[기고] 자동차에서 전원 이중화가 왜 중요한가

  • 2019-07-08
  • 글 / 브루스 호그(Bruce Haug), 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.), www.analog.com




12V 대 12V 듀얼 배터리 양방향 DC-DC 컨트롤러 비교

실제 2개 12V 배터리 사이를 왔다갔다할 수 있는 양방향 벅-부스트 dc-dc 컨버터가 절실하게 필요하다. 이러한 dc-dc 컨버터를 사용해서 양쪽 배터리를 충전하고 두 배터리가 동일한 부하로 전류를 공급하도록 할 수 있다. 또 어느 한 배터리에 문제가 발생되면 문제를 감지하고 차단할 수 있다


자율 주행 혁신이 점점 가속화되고 있다. 자동차 회사들이 구글(Google)이나 우버(Uber) 같은 세계적인 기술 선도 기업들 뿐만 아니라 유능한 스타트업 회사들 과도 손을 잡고 도로 상에서 운전을 혁신하며 미래의 스마트 시티로 가는 초석을 놓는 차세대 자율 자동차를 개발하고 있다. 머신 러닝, IoT, 클라우드 같은 첨단 기술을 사용해서 진화가 갈수록 빨라지고 있다.

특히 주목할 점은, 자율 자동차로 인해서 우버나 리프트(Lyft) 같은 승차 공유 서비스가 등장하면서 업계를 재편할 만한 변화들이 일어나고 있다는 것이다. 이러한 요인들이 결합하면서 미래에 지능적인 무인 자동차가 곧 현실이 되었다.

자율 주행 자동차의 조건

모든 자율 주행 자동차는 센서, 카메라, 레이더, 고성능 GPS, 라이다(Lidar), 인공 지능(AI), 머신 러닝 같은 것들을 결합해서 일정한 수준의 자율성을 달성한다. 보안적이며 확장이 용이한 커넥티비티, 데이터 관리, 클라우드 솔루션 또한 중요하다. 센서 데이터를 수집하고 관리하고 분석하기 위한 견고한 토대를 제공하기 때문이다.

커넥티드 자동차의 부상은 환경적 이점에서부터 안전성 향상에 이르기까지 여러 면에서 유익하다. 도로 상에서 차가 줄어듦으로써 온실가스 배출을 줄이고, 에너지 소비를 낮추고, 공기 질을 개선할 수 있다.

자율 주행 자동차와 스마트 도로 시스템 둘 다를 위해서 엔드포인트 텔레메트리, 스마트 소프트웨어, 클라우드가 중요한 요소이다. 자율 자동차에 탑재되는 카메라와 센서가 다량의 데이터를 포착하고 이것을 실시간으로 처리해야 한다. 그렇게 해서 자동차가 차선을 유지하고 목적지까지 안전하게 운전하도록 할 수 있다.

클라우드 기반 네트워킹과 커넥티비티 또한 빼놓을 수 없는 요소이다. 자율 자동차에는 머신-대-머신 통신이 가능한 온보드 시스템들이 탑재된다. 도로 상의 다른 자동차들과 소통을 하고 그때그때의 기상 조건이나 도로 조건에 따라서 대처할 수 있다. 자율 주행 자동차가 수시로 바뀌는 상황에 따라서 신속하게 자율적으로 대처할 수 있도록 하기 위해서는 첨단 알고리즘과 딥 러닝 시스템이 핵심적이다.

클라우드 컴퓨팅 인프라의 확장성이나 지능적인 데이터 관리 말고도, 또 다른 중요한 문제는 전원장치처럼 중요도 높은 시스템에서 중복성이 요구된다는 것이다. 이러한 용도로 LTC3871 같은 중복 배터리 솔루션들이 출시되어 있다. LTC3871은 48V 리튬이온과 12V 납축전지 같이 전압 정격이 서로 다른 2개 배터리의 양방향 충전을 지원한다. 그런데 기존에 출시된 대부분의 이러한 솔루션은 2개의 12V, 24V, 48V 배터리 같이 동일한 배터리 전압에서는 중복성을 제공하지 못한다. 지금까지는 그랬다.

