력으로 작동하며, 최대 96MHz의 주파수로 작동하는 내부 오실레이터가 있어 속도가 뛰어나다. 저전력 모드에서는 전력 소모를 줄이기 위해 최대 4MHz의 저속으로 구동할 수 있다. 600nA 저전력 모드 전류 및 활성화된 실시간 클럭(RTC)과 같은 뛰어난 전력 관리 기능도 갖추고 있다. 또한 MAX32626은 SPI, UART, I²C, 1-Wire 인터페이스, USB 2.0, PWM 엔진, 10비트 ADC 등 다양한 최적의 주변 장치들도 포함하고 있다. 이 MCU에는 첨단 보안 기능을 갖춘 TPU(trust protection unit)가 통합되어 있다.

▶ 인터페이스: 이 ESCU는 다양한 인터페이스를 지원한다:

    - SPI, I²C, CAN.

    - isoSPI: 높은 전압 장벽을 넘어 강력하고 안전한 정보 전송 지원 

    - USB-C: 보드에 전원을 공급하고 MCU에 프로그램을 기록(flash)

    - JTAG: 마이크로컨트롤러 프로그래밍 및 디버깅용

    - 아두이노 커넥터: 이더넷 쉴드, 센서 보드 또는 프로토 쉴드와 같은 아두이노 호환 보드를 추가하는 데 더 많은 유연성 제공

▶ isoSPI 송수신기: 하나의 트랜스포머를 사용하여 데이지 체인으로 연결된 BMS IC들과 isoSPI 통신을 수행하는 2개의 LTC6820을 포함하고 있다. 이를 통해 이 보드는 대형 전압 배터리 스택에 연결된 BMS IC로부터 완전히 절연된다. 듀얼 isoSPI 송수신기는 호스트 MCU가 통신 포트를 번갈아 가며 신호 무결성을 모니터링하는 이중화 및 양방향 절연 통신을 제공한다(향후 개발될 이 보드의 후속 제품에는 더 높은 데이터 속도와 최신 ADI BMS IC들에 적용된 저전력 셀 모니터링(LPCM) 기능을 지원하는 ADBMS6822(듀얼 isoSPI 송수신기)가 포함될 예정이다).

▶ 전원 관리:

    - 전원은 USB 2.0 인터페이스를 통해 PC에 연결되는 DC 잭이나 USB로 공급될 수 있다(USB-C 커넥터 사용 가능). 

    - 우선순위 설정 회로는 LTC4415를 사용하여 공급전원을 관리하고 선택한다. 이 회로는 컨트롤러와 주변기기의 부하에 따라 DC 잭이나 USB-C 입력 중 하나를 선택한다. 예를 들어, 아두이노 실드(Arduino shield)가 연결되어 실행 중인 경우, 보드의 전력 소비량은 USB-C가 제공할 수 있는 것 이상으로 증가할 것이다. 그러면 LTC4415의 아이디얼 다이오드-OR 아키텍처가 DC 잭을 우선 공급원으로 선택하도록 전환된다. 

    - 파워 체인은 점퍼(jumper)를 통해 설정할 수 있는 다양한 전압 레일(3.3V, 2.5V, 5V)을 제공한다. 

▶ 안전 및 보호: MAX32626은 외부 contactor(예컨대 배터리 보드에 장착됨)에 연결된 N-FET를 구동하는 온보드 절연 게이트 드라이버인 ADuM4120을 제어한다. 이 디바이스는 MCU가 ADuM4120을 통해 MOSFET를 켜고 끄면 비상 또는 고장 시 컨택터(contactor)를 오프(off)하고 배터리 연결을 끊는 보호 기능을 포함하고 있다.

그림 2는 이 ESCU의 주요 구성 요소들을 표시한 높은 수준의 블록 다이어그램을 보여준다.

그림 2. ESCU의 상세 하드웨어 블록 다이어그램.

이 PCB는 10cm × 9cm의 크기로 제공된다. 주요 인터페이스는 그림 3과 같다.

그림 3. ESCU의 상판 모습

소프트웨어 정보

소프트웨어 측면에서, ADI는 컨트롤러 보드와 통신하는 데 사용할 수 있는 오픈 소스 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 포함하는 완전한 솔루션을 제공한다. 이 GUI는 데이지 체인으로 연결된 ADBMS 디바이스를 최대 3개까지 지원한다. 

