최근 몇 년 동안 진공 청소기, 전동 공구(드릴, 톱, 드라이버 등), 정원용 공구(잔디 깎는 기계, 에저, 잔디 트랙터 등)와 같은 소비자 제품들이 유선으로 벽면 전원을 통해 전력을 공급받는 방식에서 무선으로 재충전 가능한 배터리 팩으로 동작하는 방식으로 바뀌었다. 또 자전거와 같은 기존의 무전원 기기들도 이제는 배터리로 구동하는 전기 자전거, 전기 스쿠터로 변화하고 있다.
이러한 배터리 팩은 보통 개별 리튬이온, 리튬폴리머 또는 리튬인산 셀로 구성되며, 부적절하게 사용할 경우 화재나 폭발이 발생할 수 있는 위험이 있다. 안전한 사용을 보장하기 위해 팩 내부에 포함된 전자장치가 셀 제조업체에서 지정한 조건 하에서만 동작하도록 셀을 모니터링한다. 이러한 조건은 일반적으로 다음을 포함한다.
- 허용된 최대 충전 전압
- 최대 충전 및 방전 전류
- 충전 및 방전에 지정된 온도 범위
따라서 배터리 팩 내부의 주요 파라미터, 특히 팩에 있는 셀의 전압, 전류, 온도에 대한 측정은 매우 중요하다. 파라미터가 제한을 초과하면 이러한 데이터가 적절한 보호 조치를 작동시키기 때문이다.
측정 데이터는 설계자가 설계에 어느 정도의 여유를 포함할지 결정할 수 있도록 정확해야 한다. 예를 들어 셀 규격이 전체 충전 전압을 4.3V로 제한하지만 측정 데이터가 ±50mV 정확도를 갖는다면, 설계자는 측정이 4.25V를 넘는 전압을 가리킬 때마다 충전을 멈추도록 시스템을 구성해야 한다. 그러나 실제 셀 전압이 4.2V만큼 낮을 수 있기 때문에 이 경우 셀이 완전히 충전되기 전에 충전을 멈추게 되어 용량이 낭비되고 애플리케이션에서 배터리 수명이 단축될 수 있다.
BQ76942 및 BQ76952와 같은 배터리 팩을 위한 높은 정확도의 배터리 모니터 및 보호기는 특별히 리튬이온, 리튬폴리머 또는 리튬인산 셀을 사용하는 애플리케이션을 위해 설계되었다. 이들 디바이스는 3셀에서 최대 10셀(BQ76942) 및 16셀(BQ76952)의 배터리로 구성된 직렬 스택을 지원하며 셀 전압, 전류, 온도를 측정하고 배터리 팩 내부의 별도 마이크로컨트롤러나 전기 자전거의 시스템 컨트롤러 같은 다른 회로와 데이터를 공유할 수 있다. BQ76942 및 BQ76952 또한 데이터를 사용하여 호스트나 시스템 마이크로컨트롤러와 상호작용 없이 배터리 보호를 자동으로 작동시켜 배터리 팩이 제조업체 규격을 벗어나 동작하지 않도록 방지하고, 조건이 허용되면 팩을 다시 작동시킨다.
그림 1은 다음과 같은 기능이 통합되어 있는 BQ76952의 블록 다이어그램을 보여준다.
- 전압, 전류, 온도를 모니터링하여 파라미터가 허용된 임계값을 초과하면 이를 검출하는 측정 및 검출 서브시스템
- 외부 보호 FET 및 화학 퓨즈를 구동하는 액추에이터
- 기능 선택을 위한 핀 제어 외에 다양한 직렬 통신 표준을 지원하는 디지털 호스트 인터페이스 서브시스템
- 복수 전압 레귤레이터. 내부 회로용 1개, 외부 사용용 2개
그림 1: BQ76952의 블록 다이어그램
그림 2는 BQ76952를 기반으로 하는 16셀 배터리 팩의 간략화한 회로도를 보여준다. 디바이스는 I2C를 사용하여 호스트 마이크로프로세서와 통신한다. 통합된 레귤레이터는 마이크로컨트롤러와 옵션인 외부 트랜시버에 전원 레일을 제공한다.
그림 2: BQ76952를 기반으로 하는 16셀 시스템의 간략화한 회로도
BQ76942 및 BQ76952의 측정 서브시스템은 배터리 팩 내부의 다양한 전압, 전류, 온도를 디지털화한다. 이들 측정은 각각에 대한 특정 요구로 인해 서로 다른 방식으로 수집된다. 예를 들어 온도는 천천히 변화하므로 느린 간격으로 측정하고 계산할 수 있다. 그러나 팩 전류는 짧은 폭발적인 동작을 가질 수 있으므로 연속적으로 샘플링하지 않으면 이를 놓칠 수 있다.
전압과 쿨롱 카운터 ADC에 의해 생성된 값은 처리되고, 측정 데이터를 제공한다. 이 데이터는 디바이스 내부에서 사용되며, 배터리 팩 내부의 별도 프로세서 또는 전동 공구나 전기 자전거의 시스템 컨트롤러에서 접근할 수 있다. 이들 데이터는 다음을 포함한다.
- 개별 셀의 차동 전압 및 추가적인 시스템 전압 선택
- 팩 전류와 통과된 전하(쿨롱 계수)
- 내부 다이 및 최대 9개 외부 서미스터 온도 읽기
외부 서미스터 측정을 지원하는 핀은 또한 최대 ~1.8V의 입력 전압을 지원하는 범용 ADC 입력에도 사용할 수 있다. 전압 ADC는 측정 루프에서 동작하며, 입력은 주기적으로 여러 입력 사이에서 다중화된다. BQ76942 및 BQ76952의 측정 서브시스템은 여러 프로그래밍 가능한 옵션을 포함하므로 측정 속도와 정확도 간에 최적화를 달성하고 절충할 수 있다.
배터리로 동작하는 소비자 제품은 계속 광범위하게 확산될 전망이므로 이러한 기기가 안전한 전압과 전류, 온도 범위에서 동작하도록 보장하는 것이 필수적이다. 기능성이 통합된 배터리 모니터는 설계 엔지니어가 이러한 세 가지 주요 과제를 해결하면서 정확도를 향상시킬 수 있게 도와준다. TI 배터리 모니터를 이용한 설계에 대한 자세한 내용은 아래의 추가 자료를 참조한다.
추가 자료
- BQ76942 및 BQ76952를 위한 평가 모듈
- 기술 원고 “보호기, 모니터 또는 게이지 – 리튬이온 구동 시스템을 위한 올바른 배터리 전자장치의 선택”
