직렬-연결 배터리를 위한 능동 밸런싱 솔루션

대형 고전압 재충전 가능 배터리 시스템은 전기자동차에서 전력망 로드 관리 시스템에 이르기까지 다양한 애플리케이션에서 일반 전원으로 사용되고 있다. 대형 배터리 스택은 개별 배터리 셀의 직/병렬 어레이로 구성되며, 수십kWh의 에너지를 저장할 수 있다. 높은 에너지 밀도와 최고 전력 성능을 가진 리튬 폴리머, LiFePO4 셀은 일반적인 기술로 채택되고 있다.

단일-셀 애플리케이션의 경우, 안전한 동작을 보장하고 배터리의 조기 노화 또는 손상을 방지하기 위해 셀 충전 및 모니터링의 세심한 제어가 반드시 필요하다. 하지만, 단일-셀 시스템과 달리 직렬-연결 배터리 스택은 셀 밸런싱과 같은 추가적인 요구사항을 갖고 있다.

모든 직렬-연결 셀은 밸런싱을 필요로 한다

스택의 모든 셀이 동일한 충전 상태(SoC, State of Charge)를 보유한 경우 배터리 스택의 셀들이 ‘밸런싱’되었다고 한다.
SoC는 셀의 충전 및 방전에 따른 개별 셀의 최대 용량 대비 전류 잔여 용량을 의미한다. 예를 들어, 5A-hr의 잔여 용량을 가진 10A-hr 셀은 50%의 SoC를 갖고 있다고 한다.
모든 배터리 셀은 손상 또는 수명 저하를 방지하기 위해 SoC 범위 내에서 유지되어야 한다. 허용 가능한 SoC 최소 및 최대 수준은 애플리케이션에 따라 달라진다.
배터리 동작 시간이 가장 중요한 애플리케이션의 경우, 모든 셀이 20%의 최소 SoC에서 최대 100%의 SoC(또는 완전 충전 상태) 사이의 범위에서 동작해야 한다. 최장 배터리 수명을 요구하는 애플리케이션의 경우 SoC 범위를 최소 30%에서 최대 70% 사이로 제한할 수도 있다. 이것은 매우 높은 교체 비용을 요구하는 고가의 초대형 배터리를 사용하는 전기자동차, 전력망 스토리지 시스템에서 사용되는 일반적인 SoC의 한계이다.
배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)의 1차적인 역할은 스택의 모든 셀을 세심하게 모니터링하고 어떠한 셀도 애플리케이션의 최소 및 최대 SoC 한계를 벗어나서 충전 또는 방전되지 않도록 보장하는 것이다.
직렬/병렬 셀 어레이의 경우, 병렬로 연결된 셀들은 서로 자동 밸런싱한다고 가정할 경우 일반적으로 안전하다. 말하자면 도전 경로가 셀 터미널 사이에서 1시간 경과함에 따라, 충전 상태는 병렬 연결된 셀들 사이에서 자동적으로 동등해진다.
또한 직렬 연결된 셀의 충전 상태는 시간 경과에 따라 여러 가지 요인에 의해 달라진다고 가정하는 것이 안전하다. 최고 조건에서 온도 변화 또는 임피던스, 자가 방전 비율, 셀간 로드 등의 차이로 인해 SoC 변화가 점진적으로 나타날 수 있다. 배터리 팩 충전 및 방전 전류가 이러한 셀간 편차를 최소화시키더라도 셀들이 주기적으로 밸런싱 되지 않을 경우 누적 불일치가 지속적으로 커질 것이다.
셀간 SoC의 점진적인 변화를 보상하는 것은 직렬 연결 배터리를 밸런싱하기 위한 가장 기본적인 이유이다. 일반적으로 수동 또는 소산 밸런싱 구조가 일치하는 용량을 가진 셀들로 구성된 스택의 셀의 SoC를 재밸런싱 하는 데 적합하다.
그림 1(a)에 나타난 바와 같이 수동 밸런싱은 단순하고 비용이 저렴하다. 그러나 수동 밸런싱은 매우 느리며 배터리 팩 내부에 불필요한 열을 발생시키고, 스택 내에서 가장 SoC가 낮은 셀과 일치시키기 위해 모든 셀의 잔여 용량을 감소시켜 밸런싱한다.
수동 밸런싱은 또한 용량 불일치라는 다른 일반적인 상황으로 인해 효과적으로 SoC 에러를 해결할 수 있는 성능이 부족하다. 모든 셀들은 노화로 인해 용량이 줄어들며, 앞에서 언급한 것과 유사한 이유로 인해 각기 다른 비율로 용량이 줄어들게 된다. 스택 전류가 모든 직렬 연결 셀들에 동일하게 흘러 들어가고 흘러 나오므로, 스택의 가용 용량은 스택 내 최저 용량 셀에 의해 결정된다.
그림 1(b), 그림 1(c)와 같이 능동 밸런싱 방법만 스택 전체의 전하를 재분배하여 셀간 불일치로 인한 용량 손실을 보상할 수 있다.



