고전압 BMS 안에서 견고한 데이터 통신 달성

  • 2016년 07월호
  • 글|존 먼슨(Jon Munson), 시니어 애플리케이션 엔지니어, 리니어 테크놀로지

자동차 내부의 전기적 잡음은 데이터 통신 링크에는 매우 까다로운 환경일 수밖에 없다. 물론 CANbus 링크에 절연을 함으로써 해결할 수도 있겠으나, 이는 방법이 복잡하고 비용도 많이 든다. 이러한 문제를 해결하기 위해 리니어 테크놀로지는 isoSPI™를 개발했다.

BMS(battery management system)의 주된 목적은 배터리 팩으로 신뢰성, 성능, 긴 수명을 달성하는 것이다. 이를 달성하기 위해서 배터리 관리 전자장치들이 각 셀 전압을 측정하고 이 정보를 중앙 프로세서로 전송한다.

자동차 드라이브 트레인 같은 대형 고전압 배터리 스트링에는 모듈러 분산 팩이 매력적인 솔루션이다. 배터리 모듈을 기본 빌딩 블록으로 삼아 다양한 팩 디자인을 설계할 수 있기 때문이다. 또한 모듈화를 함으로써 무게를 최적으로 분산할 수 있으며 가용 공간을 최대한 활용할 수 있다. 가장 까다로운 과제는 팩을 단일 유닛으로 작동하기 위해 필요로 하는 데이터 링크다.

자동차 안과 같이 전기적으로 잡음이 심한 환경은 데이터 통신 링크에는 아주 까다로운 환경이다. CANbus 링크에 절연을 더함으로써 충분한 잡음 제거를 달성할 수 있으나 이 방법은 복잡하고 비용이 많이 들어간다. 바로 이러한 이유에서 리니어 테크놀로지(Linear Technology)는 isoSPI™를 개발하게 됐다. isoSPI는 표준 SPI(serial peripheral interface)를 단순 2와이어로 변형한 것이다.

isoSPI 인터페이스는 최대 1 Mbps에 이르는 전이 중 SPI 신호를 차동 신호로 변환하고, 그런 다음 이것을 꼬임쌍선(Twisted pair)과 단순하고 저렴한 트랜스포머를 통해서 전송한다.

리니어 테크놀로지는 최근의 거의 모든 배터리 스택 모니터 제품으로 이 인터페이스를 채택하고 있다. 이들 제품은 배터리 스택의 셀 전압을 측정하기 위한 아날로그 IC 제품들이다. 예를 들어 리니어 테크놀로지의 12셀 배터리 모니터링 IC인 LTC6811은 2개의 isoSPI 포트를 포함하고 있다. 이들 isoSPI 포트를 사용해 다중의 LTC6811 디바이스를 데이지 체인으로 상호연결 함으로써 긴 고전압 배터리 스트링을 모니터링할 수 있다. isoSPI를 사용함으로써 각 배터리 셀들을 포함하고 있는 모듈들이 긴 거리에 걸쳐서 하나의 마스터 프로세서로 통신할 수 있다.

isoSPI 인터페이스의 동작 원리

isoSPI 인터페이스는 ‘평형’ 와이어 쌍으로 차동 시그널링을 사용하고 어느 쪽 와이어도 접지하지 않는다. 이러한 구성은 외부 EMI로 인해서 와이어들로 가해지는 ‘공통 모드(common mode)’ 잡음이 양쪽 와이어로 거의 같다. 그러므로 전송되는 차동 모드 정보 신호가 비교적 영향을 받지 않고 그대로다. isoSPI 인터페이스는 소형 트랜스포머를 사용해서 디바이스들 사이의 신호를 자기적으로 결합하고 전기로 절연한다. 이 방법으로 절연 벽을 가로질러서 중요한 차동 정보를 전송할 때 높은 시스템 잡음에 의해서 발생되는 높은 공통 모드 전압 스윙으로부터 각 디바이스를 차폐한다.