실제적으로 2개 12V 배터리 사이를 왔다갔다할 수 있는 양방향 벅-부스트 dc-dc 컨버터가 절실하게 필요하다. 이러한 dc-dc 컨버터를 사용해서 양쪽 배터리를 충전하고 두 배터리가 동일한 부하로 전류를 공급하도록 할 수 있다. 또 어느 한 배터리에 문제가 발생되면 문제를 감지하고 차단할 수 있다. 그렇게 해서 다른 배터리가 중단 없이 부하로 계속해서 전력을 공급하도록 할 수 있다. 아나로그디바이스(Analog Devices)가 새롭게 출시한 LT8708 양방향 dc-dc 컨트롤러가 바로 그러한 솔루션이다. LT8708 컨트롤러를 사용함으로써 전압이 동일한 2개 배터리를 연결할 수 있다.



단일 양방향 IC 솔루션


LT8708은 98% 효율이 가능한 양방향 벅-부스트 스위칭 레귤레이터 컨트롤러로서, 전압이 동일한 2개 배터리를 지원할 수 있다.

그러므로 자율 주행 자동차의 중복성 용으로 사용하기에 적합하다. 출력 전압보다 높거나, 낮거나, 같은 입력 전압을 사용해서 동작할 수 있으므로 전기차와 하이브리드차에 흔히 사용되는 2개 12V, 24V, 48V 배터리에 사용하기에 적합하다. LT8708이 2개 배터리 사이에서 동작하면서 어느 한 배터리에서 고장이 발생되었을 때에도 시스템이 중단되지 않도록 한다. 또한 이 디바이스는 48V/12V 및 48V/24V 듀얼 배터리 시스템에도 사용할 수 있다.



LT8708은 단일 인덕터를 사용하며 2.8V~80V 입력 전압 범위로 동작해서 1.3V~80V의 출력 전압을 제공한다. 외부 부품 선택과 위상 수에 따라서 수 킬로와트의 전력을 제공할 수 있다. 이 디바이스를 사용함으로써 순방향 및 역방향으로 VOUT, VIN, IOUT, IIN 레귤레이션을 필요로 하는 배터리/커패시터 백업 시스템으로 간편하게 양방향 전력 변환을 할 수 있다. 이 디바이스는 6가지 형태의 레귤레이션을 할 수 있으므로 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있다.

LT8708과 함께 LT8708-1을 병렬로 사용해서 전력과 위상을 추가할 수 있다. LT8708-1은 마스터인 LT8708에 대해서 슬레이브로 동작하며, 위상차(out-of-phase)로 클로킹할 수 있으며, 마스터만큼 높은 전력을 제공할 수 있다. 단일 마스터로 최대 12개 슬레이브를 연결할 수 있으며, 그 숫자만큼 시스템의 전력과 전류 용량을 늘릴 수 있다.

컨버터의 입력 및 출력 측에서 순방향 및 역방향 전류를 모니터링하고 제한할 수 있다. 모든 4개 전류 제한(순방향 입력, 역방향 입력, 순방향 출력, 역방향 출력)을 4개 저항을 사용해서 개별적으로 설정할 수 있다. 또 방향(DIR) 핀을 사용해서 전력을 VIN에서 VOUT으로나 VOUT에서 VIN으로 처리하도록 구성할 수 있다. 그러므로 자동차, 태양광, 텔레콤, 배터리로 구동되는 시스템에 사용하기에 적합하다.



LT8708은 5mm x 8mm 40리드 QFN 패키지로 제공된다. 확장 산업용 등급으로 -40℃~+125℃ 및 고온 자동차용 범위로 -40℃~+150℃를 비롯해서 3가지 온도 등급으로 제공된다. 그림 1은 LT8708 애플리케이션의 블록 다이어그램을 보여준다.

전체적인 솔루션

그림 2는 자동차 애플리케이션에서 듀얼 배터리 중복성을 위한 전체적인 회로를 보여준다. 그림에서 보듯이 LT8708이 2개의 LT8708-1과 함께 3위상 솔루션 디자인을 구현하고 있으며, 양쪽 어느 방향으로든 최대 60A를 제공할 수 있다.



더 높은 전력을 필요로 하는 애플리케이션은 추가적인 LT8708-1을 연결해서 12개 혹은 그 이상의 위상으로 늘릴 수 있다. AD8417은 양방향 전류 검출 증폭기로서, 배터리로 들어가고 나가는 전류를 검출한다. 이 전류가 정해진 값을 넘으면 LTC7001 상측 NMOS 정적 스위치 드라이버가 백-투-백 MOSFET을 개방해서 어느 쪽 배터리든 회로로부터 차단한다.