셀간 불일치로 인해 동작 시간을 극적으로 줄일 수 있다

셀들을 밸런싱 하지 않을 경우 용량 또는 SoC의 셀간 불일치로 인해 이용 가능한 배터리 스택 용량이 심각하게 감소할 수 있다. 스택 용량을 극대화시키기 위해서는 스택 충전 기간은 물론, 스택 방전 기간 동안 셀들을 밸런싱시켜야 한다.
표 1에 나타난 예제에서 (공칭) 100A-hr 셀로 구성된 최소 용량 셀과 최대 용량 셀로 인한 ＋/－10% 용량 에러 특성을 제공하는 10-셀 직렬 스택은 사전에 결정된 SoC 한계에 도달할 때까지 충전 또는 방전된다. SoC 레벨이 30%에서 70% 사이로 제한되고 밸런싱이 실행되지 않는다면, 이용 가능한 스택 용량은 전체 충전/방전 사이클 후 셀이 이론적으로 이용 가능한 용량 대비 25%까지 감소하게 된다.



수동 밸런싱은 스택 충전 단계에서 이론적으로 각 셀의 SoC를 균등하게 유지할 수 있지만, 방전 시 다른 것보다 먼저 셀 10이 30%의 SoC 수준에 도달하는 것을 방지할 수 없다. 스택 충전 시의 수동 밸런싱인 경우 (사용하지 않는) 상당한 용량이 스택 방전 시 ‘손실’된다. 능동 밸런싱 솔루션만이 스택 방전 시 높은 SoC의 셀로부터 낮은 SoC 셀로 전하를 재분배하여 ‘용량 복구’를 달성할 수 있다.
표 2는 ‘이상적인’ 능동 밸런싱 기능을 통해 셀간 불일치로 인한 ‘손실’ 용량을 100% 복구하는 방법에 대해 나타낸 것이다.



정상 상태 사용 시 스택이 70%인 SoC ‘완전’ 재충전 상태에서 방전할 경우 저장된 전하를 사실상 셀 1(최고 용량 셀)에서 얻어 셀 10(최저 용량 셀)으로 전달하는데, 그렇지 않을 경우 셀 10이 나머지 셀들보다 먼저 최소 SoC 지점인 30%에 도달하고, 추가적인 수명 저하를 방지하기 위해 스택 방전이 중단되어야 한다.
이와 마찬가지로 충전 단계에서는 셀 10에서 전하를 제거하여 셀 1로 재분배해야 하는데, 그렇지 않을 경우 셀 10이 SoC 상한인 70%에 먼저 도달하면 충전 사이클이 중단되어야 한다. 배터리 스택의 동작 수명 특정 지점에서 셀 노화의 편차로 인해 셀간 불일치가 반드시 발생할 것이다. 그러나 능동 밸런싱 솔루션은 필요한 만큼 높은 SoC의 셀로부터 낮은 SoC 셀로 전하를 재분배함으로써 ‘용량 복구’를 달성할 수 있다. 배터리 스택 수명 전체에 대해 최대 배터리 스택 용량을 달성하기 위해서는 능동 밸런싱 솔루션이 효율적으로 개별 셀들을 충전 및 방전시켜 스택 전체에 대해 SoC 밸런스를 유지해야 한다.

