Enhance Thermal Management in EVs with Autonomous Cell Balancing
글 | 수디르 나가라지(Sudhir Nagaraj) 시스템 엔지니어, TI
셀 밸런싱은 차량 주행거리를 연장하고 전기차(EV) 배터리의 안전한 작동을 보장하기 때문에 전기차의 배터리 관리 시스템에서 중요하다. 셀 밸런싱은 배터리 자체의 불균형을 바로잡기 위해서도 필요하다. 전기차의 배터리를 비롯한 모든 배터리는 제조 과정 중의 불균형 또는 작동 조건의 불균형으로 인해 시간이 흐르면서 셀 별로 노후화의 정도가 다르게 나타난다.
다른 셀에 전하가 많이 남아 있더라도 배터리는 가장 약한 셀이 완전히 방전되면 전하를 전달할 수 없다. 따라서 셀 밸런싱은 배터리 팩의 용량을 극대화하고 배터리의 모든 에너지를 사용 가능하게 만들어 배터리 수명을 늘리며, 전기차 배터리의 경우에 주행거리를 연장할 수 있다. 셀 밸런싱은 배터리 용량 극대화 외에도 셀 과충전과 과방전을 방지해서 안전한 배터리 작동을 보장한다. 셀의 과충전과 과방전 둘 다 셀의 열화를 가속화함으로써 유해한 작동 환경을 조성할 수 있다.
셀 밸런싱의 작동 방식
셀 밸런싱은 일반적으로 액티브 셀 밸런싱과 패시브 셀 밸런싱 두 가지 접근 방식이 있다. 액티브 셀 밸런싱은 DC/DC 컨버터를 이용해서 용량이 적은 셀에 더 많은 용량을 전달하면서 셀의 전하를 재분배한다. 오늘날, 셀 생산과 분류 과정은 대폭 개선되어 배터리 팩 내에 불균형이 매우 낮은 셀들이 생산되고 있다. 따라서 셀 밸런싱은 많은 전류를 필요로 하는 작동 시 셀 내 대량의 불균형 밸런싱을 방지할 수 있다. 또한, 적은 밸런싱 전류로 셀 밸런싱을 자주 실행하면 작동 중에 서서히 나타나는 불균형을 관리할 수 있다.
패시브 밸런싱은 일반적으로 열 방출을 통해 모든 셀의 충전량이 동일해질 때까지 용량이 더 많은 셀에서 전하를 제거한다. 패시브 밸런싱과 액티브 밸런싱의 주된 차이점은 패시브 밸런싱의 경우 셀의 높은 초기 전하량이 최저 전하량을 가진 셀과 일치할 때까지 에너지를 분배하는 것이 아니라 ‘열 방출’을 한다는 점이다. 패시브 밸런싱은 간소하고 비용이 적다는 이점 때문에 더욱 선호되는 방식으로 꼽히고 있다.
셀 용량은 배터리 용량 대비 배터리의 전하 수준을 설명하기 위해 보통 충전 상태로 표시한다. 그림 1은 셀 밸런싱 유형의 차이를 나타낸다.
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그림 1| 다양한 밸런싱 모드에서의 배터리 충전 상태
전기차 배터리의 패시브 셀 밸런싱
패시브 밸런싱은 셀과 병렬로 저항기를 스위칭하여 저항기의 에너지를 방출하고 과충전된 셀에서 전하를 제거한다. 이 에너지 방출은 셀은 물론 스위치와 저항기에 열을 발생시킨다. 그렇기 때문에 리튬 셀 온도를 최대한 실온에 가깝게 유지하는 것은 매우 중요하다. 내부 발열 속도가 열 방출 속도를 따라가지 못하면 열 폭주에 이를 수 있다.
리튬 셀은 온도가 상승하면 전극의 구조 변화와 표면막 형성으로 인해 더 빠른 속도로 분해된다. 또한, 과다한 열축적은 셀 밸런싱 스위치와 저항기를 손상시킬 수 있다. 일반적으로 전기차에는 다수의 셀과 셀 밸런싱 스위치 및 저항기가 근접하게 배치되어 있기에 패시브 밸런싱 과정 중 배터리와 배터리 관리 시스템의 열 방출 관리가 중요하다.
TI 배터리 모니터링 및 밸런스로 전기차 배터리 안전성 개선
TI의 BQ79616-Q1은 디바이스 내부의 스위치를 사용하여 패시브 셀 밸런싱을 구현한다. 이 스위치 때문에 셀 밸런싱 중에 BQ79616-Q1 내부에서 열이 방출된다. 과열점은 디바이스와 밸런싱 저항기의 인쇄회로기판(PCB)에 있다. BQ79616-Q1은 2가지 열 관리 기능을 통해 다이의 과열을 방지하고 PCB 온도를 관리한다.
열 관리 기능은 각각 다이 온도와 서미스터 온도를 모니터링한다. 다이 온도가 높으면 마이크로 컨트롤러(MCU)에 고장이 발생하며, 이 경우 집적 회로(IC)의 온도를 떨어뜨리기 위해 셀 밸런싱을 일시 정지할 수 있다. IC 온도가 떨어지고 고장이 해결되면 MCU는 BQ79616-Q1에 셀 밸런싱을 다시 시작할 것을 명령할 수 있다.
BQ79616-Q1은 온도가 일시 정지 임계값을 초과할 경우 서미스터 모니터링을 통해 자동으로 밸런싱을 멈춘다. 온도가 복원 임곗값 밑으로 떨어지면 밸런싱이 자동으로 재개된다. 이 경우 BQ79616-Q1은 MCU의 개입 없이 셀 밸런싱을 멈췄다가 다시 시작한다. 그림 2는 디바이스와 서미스터의 온도 모니터링을 나타낸다.
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그림 2 | PCB에서 BQ79616-Q1의 온도 모니터링 위치
셀 밸런싱 정지 상태에서는 모든 밸런싱 타이머와 설정도 정지시키며, 디바이스가 일시 정지 상태에서 벗어나야 밸런싱 타이머와 설정이 재개된다. 외부 밸런싱 저항기로 인한 열 상승을 관리하기 위해 BQ79616-Q1은 범용 입/출력부에 연결된 액티브 서미스터 중에 하나라도 설정된 과열 셀 밸런싱 임계값보다 높은 온도를 감지할 경우 모든 채널의 셀 밸런싱을 멈출 수 있다. 한번 과열 셀 밸런싱 감지 기능이 작동하면, 모든 액티브 서미스터가 설정된 복원 임계값보다 낮은 온도를 감지한 후에 모든 채널의 밸런싱이 재개된다.
자율 셀 밸런싱은 배터리 수명을 극대화하므로, 전기차 배터리의 중요한 이점이라 할 수 있다. BQ79616-Q1에서 볼 수 있듯이 향상된 IC 열관리와 결함 표시 기능을 MCU에 추가하면 비용 최적화된 방식으로 빠르고 안전하게 셀 밸런싱을 관리할 수 있으며, 1회 충전 당 배터리 작동 시간과 전기차 배터리의 작동 수명을 늘릴 수 있게 된다.
AEM_Automotive Electronics Magazine
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