LTC6810-2는 리튬이온 배터리를 모니터링하고 제어한다. 1.8mV 미만의 총 측정 오차로 배터리 셀들을 정확하게 측정한다. 호스트 프로세서로 다중의 LTC6810-2 디바이스를 연결해서 회로 내의 다른 전압들을 모니터링할 수 있다. LTC6810-2는 isoSPI™ 인터페이스를 통해서 RF를 잘 견디면서 고속으로 원거리 통신을 할 수 있으며 양방향 동작을 지원한다. 이 디바이스는 또 각 셀에 대해서 PWM 듀티 사이클 제어를 사용한 수동 밸런싱 기능을 포함하며 중복 셀 측정을 할 수 있다.

제어 아키텍처

LT8708은 입력 전압보다 높거나, 낮거나, 같은 출력 전압을 제공할 수 있다. 또 입력과 출력 모두에서 양방향 전류 모니터링과 레귤레이션을 할 수 있다. ADI의 고유의 제어 아키텍처는 벅, 부스트, 벅-부스트 구간에서 인77덕터 전류 검출 저항을 사용한다. VC 핀의 전압에 따라서 인덕터 전류를 제어한다. 이 전압은 EA1부터 EA6까지 6개 내부 오차 증폭기의 결합적인 출력이다. 이들 증폭기를 사용해서 표 1에서와 같이 각각의 전압 또는 전류를 제한하거나 레귤레이트 할 수 있다.



VC 전압은 min-max 범위가 약 1.2V이다. 최대 VC 전압이면 양의 인덕터 전류가 최대로서 VIN에서 VOUT으로 전력 흐름이 최대가 된다. 최소 VC 전압이면 음의 인덕터 전류가 최대로서 VOUT에서 VIN으로 전력 흐름이 최대가 된다.

간단한 VOUT 레귤레이션이라고 했을 때, FBOUT 핀이 VOUT 전압 피드백 신호를 받고, 이것을 EA4를 사용해서 내부 레퍼런스 전압과 비교한다. VOUT 전압이 낮으면 VC 전압이 상승한다. 그러면 VOUT으로 더 많은 전류가 흐른다. 반대로 VOUT이 높으면 VC를 낮추어서 VOUT으로 흐르는 전류를 낮추거나 VOUT으로부터 전류와 전력을 소비하기도 한다.

위에서 언급했듯이 LT8708은 입력과 출력 모두에서 양방향 전류 레귤레이션 할 수 있다. VOUT 전류를 순방향과 역방향으로 레귤레이트 하거나 제한할 수 있다(각각 EA6과 EA2 사용). VIN 전류 역시 순방향과 역방향으로 레귤레이트 하거나 제한할 수 있다(각각 EA5와 EA1 사용).

일반적인 애플리케이션에서는 VOUT을 EA4를 사용해서 레귤레이트 하고 나머지 오차 증폭기들을 사용해서는 과도한 입력 또는 출력 전류나 입력 저전압 조건을 모니터링할 수 있다. 배터리 백업 시스템 같은 또 다른 애플리케이션에서는 VOUT으로 연결된 배터리를 정전류(EA6)를 사용해서 최대 전압(EA4)으로 충전할 수 있고, 또 다른 오차 증폭기들을 사용해서 수시로 방향을 바꿔서 도로 VIN으로 전력을 제공하고 VIN을 레귤레이트 하고 최대 전류를 제한할 수 있다. 이에 관해서는 LT8708 데이터 시트 참조.

맺음말

LT8708-1은 동일 전압 듀얼 배터리 dc-dc 자동차 시스템에서 새로운 차원의 성능, 제어, 간소화를 가능하게 한다. 중복성을 위해서 두 전원 소스 사이에 에너지 전달 용이든 또는 중요도 높은 애플리케이션에서 백업 전원 용이든 LT8708을 사용해서 전압이 동일한 2개 배터리 또는 수퍼커패시터를 지원할 수 있다. 그러므로 자동차 시스템 엔지니어들이 자동차 전자장치를 한 차원 향상시키고 더 안전하고 효율적인 자동차를 실현할 수 있다.
 
저자
브루스 호그(Bruce Haug, bruce.haug@analog.com)는 1980년에 산호세 주립대학으로부터 BSEE를 취득했습니다. 2006년 4월에 제품 마케팅 엔지니어로 Linear Technology(현 Analog Devices)에 입사했습니다. Cherokee International, Digital Power, Ford Aerospace에서 재직한 경험이 있습니다.
 

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