 

이 방법은 큰 성공을 거두고 있는 이더넷 꼬임쌍선 표준에 사용되는 것과 같은 기법이다. 또한 전기 절연을 함으로써 팩들 간의 높은 DC 전압 차이에도 불구하고 팩들을 상호연결 할 수 있다. 트랜스포머는 간단히 적합한 DC 스탠드오프 전압에 따라서 선택할 수 있다. 그림 1은 이상 isoSPI 차동 파형을 보여준다. 그런 다음에는 DC를 함유하지 않은 펄스 신호를 정보 소실을 일으키지 않으면서 트랜스포머 결합을 한다. 펄스의 폭, 극성, 타이밍을 가지고서 SPI 신호의 다양한 상태 변화를 인코딩한다.

isoSPI의 이러한 모든 특성은 혹독한 BCI(bulk current injection) 간섭 테스트가 가해졌을 때 오류 없는 전송을 달성하도록 의도적으로 선택한 것이다. 리니어 테크놀로지는 극히 혹독한 200 mA BCI로 완벽하게 작동한다는 것을 보여줬으며, 주요 자동차 업체들이 이를 따라 함으로써 자동차의 섀시 하네스 배선으로 isoSPI 링크의 적합성을 입증했다. 이것은 모듈 간 통신을 필요로 할 때 가장 중요한 요구다. 또한 안전성 측면에서 전기 절연이 극히 중요하게 요구되므로 isoSPI를 사용함으로써 상당한 비용을 절감할 수 있다.

isoSPI를 사용한 복잡성 감소

BMS를 설계하기 위해서는 배터리 셀들을 리니어 테크놀로지의 LTC6811 같은 아날로그 프론트 엔드(AFE) 디바이스로 연결해야 한다. 다중의 AFE 디바이스를 상호연결하고 CANbus 링크를 통해 중앙 프로세서로 연결할 수 있다. 그림 2(a)는 통상 SPI 데이터 연결을 이루고 있는 구성을 보여준다. 이 그림에서는 2개 AFE 디바이스만 표시하고 있다.

이 구성은 안전성과 데이터 무결성을 위해 필요한 갈바닉 절연을 달성하려면 각 AFE마다 각자의 데이터 아이솔레이터를 필요로 한다. 각 셀 스택을 호스트 마이크로프로세서와 CANbus 네트워크로부터 절연하기 위해서는 자기 방식이나 용량성 방식이나 광학 방식을 사용해 갈바닉 절연을 할 수 있다. SPI를 사용할 때, 절연은 SPI 신호 4개를 각각 필요로 함으로써 비용 면에서 상당히 영향을 미친다.

 

그림 2(b)그림 2(a)를 isoSPI를 사용해서 구현한 것이다. 데이터 아이솔레이터 대신에 소형의 저렴한 트랜스포머를 사용해서 호스트 프로세서 소자들과 배터리 팩 전위 사이에 갈바닉 장벽을 제공한다. 호스트 마이크로프로세서 측에서는 소형 어댑터 IC(LTC6820)가 isoSPI 마스터 인터페이스를 제공한다. 이 그림의 ADC 유닛(LTC6811-2)은 isoSPI 슬레이브 지원을 포함하고 있으므로, 추가 회로로는 평형 전송 라인 구조가 필요로 하는 적합한 종단 소자만 있으면 된다. 그림 2에서는 2개 AFE 디바이스만 보여주고 있으나, 실제로는 단일 확장 isoSPI 버스로 최대 16개까지 연결할 수 있다.

멀티드롭 버스나 점대점
데이지 체인 가능

isoSPI 링크는 단순한 점대점 연결로 잘 작동한다. 그림 3에서 보듯이 듀얼 포트 ADC 디바이스(LTC6811-1)를 사용해 완벽하게 절연을 이루는 데이지 체인 구조를 형성할 수 있다. 버스 기법이나 데이지 체인 기법이나 전반적인 구조 복잡성은 비슷하다. 그러므로 디자인 특성에 따라서 이 방법이 좋을 수도 있고 저 방법이 좋을 수도 있다. 데이지 체인은 대체로 비용이 덜 들어간다. DC 스탠드오프 전압이 낮은 단순한 트래스포머를 사용하기 때문이다.