고효율 양방향 밸런싱 기능을 통해 최고의 용량 복구를 달성할 수 있다

LTC3300(그림 2 참조)은 고성능 능동 밸런싱에 대한 요구를 지원할 수 있도록 특별히 설계된 제품이다.



LTC3300은 고효율 양방향 능동 밸런스 제어 IC로서 고성능 BMS 시스템의 핵심적인 요소이다. 각 IC는 직렬로 연결된 최대 6개의 리튬-이온 또는 LiFePO4 셀을 동시에 밸런싱할 수 있다.
SoC 밸런스는 선택된 셀과 서브 스택에 있어서 최대 12개 이상의 인접 셀간 전하를 재분배함으로써 이루어진다. 밸런싱 결정 및 밸런싱 알고리즘은 독립적인 모니터링 디바이스와 LTC3300을 제어하는 시스템 프로세서에 의해 처리되어야 한다.
셀을 방전시키기 위해 전하가 선택된 셀에서 12개 이상의 인접 셀 그룹으로 재분배된다. 마찬가지로 셀을 충전시키기 위해 전하가 선택된 셀에서 12개 이상의 인접 셀 그룹으로 전송된다. 모든 밸런서는 방향에 상관 없이 동시에 동작할 수 있으므로 스택 밸런싱 시간을 최소화시킬 수 있다. 모든 밸런싱 제어 명령은 스택 높이의 제약 없이, 스택 가능한 높은 잡음 마진 특성을 제공하는 SPI 인터페이스를 통해 각 IC에 제공된다.
LTC3300의 각 밸런서는 비절연형 경계 모드 동기식 플라이백 전력단을 사용하여 각 개별 셀에 대해 고효율 충전 및 방전 특성을 달성할 수 있다(그림 3 참조). 6개의 밸런서는 각각 개별 트랜스포머를 요구한다. 각 트랜스포머의 “1차측”은 밸런싱되는 셀과 연결되며, “2차측”은 밸런싱되는 셀을 포함하여 12개 이상의 인접 셀들과 연결된다. 2차측 셀의 수는 외부 부품의 내압에 의해서만 제한된다.



셀 충전 및 방전 전류는 외부 센스저항, 외부 스위치 및 트랜스포머의 크기에 따라 최대 10A까지 설정될 수 있다. 1차 및 2차 부품을 통한 시퀀싱 및 IPEAK/IZERO 전류 감지 기능은 밸런서의 셀 충전 또는 방전 지원 여부에 따라 결정된다. 고효율은 동기식 동작과 최적의 부품 선택을 통해 달성된다. 개별 밸런서들은 BMS 시스템 프로세서를 통해 활성화되며, 이들은 BMS가 밸런싱 중단 명령을 내리거나 고장 조건이 감지되기 전까지 활성 상태를 유지한다.

