전기차 보급이 확대됨에 따라 정확도가 높은 배터리 모니터링을 통해 최고 수준의 기능 안전을 달성해야 할 필요성이 다른 무엇보다 중요해졌다. 하지만 배터리 모니터링 정확도를 개선하기 위해서는 차량의 배터리 관리 시스템이 실시간으로 효율적으로 작동하여 그 안에 있는 개별 배터리 셀의 성능을 모니터링해야 한다.
일반적인 하이브리드 전기차(HEV)와 전기차(EV) 구성에서 배터리 관리 유닛(BMU)은 12V 배터리로 구동된다. 차량이 주차되어 있거나 꺼져 있더라도 원격 키 입력, 보안, 배터리 모니터링과 같은 기능을 지원하기 위해 이 배터리는 계속 켜져 있다. 차량이 주차된 경우 배터리가 올바른 상태를 유지할 수 있도록 마이크로 컨트롤러(MCU)에서 주기적인 기동으로 고전압 배터리 팩에 결함이 있는지 살펴봐야 한다. 이와 같은 주기적인 기동은 전류를 끌어가므로 12V 배터리를 조기에 방전시킬 수 있다.
하지만 이제는 저전력 모드를 유지하고, 12V 배터리 전원을 보존하기 위해 설계 엔지니어와 자동차 제조업체은 MCU를 끄고, 그 대신 공급 PMIC(전력관리용 집적회로)에 의존하게 만드는 새로운 자동 호스트 역기동 기능을 고려할 수 있게 되었다.
‘결함 발생 시 기동’ 배터리 설계 검토
그림 1과 같이, 전기차 배터리 팩은 AC 모터의 힘든 부하를 지원하기 위해 최대 800V까지 전압을 높일 수 있다. 이 배터리 팩은 연속해서 겹겹이 쌓인 수백 개의 셀로 구성된다. 분산형 배터리 팩 시스템은 셀 감지 장치라고 하는 별도의 인쇄 회로 기판에 여러 개의 고정밀 배터리 모니터를 연결하여 셀 수가 많은 팩을 지원한다.
BMU 보드에는 호스트 MCU, 공급 장치(PMIC 또는 시스템 기반 칩[SBC]), 통신 인터페이스가 포함된다. 통신 인터페이스는 MCU와 셀 모니터링 유닛의 배터리 모니터링 장치를 연결한 후 실제 배터리 셀을 연결한다. 케이블 결함 시 데이지 체인 통신 연결을 뒤바꾸기 위해 링 연결을 지원한다. 호스트 MCU는 CAN 버스를 통해 차량의 제어 유닛과 연결된다. 전기차의 MCU는 각 배터리 셀을 효과적으로 모니터링함으로써 모든 배터리 셀의 올바른 작동을 보장할 수 있다.
그림 1: 간략한 배터리 관리 시스템 도표
TI의 배터리 모니터와 밸런서를 통해 정확도 개선
TI의 BQ79616-Q1 배터리 모니터 및 밸런서는 절전 모드일 때도 고전압 배터리를 계속해서 모니터링할 수 있다. 그래서 BQ79616-Q1 자동 호스트 역기동 기능과 더불어 BQ79600-Q1을 사용하면 MCU를 끄고 PMIC를 저전력 모드로 작동하여 12V 배터리의 전류 유입을 최소화하고 배터리 전원을 보존할 수 있다.
그림 2와 같이, BQ79616-Q1 이 절전 모드일 때 ▲저전력 작동 모드, ▲셀 과열과 저온 감지 기능, ▲셀 과전압과 저전압 감지 기능, ▲서미스터 과열과 저온 고장 감지 기능 등은 여전히 작동한다. 절전모드에서는 통신을 사용할 수 없기 때문에 디바이스가 심장박동(디바이스가 무고장 상태)과 고장 신호음(디바이스가 고장 상태)을 통해 고장 상태를 송신할 선택지를 제공한다.
이 신호음은 통신 명령 프레임과 동일한 방향으로 송신된다. 통신 신호음과 달리 심장박동과 고장 신호음은 절전 모드일 때 항상 켜져 있다. 신호음을 베이스 디바이스로 되돌리기 위해서는(즉, NFAULT를 작동하기 위해서는) 절전모드에서 고장 상태 송신을 지원해줄 링 아키텍처가 필요하다. BQ79600-Q1 스니퍼가 고장 신호음을 감지하면 진짜 고장이 존재하는지 여부를 확인하기 위해 검증 모드로 전환된다. 진짜 고장이 존재하면, BQ79600-Q1은 PMIC를 사용할 수 있도록 전압을 제공하는 고전압 출력 핀인 INH 핀을 작동시킨다.
그림 2: TI 배터리 모니터 및 밸런서를 통한 자동 호스트 리버스 웨이크업
결론
배터리 모니터리 및 밸런서 제품군은 자동 호스트 역기동 기능을 지원하고, 기동 기능은 적재된 배터리 모니터링 디바이스에서 비롯된 고장을 모니터링하는 동안 호스트 MCU를 끄고 전원 공급 장치를 저전력 모드로 전환한다. BQ79600-Q1은 INH 핀을 통해 SBC를 시동하고, 그런 다음 BQ79600-Q1 또는 적재된 BQ79616-Q1이 드러난 고장을 감지하면 MCU를 시동한다. 그러면 12V 배터리 전원을 보존할 수 있으며 전기차가 주차되어 있거나 꺼져 있을 때도 과전압, 저전압, 과열, 저온, 서미스터 과열과 저온에 대한 셀 모니터링 등의 기능 안전 요구 사항을 지원할 수 있다.
기타 리소스
- “BQ79616-Q1, BQ75614-Q1 및 BQ79656-Q1 평가 모듈 사용 설명서”를 살펴보기
- 다음 기술백서를 읽어보기
디팩 어팰(Deepak Uppal)/차량용 배터리 모니터링 및 밸런싱 분야 시스템 엔지니어
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