노화되는 전지의 배터리 동작 시간을 극대화하는 고효율 양방향 능동 밸런서

전기자동차의 수와 수명이 지속적으로 증가함에 따라 배터리 팩 내의
노화되는 비정상적인 셀들이 만성적인 문제이자 동작 시간 감소의 주요 원인으로 나타나고 있다.
일반적으로 직렬 연결 배터리의 동작 시간은 스택 내 최저 용량 셀에 의해 제한되기 때문에
1개의 약한 셀이 전체 배터리 성능을 손상시킬 수 있다.
따라서 이 같은 문제를 방지하기 위해 각각의 모든 셀에 대해 보다 크고 고비용의 배터리를 사용하거나 셀의 불균등한 노화로 인한 셀 간 용량 불일치를 보상할 수 있는 고성능 능동 밸런서를 채용해야 한다.

Samuel Nork, Steve Knoth  Mat. 리니어 테크놀로지


높은 에너지 밀도의 직렬 연결된 리튬폴리머 또는 리튬인산철(LiFePO₄)전지로 구성된 배터리 스택이 전기(EV 또는 BEV) 및 HEV, PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)에서부터 ESS(Energy Storage System)에 이르는 다양한 애플리케이션에서 현재 일반적으로 사용되고 있다.
특히 전기 자동차 시장은 직렬/병렬 연결 대형 배터리 전지 어레이에 대한 많은 수요를 형성할 것으로 예상되고 있다.
정량적으로 보자면 2012년에서 2020년까지의 PEV 및 EV 판매에 대한 연평균성장률(CAGR, Compound Annual Growth Rate)은 37.4%¹⁾로 예상될 정도이다.
고용량 셀에 대한 수요가 증가하고 있음에도 불구하고 배터리 가격은 여전히 높게 유지되고있다.
수십 킬로미터의 주행 거리를 지원하는 배터리의 가격이 일반적으로 10,000 달러 이상이기 때문에 EV 또는 PHEV에서 가장 고가의 부품으로 취급되고 있다.
이를 저비용/개량 셀을 사용해 높은 비용을 어느정도 완화시킬 수 있지만, 이러한 작업을 거친 셀들은 용량 불일치가 상대적으로 커서 이용 가능한 동작 시간이 단축되는 결과를 가져온다.
심지어 비용이 보다 높은 고품질 셀도 노화와 반복적 사용으로 인해 불일치를 일으키는 원인이 된다. 하지만 2가지 방법을 통해 불일치되는 셀의 스택 용량을 증가시킬 수 있다.
우선 상대적으로 큰 배터리를 처음부터 사용하는 방법이다. 하지만 이 방법은 비용 효과적이지 못하다.
두 번째는 팩 내의 배터리 성능을 복구할 수 있는 능동 밸런싱이라는 새로운 기법을 사용하는 것인데, 이에 대한 중요성이 현재 빠르게 부각되고 있다.

