전기 오토바이용으로 16S-17S 리튬이온 배터리 팩 설계


배달 서비스 수요가 폭발적으로 증가함에 따라서 운송 수단으로서 전기 오토바이가 갈수록 인기를 끌고 있다. 전기 오토바이는 전기 자전거나 전동 스쿠터보다 배터리 용량이 훨씬 크다. 용량이 크기 때문에 더 긴 거리를 달릴 수 있고, 그러므로 시간을 절약할 수 있고 더 긴 거리까지 배달을 할 수 있다.

 

전기 오토바이 배터리 팩은 다양한 전압 플랫폼을 사용할 수 있는데, 가장 널리 사용되는 것은 60V이다. 이를 위해서는 단일 팩으로 17개 직렬(17S) 리튬이온 배터리 셀을 필요로 한다.

 

배터리 사용 시간을 길게 하기 위해서는 다음과 같은 세 가지를 고려해서 설계해야 한다:

  • 정확한 충전상태를 계산하기 위한 높은 셀 전압 검출 정확도
  • 셀 전압 밸런싱
  • 낮은 시스템 전류 소모(특히 대기 모드 중)

 

TI의 전류 소모가 낮은 16S-17S 배터리 팩 레퍼런스 디자인은 이러한 모든 요구를 충족한다. 하위 15S에 대해서는 BQ76940 배터리 모니터링 디바이스를 사용하고, 맨 위 두 셀에 대해서는 정확한 전압 검출을 위해서 LM2904B 듀얼 채널 범용 증폭기를 사용한다. 외부적 MOSFET을 추가해서 더 높은 셀 밸런싱 용량이 가능하다. 그림 1은 이 배터리 팩 레퍼런스 디자인의 블록 다이어그램을 보여준다.

 


그림 1: 16S-17S 배터리 블록 다이어그램

 

높은 셀 전압 검출 정확도
BQ76940이 하위 15S 배터리 셀들을 직접 모니터링하며 셀 전압 정확도를 결정한다. 정격 정확도는 25°C로 3.2V~4.6V로 ±15mV이다. 추가적인 캘리브레이션을 해서 정확도를 추가적으로 향상시킬 수 있다. 그림 2에서 보는 디스크리트 회로는 2개 상위 셀들의 정확도를 결정한다.

 

그림 2: 상위 2 셀을 위한 디스크리트 회로

 

17번 셀을 예로 들어서 살펴보자. 한 LM2904B가 음의 피드백 회로로서 P-채널 MOSFET Q25, R89, R96과 함께 작동한다. Q25는 선형 모드로 동작한다. 이 범용 증폭기의 음의 입력 전압은 양의 입력 전압과 같고, 이것은 16번 셀의 전압이다. 17번 셀 전압은 R89에서 검출되며, 여기서 생성된 전류가 Q25와 R96을 거쳐서 다시 접지로 흐른다. 16번 셀도 마찬가지다.

 

16번 및 17번 셀 전압은 ADC를 사용해서 ADC_16과 ADC_17 전압을 측정해서 모니터링할 수 있다. R89, R96, R87, R94, ADC 레퍼런스의 허용오차를 감안했을 때 정확도를 높이기 위해서는 2지점 캘리브레이션이 필요하다. 그림 3은 2지점 캘리브레이션 프로세스를 보여준다.

 

그림 3: 2지점 캘리브레이션 프로세스

 

캘리브레이션을 한 후에 16번 및 17번 셀 전압 정확도를 테스트했다. 그림 4는 이 결과를 보여준다. 정확도가 ±2mV에 달한다.

 

 

 그림 4: 16 17 전압 정확도 (25°C )

 

셀 밸런싱
16번 및 17번 셀은 별도의 회로를 사용해서 모니터링하고 하위 15개 셀은 BQ76940을 사용해서 모니터링하므로 셀 밸런싱을 고려해야 한다.

 

그림 5는 주요 전류 경로를 보여준다. 빨간색 선은 범용 증폭기 전력 경로이고, 녹색 선은 17번 셀 검출 경로이고, 회색 선은 16번 셀 검출 경로이다. 범용 증폭기 전력은 전체적인 팩으로부터 에너지를 인출하고 도로 접지로 흐른다. 그러므로 팩을 방전하고 불평형은 일으키지 않는다. 17번 셀 검출 경로 역시 전체적인 팩으로부터 에너지를 인출하고 도로 접지로 흐른다. 이 역시 불평형을 일으키지 않는다. 하지만 16번 셀 검출 경로는 하위의 16개 직렬 셀들로부터만 에너지를 인출하므로 17번 셀과 하위 16개 셀들 사이에 전압 차이를 발생시킨다. 이러한 불평형은 16번 셀 전압을 검출할 때만 발생된다.

 

이러한 불평형을 낮추기 위해서 16번 셀을 검출하지 않을 때는 Q21을 턴오프하고, 불평형 효과를 계산할 때 Q21 제어 회로 전류를 고려한다.

 

이러한 분석을 바탕으로 전압 검출 시간 간격이 250ms이라고 했을 때 이 배터리 팩 레퍼런스 디자인의 정격 불평형 전류는 0.1mA 미만이다.

 

그림 5: 디스크리트 회로의 전류 경로

 

낮은 시스템 대기 전류 소모
필자의 이전 글 “전기 자전거 및 전동 스쿠터 용으로 13S 48V 리튬이온 배터리 팩”에서는 LM5164와 시스템 차원의 설계를 사용해서 대기 모드 시에 시스템 전류 소모를 낮추는 것에 대해서 설명했다. 이번에는 대기 모드로 어떻게 이 디스크리트 회로의 전류 소모를 낮출 수 있는지 살펴보자. 대기 모드 시에는 충전도 방전도 일어나지 않는다. 셀 전압 검출은 보호 용도를 위한 것이며, 휴지 시간을 추가해서 주파수를 낮출 수 있다. 대기 모드로 전력 소모를 낮추기 위해서는 전압 검출이 필요하지 않을 때 회로로 전력 공급을 차단할 수 있다.

 

그림 2의 솔루션은 P-채널 MOSFET Q20을 사용해서 LM2904B로 전력 공급을 제어하며, 이 제어는 마이크로컨트롤러에 의해서 이루어진다. 전류를 추가적으로 더 낮추기 위해서 Q22와 Q21을 추가해서 셀 전압 검출 경로를 차단하고 더 많은 에너지를 절약할 수 있도록 했다. 전압 검출 간격이 250ms이고 휴지 시간이 250ms이라고 했을 때, 대기 모드 시에 평균 전류 소모는 꽤 낮을 것이다. 그림 2의 솔루션으로 정격 전류는 1mA 미만이다.

 

맺음말
이 레퍼런스 디자인은 최대 17S에 이르는 셀들을 지원할 수 있는, 경제적인 가격대의 배터리 팩 솔루션을 제공하므로 전기 오토바이에 사용하기에 적합하다. 이 디자인은 다음을 통해서 배터리 사용 시간을 연장한다:

  • 셀 전압 검출 정확도 향상
  • 대기 모드 시에 전류 소모 감소
  • 불평형 제거

 

이 레퍼런스 디자인은 16S/48V 리튬이온 인산염 배터리 팩을 필요로 하는 텔레콤 배터리 백업 유닛에 사용하기에도 적합하다.