4세대 고성능 멀티셀 배터리 모니터링 IC인 리니어 테크놀로지의 LTC6811은 이전 세대 제품인 LTC6804와 핀 및 소프트웨어 호환이 가능하다. LTC6811은 LTC6804에 비해 가격대가 낮아졌으며 추가적인 필터 컷오프 주파수와 수동 및 능동 밸런싱 제어 기능, 새로운 ADC 명령, ‘Functional Safety’용의 추가적인 결함 커버리지 기능들을 제공한다. 또한 평가 및 개발 작업용으로 LinduinoTM One 보드를 지원한다.

리튬이온 배터리를 오랫동안 안정적으로 동작시키기 위해서는 세심한 주의가 필요하므로, 리튬이온 배터리를 SOC (State of Charge) 끝까지 도달하지 않게 하면서 가동하도록 해야 한다.

리튬이온 셀의 용량은 시간이 가면 갈수록 감소하기 때문에 시스템 내의 모든 셀들이 한정된 SOC 이내에 머물도록 관리할 필요가 있다.

자동차로 충분한 전력을 공급하려면 수십 또는 수백 개의 배터리 셀이 필요하다. 이들 셀은 높게는 1000V 또는 그 이상으로까지 직렬로 구성할 수 있다. 그러므로 배터리 관리 전자장치들이 이와 같이 매우 높은 전압 환경에서 동작하고 동상 모드 전압(Common Mode Voltage)을 제거하면서 스트링 내의 각 셀을 차동적으로 측정 및 제어할 수 있어야 한다. 또 프로세싱을 위해 배터리 스택에서 중앙 지점으로 정보를 전달해야 한다.

그리고 자동차나 여타 고전력 애플리케이션에서 고전압 배터리 스택을 작동시키려면 상당한 전기 잡음과 넓은 범위의 동작 온도 같은 혹독한 조건을 견뎌야 한다. 또한 배터리 관리 장치는 동작 범위, 수명, 안전성, 신뢰성을 극대화하고 비용, 크기, 무게를 최소화해야 한다.

리니어 테크놀로지(Linear Technology)는 2008년에 고성능 멀티 셀 배터리 스택 모니터링 IC의 첫 제품으로 LTC6802를 출시했다. 

이 제품의 특징은, 13ms 내에 0.25% 최대 총 측정 오차로 최대 12개의 리튬이온 셀을 측정할 수 있으며, 또한 다수의 LTC6802 IC를 직렬로 연결함으로써 길게 이어져 있는 고전압 배터리 스트링의 모든 셀을 동시에 모니터링할 수 있다는 것이다.

그 후 리니어 테크놀로지는 LTC6802를 토대로 향상된 제품들을 내놓았다. 이 제품들은 하이브리드 전기차(HEV), 전기차(EV), 기타 고전압 고전력 배터리 스택의 정밀한 배터리 관리에 사용할 수 있다.

▲ 그림 1. 매립형 제너 전압 레퍼런스의 우수한 온도 드리프트 성능

진보한 고전압 배터리 스택 모니터링 IC

LTC6811은 리니어 테크놀로지의 최신 멀티셀 배터리 스택 모니터링 IC이며, 매우 안정적인 전압 레퍼런스, 고전압 다중화기, 16비트 델타-시그마 ADC, 1Mbps 절연형 직렬 인터페이스를 포함하고 있다.

이 제품은 0.04% 이내의 정확도로 최대 12개 직렬 연결 배터리 셀 전압을 측정할 수 있다. 그뿐 아니라 8가지 3차 저역통과 필터 설정을 사용해 뛰어난 잡음 제거 성능을 달성할 수 있다. 그리고 가장 빠른 ADC 모드일 때는 모든 셀을 290μsec 내에 측정할 수 있다.

리니어 테크놀로지가 갖고 있는 고유의 2와이어 isoSPI 인터페이스를 사용해서 다중의 LTC6811을 연결하고 동시에 동작시킬 수 있다. 

모든 LTC6811에 적용된 isoSPI 인터페이스는 꼬임쌍선만 사용해 최대 1Mbps 및 최대 100m 케이블 길이에 이르기까지 높은 RF 잡음 내구성을 달성한다. 또한 두 가지 통신 옵션도 사용할 수 있다.

