리튬이온 배터리의 기술적 발전 및 응용 범위 확대에 따라 전동 공구, 전동 어시스트 자전거, 축전 시스템 등의 동력계 하이파워를 사용하는 애플리케이션에서 수요가 늘어나고 있다.
이에 라피스 세미컨덕터에서는 우수한 믹스 신호 회로와 오리지널 고내압 프로세스를 활용해 3직렬 셀에서 200직렬 셀까지, 많은 배터리 셀을 직렬 접속해서 사용하는 배터리팩용으로 다수 셀 대응, 저소비전류 및 고정밀도 전압 측정, 주변 회로 내장(공간 절약) 등의 특징을 가진 제품을 개발할 계획이다.
최근 스마트폰 및 노트북 등의 애플리케이션을 비롯해 사용 전압이 높은 산업기기나 자동차에서도 세트의 소형·경량화에 대한 요구가 높아지고 있다. 이에 따라, 에너지 밀도가 높은 리튬이온 배터리를 사용하는 애플리케이션이 급증하고 있다.
이는 리튬이온 배터리가 다른 2차 전지에 비해 체적 및 중량당 에너지 밀도가 매우 크므로, 동일한 구동 전압일 경우 사용 배터리 셀의 수를 줄일 수 있어 배터리팩의 소형 및 경량화에 적합하기 때문이다(그림 1).
▲ 그림 1. 리튬이온 배터리의 특징
그러나 리튬이온 배터리에는 주의해야 할 특성이 있다. 리튬이온 배터리는 화학 반응에 의해 리튬이온이 배터리 내에서 플러스 극과 마이너스 극을 이동함으로써 충전 및 방전이 가능해진다. 따라서 과충전 상태가 계속되면 발열, 발화, 폭발과 같은 위험 상황이 발생하게 된다.
또한, 부하를 접속해 과방전 상태가 계속되면 배터리 용량이 저하되거나 수명이 단축되고 재충전 시에도 금방 소모된다(그림 2).
▲ 그림 2. 리튬이온 배터리의 주의점
그러므로 리튬이온 배터리의 경우 지속적으로 배터리 셀의 상태를 모니터링하여 과충전, 과방전과 같은 상태를 방지하는 전용 보호회로가 필요하다. 그 보호회로의 중심 역할을 하는 LSI가 바로 배터리 감시 LSI이다.
배터리 감시 LSI의 기본 구성
배터리 감시 LSI는 기본적으로 그림 3과 같이 구성되어 있으며 리튬이온 배터리를 감시하고 보호한다. 보호 회로에는 다음과 같이 3가지 역할이 요구된다.
▲ 그림 3. 배터리 감시 LSI의 기본 구성
1. 과충전, 과방전 검출
리튬이온 배터리의 각 배터리 셀 전압 측정 회로에서 각 배터리 셀의 전압을 검출한다.
2. 과전류 검출
배터리팩에 흐르고 있는 회로 전류를 전류 측정 회로에서 검출한다.
3. 이상 온도 검출
외장 서미스터를 사용해 온도 측정 회로에서 검출한다. 리튬이온 배터리 및 배터리 감시 LSI 등 부품이 탑재된 배터리팩에서는 배터리 셀의 상태가 이상하지 않은지 전압, 전류, 온도를 지속적으로 검출해 이상 유무를 판정한다. 만약 하나라도 이상이 있다고 판정되면, 충방전 제어용 스위치로 전류 회로를 차단해 배터리 셀 및 시스템 회로를 보호한다.
로옴 그룹 라피스 세미컨덕터(LAPIS Semiconductor)의 배터리 감시 LSI는 마이컴 제어가 필요 없으며, 단독으로 리튬이온 배터리를 보호하는 스탠드 얼론(Stand-alone) 타입과 마이컴 제어를 통해 고정밀도이고 다채로운 기능을 지닌 아날로그 프론트 엔드(Analog Front End) 타입이 있다. 여기서는 라피스 세미컨덕터의 스탠드 얼론 타입 배터리 감시 LSI 제품 두 개를 살펴본다.
마이컴레스로 소형기기에 최적인 배터리 감시 LSI, ML5233
‘ML5233’은 배터리로 구동되는 무선 청소기 및 전동 공구 등의 소형기기 시스템용으로, 동작 시의 소비전류를 25㎂(＠Typ.)로 줄인 10셀 대응 리튬이온 배터리 감시 LSI이다.
리튬이온 배터리팩의 이상 검출을 마이컴 없이 실현하므로, 마이컴으로 구동하는 기존 제품 대비 실장 면적을 약 20%, 주요 부품수를 4개에서 1개로 삭감할 수 있어 배터리 보호 시스템의 소형화에 도움을 주며, 고객의 개발 부담을 경감시킨다(그림 4). 이 제품의 특징은 다음과 같다.