‌모든 직렬 연결 셀이 균형을 이루어야 한다

스택 내의 모든 셀들이 동일한 충전 상태(SoS, State of Charge)에 있다면 스택 내의 셀들은 밸런싱이 이루어졌다고 볼 수 있다.
SoC는 셀이 충전되고 방전될 때 최대 용량 대비 각 셀의 현재 잔여 용량을 말한다. 예를 들자면, 5A-hrs의 잔여 용량을 가진 10A-hr 셀은 SoC가 50%라고 할 수 있다.
일반적으로 전체 배터리가 SoC 범위 내에서 유지되어야만 손상 또는 수명 저하를 방지할 수 있다.
하지만 허용 가능한 SoC의 최소 및 최대 수준은 애플리케이션에 따라 매우 다양하게 나타난다.
배터리 동작 시간이 매우 중요한 요소로 작용하는 애플리케이션의 경우에는 전체 셀이 최소 20% SoC와 최대 100% SoC(만충 상태) 사이에서 동작해야 한다. 최장 배터리 수명을 요구하는 애플리케이션이라면 최소 30%에서 최대 70% 사이에서 SoC 범위를 제한해야 한다.
이들은 매우 높은 교체 비용을 수반하는 고가의 초대형 배터리를 사용하는 전기 자동차와 그리드 스토리지 시스템에서 일반적으로 요구되는 SoC의 한계치이다.
BMS(Battery Management System)의 주요 역할은 스텍의 모든 셀을 세심하게 모니터링 해 어떠한 셀도 애플리케이션의 최소 및 최대 SoC 한계를 벗어나 충전 또는 방전되지 않도록 보장하는 것이다.
직렬 또는 병렬 셀 어레이의 경우에, 병렬로 연결된 셀이 상호 자동으로 밸런싱을 이룬다고 가정하는 것이 일반적으로 안전하다.
다시 말해 도전 경로가 셀 단말 사이에 존재하는한 시간이 경과함에 따라 병렬 연결 셀 간의 충전 상태가 자동으로 균등해질 것이다.
또한 다양한 요인들로 인해 시간이 경과함에 따라 직렬 연결된 셀의 충전 상태는 달라지는 경향이 있다고 가정하는 것이 안전하다.
팩에 대한 온도 경도(Temperature Gradient) 또는 임피던스, 자가 방전 속도, 셀 간 부하 등의 차이로 인해 점진적인 SoC 변화가 발생한다. 여기서 아무리 배터리 팩 충전 및 방전 전류가 이러한 셀 간 편차를 축소시키는 경향이 있을지라도 주기적으로 셀들의 밸런싱을 조절하지 않는다면 누적 불일치는 조금도 줄어들지 않고 증가하게 된다. 따라서 셀 간 SoC의 점진적인 변화를 보상하는 것이 직렬 연결된 배터리의 밸런싱을 조정하는 가장 기본적인 이유이다.
일반적으로 거의 일치하는 용량을 가진 셀 스택의 SoC 밸런싱을 다시 조정하는 데에는 수동 또는 소산 밸런싱 방법이 적합하다.
그림 1에 나타낸 바와 같이, 수동 밸런싱 방법은 간단하며, 비용이 저렴한 편이다.



하지만 수동 밸런싱은 매우 느리며, 배터리 팩 내부에 불필요한 열을 발생시키고 스택에서 가장 SoC가 낮은 셀과 일치시키기 위해 전체 셀의 잔여 용량을 낮춰 밸런싱을 조정해야 한다. 또한 다른 일반적인 용량 불일치 발생으로 인한 SoC 오류를 효과적으로 해결할 수 있는 능력이 부족하다.
모든 셀들이 노화됨에 따라 용량이 줄어들고, 앞서 열거한 것과 유사한 이유로 인해 각기 다른 속도로 이러한 현상이 나타나는 경향이 있다. 스택 전류는 모든 직렬 셀에 동등하게 유출입되기 때문에 스택의 이용 가능한 용량은 스택에서 가장 용량이 낮은 셀에 의해 결정된다.
따라서 그림 2와 그림 3에 나타낸 능동 밸런싱 방법만이 스택 전체에 충전을 재분배해 셀 간 불일치로 인한 손실된 용량을 보상할 수 있다.





