리니어 테크놀로지 데이비드 김 매니저

지난 10월, 2차전지 산업의 첨단 기술을 한눈에 살펴볼 수 있는 ‘인터배터리(InterBattery) 2014’ 전시회가 서울 코엑스에서 개최됐다. 인터배터리는 지난해에 이어 올해가 두 번째로, 국내 56개사, 해외 37개사 등 총 93개사가 참가했다. 리니어 테크놀로지(Linear Technology Corporation, LTC)는 글로벌 반도체 업체로는 유일하게 이 전시회에 참가했다. 리니어의 데이비드 김(David Kim) 파워 제품 전략 애플리케이션 매니저를 만났다.

인터배터리 전시회에서 LTC는 고효율 양방향 멀티셀 액티브 밸런싱 IC와 텔레메트리 인터페이스를 제공하는 2.5 A 모놀리식 액티브 셀 밸런싱 IC, 고전압 배터리 모니터 IC를 데모했다.

전시회 참가 차 방한한 데이비드 김 LTC 파워 제품군 전략 애플리케이션 매니저는 “액티브 셀 밸런싱 제품이 나온 지 1년 됐다. 현재 100개 이상의 업체가 제품을 평가하고 있으며 자동차 산업의 특성상 3~5년 내에는 가시적인 성과가 나올 것으로 기대한다”고 말했다.

리튬 계열 배터리를 직렬로 연결할 때는 셀 밸런싱이 대단히 중요하다. 셀 밸런싱이 중요한 이유는 배터리 수명과 직결되기 때문이다. 배터리 셀 간의 불균형은 제조 차이에 의해 생길 수 있지만 셀 간의 온도 차에 의해 점차 축적될 수 있다. 또 유지보수 및 수리 등으로 일부 셀을 교체한 경우에도 큰 불균형이 생길 수 있다.


배터리 성능을 극대화하기 위해서는 일반적으로 충전상태(State Of Charge, SOC)를 일정하게 유지시켜주는 것이 중요하다. SOC가 너무 낮거나 높은 상태가 계속되면 SOC를 중간 수준으로 유지할 경우에 비해 열화가 빠르게 진행된다. 배터리 셀이 과방전되면 구성부품이 열화돼 회복 불능상태가 된다. 충전 전압도 적정치를 넘어 충전하게 되면 배터리 셀이 과열돼 불가역적인 구조로 변하게 된다.

BMS(Battery Management System)는 배터리의 충·방전 시 과충전 및 과방전을 막아주며 셀 간의 전압을 균일하게 해줌으로써 에너지 효율 및 배터리 수명을 높여준다. 하이브리드 카나 전기차에 적용되는 BMS는 개개의 셀에 대한 과충전, 과방전, 과열을 막고 이들의 수명을 최적화시켜주는 기능을 담당한다. BMS는 모든 셀을 항상 균등한 충전상태로 유지시켜주는 셀 밸런싱에 의해 이를 실현하고 있다.

셀 밸런싱에는 2가지 방법이 있다. 패시브 셀 밸런싱(Passive cell balance) 방식은 신뢰성이 높고 비용이 적게 드는 방법이지만, 방전 저항 내에서 에너지가 열로 손실되기 때문에 효율이 떨어진다. 반면에 액티브 셀 밸런싱(Active cell balance) 방식은 전압이 가장 높은 셀로부터의 전하를 받아 축적해 전압이 가장 낮은 셀로 재분배한다.

전하의 축적과 재분배에는 콘덴서, 인덕터, 트랜스포머를 사용해 셀을 순차적으로 바꿔가면서 상황에 따라 전하를 축적하고 방전 또는 재분배해준다. 이 방식은 패시브 셀 밸런싱에 비해 에너지 효율 측면에서 우수하지만 시스템 비용이 상승하고 복잡하다는 단점이 있다.

데이비드 김 매니저는 “액티브 셀 밸런싱 개념은 매우 간단하지만 상대적으로 회로 구현이 복잡하다”며 “LTC의 액티브 셀 밸런싱 IC는 전력 스위치를 내장하는 등 복잡한 외부 회로를 통합함으로써 애플리케이션 회로의 복잡도를 감소시켜준다”고 말했다.