LTC6811-1을 사용하면 다중의 디바이스를 데이지 체인 구성으로 하나의 호스트 프로세서에 연결할 수 있다. 그리고 LTC6811-2를 사용하면 다중 디바이스를 병렬로 호스트 프로세서에 연결하고, 각 디바이스에 개별적으로 어드레스를 부여할 수 있다.

LTC6811은 －40℃∼125℃의 온도 범위로 동작한다. 또한 ISO 26262 (ASIL) 규격 시스템에 사용하도록 레퍼런스 전압 이중화, 로직 테스트 회로, 교차 채널 테스트, 개방 와이어 검출, 워치도그 타이머, 직렬 인터페이스의 패킷 오류 검사를 비롯한 포괄적인 결함 보호 기능을 갖고 있다. 

그뿐 아니라 LTC6804를 사용한 기존 디자인을 LTC6811로 드롭인으로 곧바로 교체할 수 있으므로(핀 호환 가능), 간편하게 LTC6811이 제공하는 추가적인 필터 컷오프 주파수, 추가적인 수동 및 능동 밸런싱 제어 기능들, 새로운 ADC 명령, Functional Safety용의 추가적인 결함 커버리지를 활용할 수 있다.

▲ 그림 2. LTC6811의 델타-시그마 컨버터

ISO 26262와 Functional Safety

LTC6811은 고전압, 극단적인 온도, 핫 플러깅(실행 중 삽입), 전기적 잡음 등의 혹독한 환경에서도 다년간 신뢰할 수 있어야 하는 시스템에 사용될 때 높은 신뢰성, 안정성, 측정 정확도를 달성한다. 

또한 이 제품은 ISO 26262 표준에서 정의하고 있는 자동차용 Functional Safety 요건을 충족한다.

ISO 26262에는 자동차에서 전자 및 전기 시스템의 오작동으로 인해 발생할 수 있는 여러 가지 위험들이 체계적으로 정의되어 있다.

이 표준에 따라, 셀 전압 측정 전자장치 같은 주요 전자장치들이 적절하게 동작하는지 지속적으로 점검해야 한다. 따라서 LTC6811은 적절한 동작을 검사하기 위해 다음과 같은 포괄적인 내부 진단 기능들을 포함하고 있다.

• 배터리와 모니터링 IC 사이의 개방 와이어 검출

• ‌보조 전압 레퍼런스를 사용해서 일차 레퍼런스의 정확도가 ±5mV 이내인지 확인

• ‌12셀 스택 전압 측정을 사용해서 셀 측정 정확도가 ±0.25% 이내인지 확인

• ‌듀얼 채널 측정을 사용해서 다중화기 및 ADC 정확도가 0.01% 이내인지 확인

• 동시에 듀얼 필터 측정을 사용해서 필터 동작 점검

• 내부 전원 전압 측정

• 메모리 셀프 테스트

• ‌범용 I/O를 통해 센서와 외부 디바이스를 이용한 중복 모니터링

뛰어난 측정 정확도

우수한 정확도를 달성하기 위해 LTC6811은 전용 매립형 제너 전압 레퍼런스를 사용하고 있다. 매립형 제너 전압 레퍼런스는 시간과 동작 조건에 걸쳐 장기적인 안정성 및 정확도가 우수하다. 따라서 LTC6811은 모든 배터리 셀을 1.2mV 이내의 오차로 측정할 수 있다.

또한 LTC6811은 배터리 전압의 잡음을 필터링함으로써 잡음이 존재하는 상황에서도 뛰어난 측정 정확도를 달성한다. 이렇게 할 수 있는 것은 델타-시그마 ADC 컨버터를 사용하기 때문이다. 델타-시그마 컨버터를 사용해 변환 과정에서 입력을 여러 번 샘플링하고 디지털적으로 필터링한다. 이를 위해 저역통과 필터링을 내장함으로써 측정 오차를 일으키는 요인인 잡음을 제거한다.

LTC6811은 고속의 3차 델타-시그마 ADC를 사용하며 샘플 레이트를 프로그램할 수 있고 8가지 컷오프 주파수를 선택할 수 있다. 따라서 잡음 제거 능력이 뛰어나며 8가지 측정 속도를 사용할 수 있다. 가장 짧을 때는 290μsec 이내에 12개 배터리 셀을 측정할 수 있다.

