[기고] 배터리 모니터링 시스템 활용하여 전압 측정 정확도 높이는 Tip

  • 2020-08-06
  • 글 / 테리 스컬리(Terry Sculley), TI 배터리 관리 시스템 시스템 엔지니어


정확도 조절, 고속 데이터 수집과 함께 고성능 전압 측정 중요

진공 청소기, 전동 공구, 전기 자전거 등 배터리로 작동하는 제품을 안전하게 사용하기 위해서는 배터리 전압과 전류, 온도를 정확히 모니터링 해야 한다. 이 글은 리튬 배터리의 전압 모니터링에 대해 살펴본다.




리튬 배터리 시스템의 안전 기준의 핵심은 전지 제조업체가 지정한 특정 전압 내에서 전지가 작동해야 한다는 것이다. 리튬-이온 배터리팩이 허용된 전압 한계를 초과해 과충전되면, 화재나 폭발이 발생할 수 있기 때문에 특정 전압 내에서 작동하는 것은 매우 중요하다. 실제로 과충전으로 인한 사고 위험은 매우 치명적일 수 있다.

다른 시스템용으로 설계된 충전기에 팩에 연결되어 있으면 배터리 팩에 허용하는 범위 이상으로 전압이 충전될 수 있기 때문이다. 전체 시스템의 안전을 위해 배터리 관리 시스템은 팩에 표시된 전지 전압을 모니터링해야 하며, 전지 전압이 허용 기준치의 최대 전압에 도달하면 충전을 중단해야 한다.

마찬가지로, 전지 전압이 제조업체에서 지정한 최소 전압 이하로 떨어져도 배터리 팩을 비활성화해 충전을 중단해야 한다. 전지의 저전압 상태가 장시간 지속되면, 덴드라이트가 형성되어 이후 전지를 작동할 때 위험할 수 있다. 다시 말해, 팩을 비활성화할 타이밍을 정하고 안전한 시스템 작동을 위해 각 셀의 전압을 정확하게 측정하는 것이 중요하다.

TI의 배터리 모니터와 보호 장치 제품군에 새로 추가된 BQ76942(시리즈 [3S]의 3가지 전지, 최대 10S)와 BQ76952(3S~16S)는 16-/24-비트 델타 시그마 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통합해, 각 개별 차동 전지 전압과 시스템 내의 특정 전압을 측정하도록 멀티플렉싱됐다. 포스트-프로세싱을 위해 더 나은 분석이 필요한 경우 24 비트 ADC 데이터 원본도 사용할 수 있으나, 대부분의 전압은 16비트값을 사용한다.

전압과 전류의 동기화 측정

BQ76942와 BQ76952는 전류와 전지 전압을 동시에 측정하는 동기화 측정을 지원한다. 이는 셀 임피던스를 분석할 때 유용한데, 고방전 부하에서 팩 작동을 예측할 때 사용할 수 있기 때문이다. 각 전지 전압과 동기화된 전류의 24비트 ADC 판독값 원본은 하나의 쌍으로 저장된다.

전지 전압 측정은 밀리볼트 단위로 보고되며, 스택, PACK 핀, LD핀용으로 측정된 전압은 디바이스 데이터 메모리의 설정 > 구성 > DA 구성에 설정된 센티볼트 (10mV) 또는 밀리볼트 단위로 보고된다. ADC 판독값 원본은 카운트 단위로 제공된다.

전압 측정

전압 측정 서브시스템을 통해 디지털화된 다른 여러 신호의 차동 모드 전압과 공통 모드 전압의 범위 때문에 ADC에 대한 각 입력은 시스템 내 특정 용도에 맞게 설계된다. 특히, 차동 전지 전압 측정이 가장 중요한데, 스택에서 가장 낮은 전지의 최소 전압 0V부터 스택에서 16번째 전지의 최대 전압 67.5v의 하부단자 범위에서 일반적으로 ~2V와 ~4.5V 사이로 측정된다. BQ76942와 BQ76952는 각 전지에 대해 -0.2V에서 +5.5V범위의 차동 전지 전압을 측정한다. BQ76942는 전지 입력 핀에 최대 +55v까지 전압을 측정하며, BQ76952는 최대 +80V까지 측정한다.

스택 상단 (최상단 셀 입력 핀) 및 PACK 핀, LD 핀의 전압도 VSS에 비례해 디지털화된다. 전압을 측정할 때만 활성화되는 저항 분배기가 이들 전압을 측정한다. 이 핀에 대한 측정 가능한 전압범위로는 BQ76942의 경우 최대 +55v까지, BQ76952는 최대 +80V까지 측정한다.

전압 측정 시, BQ76942와 BQ76952는 두가지 사항을 참조한다. VREF-1은 전압ADC에 사용되며, VREF-2는 쿨롬 카운터 ADC나 내부 REG18 저 드롭아웃 레귤레이터, 디바이스 내의 다른 블록에 사용된다. 디바이스 내부의 고장 여부를 진단하기 위해, ADC는 정기적으로 REG18 LDO 전압과 VSS 핀 전압을 측정해 보고한다.