LTC의 액티브 셀 밸런싱 IC는 3세대를 걸쳐 조만간 4세대 제품이 나올 예정이다.
데이비드 김 매니저는 “세대를 거듭할수록 정확도와 속도, 노이즈 내성이 향상됐다. 또한 ISO 26262를 지원하는 진단 기능과 리던던시 기능을 내장했다”며 “3세대 제품(LTC6804)부터 적용된 isoSPI는 SPI 라인 두 개를 사용해 차동 방식으로 노이즈를 제거한다. 이 기술을 적용한 제품은 LTC가 유일하다”고 말했다.

높은 측정 정확도는 배터리 시스템의 총 비용의 절감뿐만이 아니라 운전자에게 정확한 주행 가능 거리를 표시해줄 수도 있다.

신뢰성이 높은 isoSPI는 데이지체인 연결이 가능하다. 즉, 리튬이온 배터리를 차종마다 만드는 것이 아니라 소형 모듈로 플랫폼화해 차내 공간에 모듈을 탑재해 각각을 isoSPI로 연결하면 여러 차종에 걸쳐 공통의 배터리 모듈을 탑재할 수 있다. 결과적으로 비용절감이 가능하다는 얘기다.

시스템 수준에서 ISO 26262 요구사항을 만족시키기 위한 기능도 강화됐다. 레퍼런스 전압의 완전 이중화를 비롯해 A/D 컨버터의 입력단에 내장된 디지털 필터 회로와 멀티플렉서 회로 등의 자가 진단 기능, 배터리와 배터리 모니터 사이의 단선 감지 기능, 셀 합산 값의 측정 등 다양한 진단 기능과 리던던시 기능을 탑재해 BMS와 같은 ASIL D 등급 시스템에 대응한다.

데이비드 김 매니저는 “액티브 셀 밸런싱을 적용했을 경우 혜택을 얼마나 얻을 수 있는지는 가장 많이 받는 질문 중 하나”라며 “실제로 배터리 사이클을 얼마나 늘릴 수 있는지, 충전 시간을 얼마만큼 단축시킬 수 있는지를 궁금해 하는데, 이 질문에 답하기 위해 LTC는 자체적인 문서를 준비 중”이라고 말했다.

LTC에 따르면, 액티브 밸런싱은 패시브 밸런싱이 ~85%를 추출할 수 있는 전체 배터리 스택 용량의 99%를 추출할 수 있다. 여기서 14%의 차이가 의미하는 바는 분명하다. 물론 액티브 밸런싱을 구현하기 위해서는 LT8584 같은 액티브 셀 밸런싱 IC나 트랜스포머 등 추가 회로가 필요하지만 고가의 리튬이온 배터리의 용량을 늘리는 것과 비교해 비용과 중량 증가를 억제할 수 있다.

데이비드 김 매니저는 “LTC의 액티브 셀 밸런싱 전용 IC는 정전류 방식을 이용해 외부 부품을 많이 줄였다. 또 스위치 내압이 높은 스위치를 내장했다”며 설계 복잡성을 낮춰준다고 강조했다.

예를 들어, 통합 수준이 가장 높은 LT8584는 애플리케이션 회로의 복잡도를 감소시키면서 6 A/50 V 전력 스위치가 내장돼 있다. 이 소자는 방전되고 있는 셀을 완전히 차단해 복잡한 바이어스 회로를 제거한다. 또한 전류, 온도, 임피던스 모니터링을 포함해 시스템 텔레메트리를 제공한다.

이 때 배터리 모니터 IC인 LTC680x 제품군을 사용한다.
데이비드 김 매니저는 “아직은 고객들이 액티브 밸런싱에 대해 낯설어 하고 있다. 하지만 시장 트렌드는 바뀌고 있다. LTC는 이미 필요한 IP(지적재산)를 보유하고 있으며 많은 경험을 축적하고 있다”고 말했다.