이 GUI는 쉽게 확장할 수 있도록 잘 정의된 오픈 소스 통신 프로토콜을 통해 MCU와 통신한다. 프로토콜은 직렬 포트를 통해 MCU로 전송되는 메시지들을 정의한다. 메시지는 오류 감지가 가능하도록 CRC(cyclic redundancy check)로 보호된다. 이러한 메시지를 통해 사용자는 MCU와 순서대로 연결하거나 연결을 끊고, 시스템 매개 변수를 설정하고, 측정을 수행하고, 결함을 활성화 및 확인하고, 필요한 모든 명령을 ADBMS 파트에 기록할 수 있다. 이 MCU의 애플리케이션 코드는 무료 RTOS 스레드를 사용하여 병렬 연산을 수행한다. 따라서 측정 스레드가 결함 확인 스레드와 병렬로 실행되어 결함 간격 시간을 구현할 수 있기 때문에 이는 매우 유용하다. 

소프트웨어 인터페이스는 BMS 컨트롤러 보드와 함께 제공되며, 파이썬으로 작성된다. 주요 사용자 섹션은 다음과 같다:

1. 시스템 탭: 이는 애플리케이션의 메인 첫 페이지다(그림 4). 이 페이지에서 사용자는 직렬 PC 통신을 설정하고, 연결된 AFE 보드의 수를 선택하며, 과전압 및 저전압 점검에 사용할 측정 간격과 임계값들을 결정할 수 있다. 연결하기를 누르면 사용자는 측정을 시작할 준비가 된다. 두 개의 시스템 상태 표시등이 모두 녹색으로 켜지면(그림 4), 사용자가 입력한 보드 수에 따라 측정 탭들이 나타난다.

그림 4. 사용자 애플리케이션의 시스템 탭

2. 그림 5와 같이, BMS 탭은 ESCU가 연결된 각 AFE에 대해 처리한 측정 값을 표시한다. BMS 탭에는 AFE 보드로 읽어지는 셀 및 GPIO 전압, 상태 및 결함 값이 포함되어 있다. 셀 전압 측정값도 실시간으로 그래프로 표시된다.

그림 5. BMS 측정 탭

3. 레퍼런스 탭: 이 GUI는 보드의 고급 블록 다이어그램과 회로도를 나타내는 레퍼런스 탭을 포함하고 있다. 회로도 및 거버 파일과 평가용 펌웨어, GUI 및 사용자 가이드는 ADI가 오픈 소스로 제공한다.

빠르게 진화하는 에너지 시장에서 BESS는 절실히 필요하다. 업계에서는 배포할 준비가 된 완전한 솔루션을 시급히 요구한다. 출시 일정을 앞당기고 개발 일정을 지연시키지 않도록 하기 위한 기술 지원도 필요하다. ADI는 ESCU를 통해 이러한 요구를 완벽하게 충족할 준비가 되어 있다. 이 보드는 BESS에 필요한 핵심 기능을 제공하고 후속 개발을 위한 유연성을 갖춘 완벽한 기반을 제공한다. 

ADI의 BMS 컨트롤러 솔루션을 사용함으로써, 사용자는 다음과 같은 이점들을 누릴 수 있다:

▶ 이 솔루션은 스택 가능하고 확장 가능한 아키텍처를 대상으로 하므로 여러 AFE들을 동시에 평가할 수 있다. 이를 위한 별도의 isoSPI 송수신기 보드는 필요 없다.

▶ 온보드 JTAG, 상태 LED, 다양한 커넥터 및 인터페이스를 지원하므로, BMS 시스템 디버깅을 순조롭게 수행할 수 있다.

▶ 오픈 소스 하드웨어와 소프트웨어를 활용하여 출시 시간을 단축할 수 있다.

ADI의 BMS 컨트롤러 보드는 BESS에 필요한 핵심 기능들을 갖추고 있으며, 향후 개발에 필요한 유연한 기반을 제공한다.

참고 자료

Lithium-Ion Battery Energy Storage Solutions. Analog Devices, Inc., 2022. 

Energy Storage Solutions. Analog Devices, Inc.

Amina Bahri. AN-2093: ADBMS1818 Slave Module Solution. Analog Devices, Inc., 2021.

저자 소개

파울로 로크(Paulo Roque)는 아일랜드 리머릭 소재 에너지 저장 시스템 그룹의 시스템 애플리케이션 엔지니어다. 2013년부터 ADI에서 다양한 역할과 제품을 담당해 왔으며, 가장 최근에는 마그네틱스 분야에서 근무하고 있다. 리머릭 대학교에서 로봇공학을 전공했다. 아미나 요에르그(Amina Joerg)는 독일에 위치한 산업팀의 기술지원 엔지니어(FAE)이다. 2018년부터 ADI에서 여러 직책을 맡았으며, 가장 최근에는 에너지 그룹에서 시스템 애플리케이션 엔지니어로 재직 중이다. 켐튼 응용과학대학교에서 전기공학 석사 학위를 취득했다.