전압 ADC는 내부 다이 온도를 계산하는 데 사용되는 베이스 이미터 전압의 내부 변화를 측정하고, 전지 전계효과 트랜지스터 온도 측정을 위해 외부 서미스터에 연결할 수 있는 몇 개의 추가 핀 전압을 측정한다.

데이터 측정 속도는 디바이스의 설정 모드에 따라 달라지며, 측정은 일반모드 또는 절전 모드에서만 실행된다.



측정 루프 - 일반 모드


일반 모드에서 전압 측정은 연속적으로 반복되는 루프를 사용하는데, 기기가 각 세트의 측정을 완료한 후 즉시 새로운 세트의 측정을 시작하는 것이다. (그림 1 참고) 측정 루프에는 주기적으로 측정되는 다수의 슬롯이 포함되어 있으며, 슬롯은 다음과 같다.

• 직렬 연결된 차등 전지 전압
• 각 루프의 스택 최상위 또는PACK 핀, LD 핀 전압 중 하나 (각 파라미터는 3루프마다 측정)
• 내부 온도용 슬롯 1개 또는 REG18 전압, VSS (루프 3개마다 파라미터 1개씩 측정)

서미스터 또는 범용 ADC 핀 측정을 위한 최대 3개의 슬롯(각각 1~3개의 루프마다 한 번씩 측정)

CC2 지정된 센스 저항 전류는 모든 슬롯에서 동시에 측정된다. tmeas 슬롯 시간 기본값은 3ms이지만, 변환 분해 기능을 낮추고 [FASTADC] 비트를 설정하면, 그 시간을 1.5ms로 줄일 수 있다. 측정 루프 시간(3ms 변환과 3개 이상의 서미스터 사용 시)은 BQ76942(10S)의 경우 45ms, BQ76952(16S)의 경우 63ms이다.

[LOP_SLOW] 설정에서 미사용 전압 측정 슬롯을 사용해 전력을 절약하면 측정 루프 속도를 늦출 수 있다. (그림 2 참고)



전압 측정 루프 - 절전 모드


BQ76942와 BQ76952는 시스템 전류가 프로그램을 작동할 수 있는 임계값 아래로 떨어졌을 때, 절전 모드로 자동 전환시킨다. 이를 통해 전압 측정 주파수를 줄여 전력 손실을 낮춘다. 기기가 절전 모드일 때, 전원:절전:전압 시간 특정 간격(1초 ~ 255초)마다 전압과 온도, 전류가 측정된다.(그럼 3 참고)



전지 전압 측정


BQ76942와 BQ7695는 VCN-VCN-1, 연결이 전지에 사용되는지 여부에 관계없이 VCN-VCN-1을 측정한다. 고객의 디바이스 데이터 메모리 설정에 따라 전지에 연결되는 핀이 결정된다. 전지에 연결되지 않은 핀은 특정 보호용으로 사용되지 않는다. 전지 연결에 사용되지 않는 입력은 단락 되거나 상호 연결 측정에 사용된다.(그림 4 참고)



배터리 팩 비활성화 여부를 결정할 때는 전지 전압 측정의 정확도를 고려해야 한다. 예를 들어, 전지 전압이 4.350V를 초과하지만 전압 측정의 정확도가 ±25mV 이내인 경우, 팩을 비활성화해야 한다면, 오류가 -25mV고, 보고된 측정치가 4.325V를 초과할 때 배터리 관리 컨트롤러가 팩을 비활성화해야 한다.

그러나 실제 오차는 +25mV일 수 있으며, 다시 말해 실제 전지 전압은 4.300V에 불과하다는 것이다. 따라서, 이런 경우에는 부정확한 측정결과 때문에 가용 배터리 용량을 최대 50mV 정도까지 밖에 사용하지 못한다. 전지 전압의 전압 측정이 정확할수록, 낭비되는 전지 용량은 적을 수밖에 없다.

아래와 같은 요건을 충족시키기 위해 , BQ76942와 BQ76952의 전지 전압 측정은 공장에서 측정된다.

• 25°C에서 2v~ 5V, ±5mV
• 0°C to +60°C에서 2 V ~ 5 V, ±10 mV
• ±-40°C to +85°C에서 -0.2 V ~ 5.5 V, 15 mV

또한 디바이스는 성능 최적화를 위해 생산 라인의 셀 오프셋과 게인의 선택적인 측정을 지원한다.

결 론

BQ76942와 BQ76952의 전압 측정 서브시스템은 배터리 구동 시스템의 안전 솔루션에 중요한 기능을 제공하여 시스템이 제조업체 사양 밖의 셀 전압으로 인해 팩을 비활성화 해야 할 적절한 타이밍을 결정하는 데 필요한 정보를 시스템에 전달한다. 정확도 조절, 고속 데이터 수집과 함께 고성능 전압 측정은 진공청소기부터 전원공구, 전기자전거에 이르기까지 다양한 애플리케이션을 안전하게 작동하기 위한 팩 디자인 최적화에 도움을 줄 것이다.


 참고자료 

적용 보고서 “BQ76942/52 배터리 모니터의 간편한 구성v”

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