▲ 그림 3. 능동 밸런싱할 때의 12셀 배터리 스택 모니터링

기타 특징

LTC6811은 배터리 셀로 곧바로 연결되므로 배터리 시스템의 가장 중요한 위치에서 동작한다고 할 수 있다. BMS 마이크로프로세서와 주변장치 사이에 있는 이 위치에서, LTC6811은 전류나 온도 같은 배터리 센서를 모니터링하고 이들 값을 셀 측정과 긴밀하게 상관화할 수 있다. LTC6811이 이 위치에 있을 경우 다양한 이점들이 생긴다.

LTC6811은 유연성이 뛰어난 범용 I/O를 제공한다. 이들 I/O를 디지털 입력, 디지털 출력, 아날로그 입력에 사용할 수 있다. 아날로그 입력으로 할 경우, 셀 측정과 동일한 측정 정확도로 0V∼5V까지 어떠한 전압이든 측정할 수 있다. 또한 셀 측정을 이러한 외부 신호나 12셀 스택 전압과 동기화시킬 수 있다. 그리고 LTC6811은 디지털 I/O를 통해 I2C나 SPI 슬레이브 장치를 제어할 수 있으므로, LTC6811이 아날로그 입력 확장을 위한 다중화기나 캘리브레이션 정보를 저장하기 위한 EEPROM과 같이 좀 더 복잡한 기능을 제어할 수 있게 된다.

또한 이 제품에는 내부적인 수동 밸런싱 FET이 포함되어 있어, 개별 셀을 방전시키거나 대형 고전력 외부 FET을 직접 제어할 수 있다. 그리고 배터리 팩이 쉬고 있을 때와 같이 저전력 상태일 때, 셀들을 방전하도록 구성할 수도 있으며, 각 셀 방전 출력을 각기 다른 시간 간격으로 턴온할 수도 있다.

그뿐 아니라 LTC6811을 사용하면 배터리 모니터링이 작동되지 않을 때 긴 시간에 걸쳐 밸런싱할 수 있다. 또한 이들 밸런싱 핀들을 직렬 인터페이스로 사용해서 리니어 테크놀로지의 LT8584 능동 밸런싱 회로를 제어할 수도 있다. LT8584는 모노리식 플라이백 DC/DC 컨버터이며, 이를 사용함으로써 셀 배터리 용량이 일치하지 않는 스택으로 99% 이상의 용량을 회복할 수 있다. 그리고 LTC6811의 SPI 마스터 기능을 사용하면 LTC6811과 SPI 기반 능동 밸런싱 IC인 LTC3300을 연결할 수 있다. LTC3300은 양방향 능동 밸런싱을 위한 결함 보호 컨트롤러 IC로서, 12개 혹은 그 이상의 인접 셀들로 전하를 보내거나 가져올 수 있다.

Linduino One 보드

LTC6811을 사용해 개발 작업을 단축할 수 있도록 리니어 테크놀로지의 새로운 LinduinoTM One 보드를 지원한다. Linduino One은 아두이노 우노(Arduino Uno) 호환 마이크로컨트롤러 보드로, USB 절연하고 있으며 LTC6811 데모 보드로 바로 연결할 수 있다. 온보드 부트로더를 포함함으로써 빠르게 회로 내(in-circuit) 펌웨어 업데이트를 할 수 있는 이 플랫폼은 간편하면서도 안정적인 하드웨어 개발 플랫폼을 제공한다.

▲ 그림 4. LinduinoTM One은 아두이노 우노 호환 마이크로컨트롤러 보드로, USB 절연하고

있으며 LTC6811 데모 보드로 바로 연결할 수 있다

아두이노는 오픈 소스 플랫폼이므로, BMS 디자이너들은 단순하고 강력한 아두이노 통합 개발 환경(IDE)을 편리하게 사용할 수 있다. bmsSketchbook이라는 코드 라이브러리는 LTC6811 샘플 코드를 제공하므로, 어떤 표준 C 컴파일러로도 컴파일할 수 있다. 예를 들어 bmsSketchbook으로는 구성을 읽고 쓰고 셀 전압을 읽고 쓸 뿐 아니라, 셀프 테스트 및 중복 테스트를 실시한다. 그리고 수동 밸런싱을 제어하기 위한 루틴들도 포함되어 있다. 

그렉 짐머(Greg Zimmer) _ 리니어테크놀로지