밸런서의 효율이 중요하다

배터리 팩이 갖고 있는 가장 큰 문제 중 하나가 바로 열이다. 주변 온도가 높을수록 배터리의 수명과 성능이 급격히 저하된다. 게다가 고전류 배터리 시스템의 경우, 밸런싱 전류까지 높아야만 동작 시간을 연장하거나 팩을 신속하게 충전할 수 있다. 밸런서 효율이 좋지 않으면 배터리 시스템 내부에 불필요한 열이 발생하게 되고, 해당 시간 조건에서 동작하는 밸런서의 수를 줄이거나 비용이 높은 온도 완화(Ther-mal Mitigation) 방법을 통해서 이와 같은 문제를 해결할 수 있다.
그림 4에 나타난 바와 같이, LTC 3300은 충전 및 방전 방향 모두에 대해 ＞90%의 효율을 달성함으로써 밸런스 전류를 통해 동등한 밸런서 전력 소모를 가진 80% 효율의 솔루션보다 2배 이상 높은 효율을 달성할 수 있다. 뿐만 아니라, 밸런서의 효율이 높을수록 보다 효과적으로 전하를 재분배할 수 있으며, 다시 말해 보다 효과적으로 용량을 복구하고 신속하게 충전할 수 있다.



로컬 셀은 대부분의 밸런싱 동작을 수행한다

2차측 연결을 그림 5와 같이 인터리빙함으로써 스택을 통해 전하를 전달할 수 있다.



이와 같은 방법으로 인터리빙하면 6개의 셀로 구성된 모든 그룹의 전하를 인접한 셀 그룹으로 전달하거나 전달받을 수 있다. 여기서 주목할 점은, 인접한 셀들이 스택의 위 또는 아래에 있을 수 있다는 것이다. 이러한 유연성은 밸런싱 알고리즘을 최적화시킬 때 유용하다.
인터리빙 시스템과 관련된 일반적인 오해는, 최상단 스택에서 최하단 스택으로 전하를 재분배하는 것은 전하를 최상단에서 최하단으로 이동시키는 데 필요한 변화들로 인해 매우 비효율적일 것이라는 것이다.
그러나 그림 5의 예와 같이, 대부분의 밸런싱은 밸런싱에 필요한 셀에 가장 인접한 셀들로 전하를 재분배함으로써 간단히 달성된다. 10개 이상의 셀로 구성된 2차측 스택을 통해, 전체 스택의 동작시간을 제한할 수 있는 취약한 셀에서 1개의 밸런서를 실행하면 간단히 “손실” 용량의 최대 90%까지 복구할 수 있다.
따라서 LTC3300 인터리빙 토폴로지를 통해 전하를 최상단 스택에서 최하단 스택으로 이동시킬 필요가 없으며, 대부분의 밸런싱 동작은 인접한 로컬 셀을 통해 이루어진다.

안전이 최우선이다

LTC3300 양방향 능동 밸런서는 탁월한 전기적 성능을 제공할 뿐만 아니라 밸런싱 기간 동안 경미한 사고를 방지하면서 가능한 한 최고의 신뢰성을 유지할 수 있는 다양한 안전성 기능을 제공한다.
데이터 무결성 확인(모든 유입 및 유출 데이터에 대한 CRC 확인, 워치도그 타이머, 데이터 역판독) 등은 의도하지 않거나 문제가 있는 명령에 대한 밸런서 응답을 방지한다.
프로그램 가능한 볼트-초(Volt-second) 클램프는 밸런싱 기간 동안 발생한 전류 감지 고장이 전류 조건을 벗어나지 않도록 한다. 2차측 과전압 감지 기능뿐만 아니라 셀별 과전압 및 과소전압 확인 기능은 밸런싱 기간 동안 갑작스러운 배터리 배선 하네스 고장으로 인한 밸런싱 회로 손상을 방지한다.
이러한 특성들은 LTC3300이 직렬-연결 배터리 시스템에서 고성능과 신뢰할 수 있는 능동 밸런싱 기능을 제공할 수 있도록 해준다.
이와 같은 시스템에서 셀이 노화되거나 교체가 필요할 경우 동작 시간, 충전 시간, 배터리 팩 수명 등을 더 이상 손상시키지 않으면서 셀 용량의 결과적인 불일치를 보상하는 것이 중요하다.
LTC3300은 이러한 기술적 문제들을 해결할 수 있도록 설계되어 설계자에게 새로운 수준의 안전성 및 충전 효율을 제공한다.

Samuel Nork Linear Technology Corporation