셀 간 불일치로 인해 동작  시간이 크게 감소할 수 있다

셀들을 밸런싱하지 않을 경우에는 용량 또는 SoC의 셀 간 불일치로 인해 이용 가능한 배터리 스택 용량이 크게 감소할 수 있다. 스택 용량을 극대화시키기 위해서는 스택 충전 기간은 물론 스택 방전 기간 동안 셀들을 밸런싱해야 한다.
그림 4에 나타낸 예제에서 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 용량이 전체 충전/방전 사이클 후에 이론적으로 이용 가능한 셀의 용량 대비 25%까지 감소하게 된다.
수동 밸런싱은 이론적으로 스택 충전 단계에서 각 셀의 SoC를 균등하게 유지할 수 있지만, 방전 시 다른 것들보다 먼저 셀 10이 30%의 SoC 수준에 도달하는 것을 방지할 수 없다. 또한 스택 충전 시 수동 밸런싱의 경우에 사용하지 않은 상당한 양의 용량이 스택 방전 시 손실되게 된다. 따라서 능동 밸런싱 솔루션만이 스택 방전 시 높은 SoC의 셀로부터 낮은 SoC 셀로 충전을 재분배해 ‘용량 복구’를 달성할 수 있다.
그림 5는 이상적인 능동 밸런싱 기능을 통해 셀 간 불일치로 인한 손실 용량을 100% 복구하는 방법에 대해 나타낸 것이다.



정상 상태에서 사용 시 스택이 70%의 SoC ‘완전’ 재충전 상태로부터 방전될 경우에, 저장된 전하를 사실상 셀 1(최고 용량 셀)로부터 얻어서 셀 10(최저 용량 셀)으로 전달하는데, 그렇지 않을 경우에 셀 10이 나머지 셀들보다 먼저 최소 SoC 지점인 30%에 도달하게 된다. 또한 추가적인 수명 저하를 방지하기 위해 스택 방전이 중단되어야 한다.
이와 마찬가지로 충전 단계에서 셀 10으로부터 전하를 제거해 셀 1로 재분배해야 하는데 그렇지 않을 경우에 셀 10이 SoC 상한인 70%에 먼저 도달한다면 충전 사이클이 중단되어야 한다. 또한 배터리 동작 수명의 특정 지점에서 셀 노화 편차로 인해 셀 간 불일치가 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위해서는 능동 밸런싱 솔루션을 사용해야 한다.
이 솔루션을 사용하면 필요한 만큼 높은 SoC의 셀로부터 낮은 SoC 셀로 충전을 재분배함으로써 용량 복구를 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 기능이 우수한 성능 복구 기능을  제공한다

LTC3300-1(그림 6 참조)는 고성능 능동 밸런싱에 대한 요구를 지원할 수 있도록 설계됐다.



이 제품은 고효율 양방향 능동 밸런스 제어 IC로서, 고성능 BMS 시스템의 핵심적인 요소로 작용한다.
여기서 각 IC는 직렬로 연결된 최대 6개의 리튬-이온 또는 LiFePO4셀을 동시에 밸런싱 할 수 있다. SoC 밸런스는 선택된 셀과 서브 스택 등 최대 12개 이상의 인접 셀 사이에서 전하를 재분배함으로써 이루어진다.
밸런싱 결정 및 밸런싱 알고리즘은 독립적인 모니터링 디바이스와 LTC-3300을 제어하는 시스템 프로세서에 의해 처리되어야 한다.
셀을 방전시키기 위해서 선택된 셀로부터 전하가 12개 이상의 인접 셀 그룹으로 재분배된다. 마찬가지로 셀을 충전시키기 위해 선택된 셀에서 전하가 12개 이상의 인접 셀 그룹으로 전송된다.
모든 밸런서는 방향에 상관없이 동시에 동작할 수 있기 때문에 스택 밸런싱 시간을 최소화시킬 수 있다.
모든 밸런싱 제어 명령은 스택 높이에 제약 없이, 스택 가능한 높은 잡은 마진 특성을 제공하는 SPI 인터페이스를 통해 각 IC에 제공된다.
LTC3300의 각 밸런서는 비절연형 임계 모드 동기식 플라이백 회로를 사용해 각 개별 셀에 대해 고효율 충전 및 방전 특성을 달성할 수 있다.
6개의 밸런서 각각이 개별 트랜스포머를 요구하는데, 각 트랜스포머의 1차측은 밸런싱되는 셀과 연결되며 2차측은 밸런싱되는 셀을 포함해 12개 이상의 인접 셀들과 연결된다.
2차측 셀의 수는 외부 부품의 내압에 의해서만 제한된다.
셀 충전 및 방전 전류는 외부 감지 레지스터, 외부 스위치 및 트랜스포머의 크기에 따라서 최대 10A까지 프로그래밍할 수 있다.
고효율은 동기식 동작과 최적의 부품 선택을 통해 달성된다. 또한 개별 밸런서들은 BMS 시스템 프로세서를 통해 활성화되며, 이들은 BMS가 밸런싱 중단 명령을 하거나 고장 조건이 감지되기 전까지 활성 상태를 유지한다.
 ‌밸런서 효율이 중요하다

