전기차의 전압 및 전류 동기화를 지원하는 지능형 정션 박스

Jan 16, 2023

전기차(EV)가 대중화됨에 따라 자동차 제조업체가 풀어야 할 과제는 전기차 가격을 합리화하는 한편 “1회 충전 당 주행거리”에 대한 운전자의 불안을 해소하는 것이다. 결국 에너지 밀도를 높여서 배터리 팩의 비용을 절감해야 한다. 주행거리를 연장하려면 배터리 셀에서 단 1Wh라도 저장하고, 회수하는 것이 매우 중요하다.

시스템 내 모든 셀의 SOC(배터리 잔존 용량) 또는 SOH(배터리 건강 상태)를 최대한 추정하려면 전압, 온도, 전류를 정확하게 측정하는 것이 무엇보다 중요하다.

배터리 관리 시스템(BMS)의 주된 기능은 셀 전압, 팩 전압, 팩 전류를 모니터링하는 것이다. 그림 1a는 흰색 상자 안에 셀이 여러 개 적재된 배터리 팩을 보여준다. 셀 슈퍼바이저 유닛에는 셀의 전압과 온도를 점검하는 셀 모니터가 포함된다.

그림 1: 전통적인 BMS 아키텍처 (a), 지능형 배터리 정션 박스(BJB)를 지원하는 BMS 아키텍처 (b)

그림 1a에 배터리 관리 유닛(BMU)이 보이는데 BMU에는 보통 배터리 팩 내 모든 기능을 관리하는 마이크로컨트롤러가 있다. 이 하늘색 블록은 전체 배터리 팩을 부하 인버터, 모터, 심지어 충전기까지 연결하는 대형 콘택터가 포함된 릴레이 박스 또는 스위치 박스인 BJB이다.

그림 1a는 전통적인 BMS를 보여준다. 이 구성은 정션 박스 내부에 활성 전자장치가 없고 수동 콘택터와 퓨즈뿐이며 BJB의 모든 측정값은 BMU에서 측정한다. 또한, BJB를 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 단자에 연결하는 와이어가 있다.

그림 1b는 지능형 BJB를 보여준다. 이 구성은 박스 내부에 모든 전압과 전류를 측정하고 단순한 꼬임쌍선 통신을 통해 이 정보를 MCU에 전달하는 전용 팩 모니터가 있다.

BJB의 이점은 다음과 같다.

와이어와 케이블 하네스가 없어도 된다.
전압 및 전류 측정이 개선되고 소음이 적다.
하드웨어 및 소프트웨어 개발이 간소화된다. 텍사스인스트루먼트(TI) 팩 모니터와 셀 모니터가 동일 계열의 장치에 속하고 그 아키텍처와 레지스터 맵이 모두 매우 유사하기 때문이다.
시스템 제조업체들이 팩 전압과 전류 측정을 동기화할 수 있는데, 소형 동기화 릴레이는 SOC 추정을 강화한다.

전압, 온도 및 전류 측정

그림 2는 BQ79631-Q1 배터리 팩 모니터로 지원하는 BJB 내부에서 팩 모니터로 측정한 서로 다른 높은 전압, 전류 및 온도를 보여준다.

그림 2: BJB 내부의 높은 전압 측정

전압: 전압은 분열된 저항열을 사용하여 측정한다. 이 측정을 통해 전자 스위치의 개폐 여부를 확인할 수 있다.
온도: 온도 측정은 MCU가 보정을 적용할 수 있도록 션트 저항의 온도를 모니터링할 뿐 아니라 콘택터가 응력을 받지 않도록 콘택터의 온도를 모니터링한다.
전류: 전류 측정은 다음을 기반으로 한다.
- 션트 저항. 전기차의 전류는 높게는 수천 암페어까지 올라가기 때문에 이 션트 저항이 25µΩ~50µΩ 범위로 매우 작다.
- 홀 효과 센서. 센서의 동적 범위가 보통 제한적이어서 시스템에 전체 범위를 측정하는 센서가 여러 개 있다. 홀 효과 센서는 본질적으로 전자기 간섭에 취약하다. 그러나 이러한 센서는 시스템 내 어디에나 둘 수 있으며 본질적으로 격리된 측정값을 제공한다.

전압 및 전류 동기화

전압 및 전류 동기화는 팩 모니터와 셀 모니터 간 전압과 전류를 샘플링하기 위해 존재하는 시간 지연이다. 이러한 측정값은 주로 전기 임피던스 분광법을 통해 SOC와 SOH를 계산하는 데 사용된다. 셀 전반에 걸쳐 전압, 전류 및 출력을 측정하여 셀의 임피던스를 게산하면 BMS에서 차량의 순간 출력을 모니터링할 수 있다.

셀 전압, 팩 전압, 팩 전류는 가장 정확한 출력 및 임피던스 값을 제공하려면 시간이 동기화되어야 한다. 특정한 시간 간격으로 샘플을 취하는 것을 동기화 간격이라고 한다. 동기화 간격이 작을수록 출력 추정이나 임피던스 추정이 더 정확해지고, SOC 추정이 정확해 질수록 운전자가 더 긴 거리를 주행할 수 있다.

동기화 요건

차세대 BMS에서는 1ms 이내 전압 및 전류 측정 동기화가 필요하지만, 이 요건을 충족하려면 다음과 같은 어려움이 있다.

모든 셀 모니터와 팩 모니터는 클록 소스가 서로 다르다. 따라서 획득한 샘플이 본질적으로 동기화되지 않는다.
각 셀 모니터는 6개에서 18개의 셀을 측정할 수 있으며 각 셀의 데이터는 길이가 16비트다. 데이지 체인 인터페이스를 통해 전송해야 하는 많은 데이터가 있으며, 전압 및 전류 동기화에 허용된 타이밍 예산이 여기에 사용될 수 있다.
전압 필터나 전류 필터와 같은 모든 필터는 신호 경로에 영향을 미쳐 전압 및 전류 동기화 지연의 원인이 된다.

BQ79616-Q1, BQ79614-Q1 및 BQ79612-Q1 배터리 모니터는 셀 모니터와 팩 모니터에 ADC 시작 명령을 내려 시간 관계를 유지할 수 있다. 이러한 TI 배터리 모니터는 지연된 ADC 샘플링도 지원하여 데이지 체인 인터페이스에 ADC 시작 명령을 전송할 때의 전달 지연을 보완한다.

결론

자동차 산업에서 일어나는 전동화 노력은 시스템 안전성을 강화하는 동시에 정션 박스에 전자장치를 추가하여 BMS의 복잡성을 완화할 필요성을 높이고 있다. 팩 모니터는 릴레이 전후의 전압, 배터리 팩을 통한 전류를 국부적으로 측정한다. 전압과 전류 측정의 정확도 향상은 최적의 배터리 활용으로 직접 귀결된다.

효과적인 전압 및 전류 동기화는 정밀한 SOH, SOC 및 전기 임피던스 분과법 계산을 가능하게 하여 배터리 수명을 연장할 뿐 아니라 주행거리를 늘려주는 최적의 배터리 활용이라는 결과로 이어진다.

추가 리소스