 

한편으로 어드레스 가능 토폴로지에 사용하기 위한 트랜스포머는 isoSPI 마스터(LTC6820)에서부터 배터리 스택의 맨 위에 오는 AFE에 이르기까지 전체 전압을 포괄해야 한다. 반면에 병렬 어드레스 가능 버스는 결함 허용이 더 우수하다. isoSPI 마스터로 직접 통신하기 때문이다. 다중의 EMI 유입 지점과 멀티패스 반사에 관련된 문제를 방지하기 위해서는 버스 구조를 단일 보드 구현으로 한정하는 것이 좋다. 그러면 버스 자체가 컴팩트 할 수 있고 PCB 접지 플레인으로 보호할 수 있다.

BMS 전자장치 파티셔닝

isoSPI의 중요한 장점 중 하나는 점대점 데이지 체인 구성으로 긴 노출 배선을 사용해서 동작할 수 있다는 것이다. isoSPI가 나오기 전에는 BMS 디자인이 중앙집중식 아키텍처나 또는 인터커넥션을 위해서 비싼 절연형 CANbus를 구현하는 것으로 제한됐다. isoSPI 인터페이스가 개발됨으로써 실용적인 모듈러 기법이 가능하게 됐고 이의 모든 장점을 활용할 수 있게 됐다. 그림 4는 분산 데이지 체인 BMS 구조로서, 임의의 모듈들을 사용해서 팩을 구현할 수 있으며 분산 네트워크로 작동할 수 있다.

 

이 네트워크는 원하는 회로에 따라서 필요한 만큼 많은 AFE 디바이스(LTC6811-1)와 하네스 인터커넥트를 사용할 수 있다. isoSPI 네트워킹을 사용하면 모든 데이터 프로세싱 동작을 단일의 마이크로프로세서 회로로 통합할 수 있으며 이 마이크로프로세서를 어느 위치에나 배치할 수 있다. 이러한 전면 네트워킹 유연성에 힘입어서 isoSPI 기반 BMS 시스템은 높은 성능을 달성하도록 설계하거나 또는 경제성을 달성하도록 설계할 수 있다.

그림 4에서는 isoSPI 세그먼트가 하네스 차원 EMC 조건에 노출되는 곳에서 마다 각 AFE IC의 종단 구조에 소형 CMC(common mode choke)를 배치하고 있다는 것을 알 수 있다. CMC는, 결합 트랜스포머의 권선간 커패시턴스를 통해서 누설되는 어떠한 잔류 VHF(very-high-frequency) 공통 모드 잡음을 제거하기 위해 필요한 아주 소형의 트랜스포머 소자다. 또한 완벽한 안전성을 달성하도록 모든 하네스 배선을 완벽하게 절연하고 있다.

새로운 규정 충족

isoSPI 구조는 셀 모듈 안에 들어가는 전자장치를 최소화하므로 ISO 26262 같은 새로운 규격을 더욱 용이하게, 경제적으로 충족할 수 있다. 예를 들어 중복성 측면을 보자. 중복성을 달성하기 위해서는 간단하게 AFE 섹션을 복제하고 이것을 필요한 만큼 isoSPI 네트워크로 추가하기만 하면 된다. 또한 네트워킹 기법에 의해서 프로세서 기능을 통합할 수 있게 됨으로써 패키징에 심대하게 영향을 미치지 않으면서 중복 데이터 경로와 듀얼 프로세서를 제공하는 것까지도 간단하게 할 수 있다. 필요한 만큼 다수의 모듈로 회로를 추가하기만 하면 목표로 하는 신뢰성을 달성할 수 있다.

결론

검증되고 신뢰할 수 있는 데이터 통신 기법으로서 isoSPI는 표준 SPI 디바이스를 원격으로 제어하기 위한 견고하면서도 단순한 솔루션을 제공한다. isoSPI 2 와이어 데이터 링크는 ADC의 유연한 네트워킹을 통해서 BMS(배터리 관리 시스템)의 신뢰성과 구조 최적화를 향상시킬 수 있는 경제성 뛰어난 기법이다. 프로세서 기능을 셀들로부터 떼어와 하나로 통합함으로써 각 셀로 필요로 하는 전자장치를 최소화하고 팩 모듈을 간소화할 수 있다. 

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