현재 배터리 팩이 직면하고있는 최대의 적 중 하나는 열이다.
주변 온도가 높을수록 배터리 수명과 성능이 급격히 저하되기 때문이다. 설상가상으로 고전류 배터리 시스템의 경우에는 밸런싱 전류 역시 높아야만 동작 시간을 연장시키거나 팩을 신속하게 충전시킬 수 있다.
밸런서 효율이 좋지 않을 경우에 배터리 시스템 내부에 불필요한 열이 발생하게 되는데, 이는 해당 시간 조건에서 동작하는 밸런서의 수를 줄이거나 고비용의 온도 완화(Thermal Mitiga-tion) 방법을 통해 이러한 문제를 해결할 수 있다.
그림 7에 나타낸 바와 같이 LTC3300은 충전 및 방전 방향 모두에 대해서 ›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 충전 재분배를 할 수 있었다.
다시 말해 보다 효과적으로 용량을 복구하고 신속하게 충전을 할 수 있었다.

‌결론

전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등과 같은 새로운 종류의 애플리케이션이 급성장하고 있지만, 동작 수명 연장 및 신뢰성 있는 동작에 대한 소비자의 기대는 변하지 않고 유지되고 있다.
자동차는 배터리 동력을 사용하거나 가솔린 동력 사용 여부에 상관없이 인지할 수 있는 성능 저하 없이 5년 이상 지속될 것으로 기대된다.
EV 또는 PHEV의 경우에 해당 성능이 배터리 전력을 통해 구동 가능한 거리와 일치하기 때문에 EV 및 PHEV 공급업체는 높은 배터리 성능뿐만 아니라 경쟁력을 유지할 수 있는 최소한의 거리를 보장하는 품질보증을 제공해야 한다.
전기자동차의 수와 수명이 지속적으로 증가함에 따라 배터리 팩 내의 노화되는 비정상적인 셀들이 만성적인 문제이자 동작 시간 감소의 주요 원인으로 나타나고 있다.
일반적으로 직렬 연결 배터리의 동작 시간은 스택 내 최저 용량 셀에 의해 제한된다. 따라서 1개의 약한 셀이 전체 배터리 성능을 손상시킬 수 있다.
자동차 제조사에게 있어서 셀 간 충분하지 못한 거리로 인해 품질보증을 위해 배터리를 교체하거나 재정비하는 것은 매우 높은 비용을 필요로 하는 문제이다.
따라서 이 같은 문제를 방지하기 위해 각각의 모든 셀에 대해 보다 크고 고비용의 배터리를 사용하거나 셀의 불균등한 노화로 인한 셀 간 용량 불일치를 보상할 수 있는 LTC3300과 같은 고성능 능동 밸런서를 채용해야 한다.
LTC3300은 이러한 기술적 문제를 해결하기 위해 특별히 설계됐으며, 설계자들에게 높은 수준의 안전성과 충전 밸런싱 효율을 제공할 수 있다.
이를 통해 셀이 심각하게 불일치하는 스택을 동일한 평균 셀 용량을 가지는 셀이 완벽히 일치하는 스택과 유사한 동작 시간을 제공할 수 있다.