▲ 그림 4. ML5233의 특징
1. 저소비전류 실현
① 동작 시
소비전류는 기존 제품 대비 약 50％ 줄어든 25㎂(＠Typ.)이며, 시스템의 에너지 절약에도 기여한다.
② 파워다운 시
저소비전류 0.1㎂(＠Typ.)를 실현했다. 배터리팩의 장기 보관 시에도 배터리 용량에 거의 영향을 미치지 않아, 충전된 배터리를 효과적으로 활용할 수 있다.
2. 높은 수준의 전압 검출 정밀도로 충전 효율 7％ 향상
높은 과충전 검출 정밀도를 실현했다. 배터리팩 내의 각 셀 전압을 ±15mV로 고정밀도 검출한다. 기존의 ±50mV인 경우에 비해 배터리 충전 효율이 7%로 대폭 향상됐다.
3. 각종 이상 검출 및 보호 기능을 마이컴 없이 실현해 실장 면적 20% 삭감
온도 검출 회로와 쇼트 전류 검출 회로를 내장함으로써 마이컴 없이 충방전 시의 이상 온도(고온) 검출과 배터리팩의 쇼트 검출이 가능하다.
이에 따라 실장 면적을 약 20%, 주요 부품수를 4개에서 1개로 삭감할 수 있게 됐다. MOSFET, 전류 검출용 션트 저항 및 서미스터를 외장함으로써 완전한 하드화가 가능하므로, 배터리 보호 시스템의 소형화와 더불어 고객의 개발 부하를 경감시킬 수 있다.
4. 다단 접속 기능으로 10셀 이상의 시스템에도 대응 가능
라피스 세미컨덕터의 오리지널 고내압 프로세스를 통해, LSI 1개로 4직렬에서 10직렬 시스템까지 대응하며, 14V에서 최대 36V까지의 전동 공구 등에서도 안심하고 사용할 수 있다. 예를 들어, 이 LSI 2개를 사용하면 20직렬 시스템(72V)으로 확장이 가능하며 전동 자전거, 승용 카트 등 폭넓은 고전압 애플리케이션에도 대응할 수 있다.
기능 안전과 시스템 소형화를 실현하는 2차 보호 LSI, ML5232
최근 리튬이온 배터리의 용도가 확대됨에 따라, 인체, 재산을 보호하는 기능 안전 규격에 준거한 신뢰성 확보가 사회적으로 요구되고 있다. 만약 리튬이온 배터리 감시 시스템에 탑재된 배터리 감시 LSI 측 시스템에 문제가 발생하여 정상 동작하지 않을 때, 리튬이온 배터리의 사고를 방지하기 위한 대책으로 2차 보호 LSI를 사용하는 경우가 증가하고 있다(그림 5).
▲ 그림 5. 기능 안전
‘ML5232’는 최대 14직렬 셀까지 검출 가능하고, 기존의 4직렬 대응 2차 보호 LSI에 비해 대폭적인 부품 수 삭감과 회로의 간략화를 실현한다.
지금까지 리튬이온 배터리의 2차 보호를 실현하려면 여러 개의 2차 보호 LSI와 그 주변 회로가 필요했지만, ‘ML5232’
1개로 이를 대체할 수 있다. 또한, 과충전 검출 시 퓨즈를 절단함과 동시에 충전 제어용 MOSFET을 OFF할 수 있는 2종류의 보호 신호를 탑재함으로써 시스템의 고신뢰화를 실현할 수 있다(그림 6). 이 제품의 특징은 다음과 같다.
▲ 그림 6. ML5232의 특징
1. 14직렬 셀 접속을 가능하게 하여, 약 50％의 시스템 소형화에 기여
기존의 배터리 2차 보호 LSI는 4직렬 또는 5직렬에만 대응했지만, ML5232는 믹스 신호 회로와 고내압 프로세스를 구사함으로써, 최대 14직렬 셀까지 리튬이온 배터리 감시 시스템에 대응할 수 있다. 이에 따라, 부품 수를 줄일 수 있어 기존 대비 약 50％의 실장 면적을 실현해 시스템의 소형화에 기여한다. 또한, 고전압 시스템 구축도 가능하므로 폭넓은 애플리케이션에서 플랫폼의 공통화도 실현할 수 있다.
2. 과충전 검출 시의 독자적인 2종류 보호 신호 탑재
리튬이온 배터리 감시 시스템에 탑재되는 1차 보호 LSI 측 시스템에 문제가 발생해 정상 동작하지 않을 경우, ML5232가 즉시 보호 신호를 출력한다. 이 LSI는 충전 경로를 차단하는 Nch 오픈 드레인 타입과 CMOS 타입의 2종류 출력단자를 탑재하고 있어, 과충전 검출 시 퓨즈를 절단함과 동시에 충전 제어용 MOSFET도 OFF할 수 있으므로, 시스템의 고신뢰화를 실현한다.
로옴 주식회사 (ROHM Semiconductor)
