얕은 방전 애플리케이션에서 LiFePO4 셀이용
TI 임피던스트랙TM
배터리퓨얼게이지미세조정
Keith James Keller, Texas Instruments
TI의 임피던스 트랙TM 퓨얼 게이지 기술은 시간 경과에 따른 배터리 특성 변화를 학습할 수 있는 강력한 적응형 알고리즘 이다. 이 알고리즘과 배터리팩의 화학 특성에 대한 지식을 결 합하면 팩의 수명에 따른 배터리 SOC(Stage Of Charge)를 정확하게 결정할 수 있다.
그러나 셀의 총 화학적 용량(Qmax)에 대한 정보를 업데이트 하기 위해서는 특정 조건이 필요하다. LiFePO4(리튬 철 인산) 와 같이 전압 프로필이 평탄한 경우 매우 까다로워진다(그림 1 참조). 완전 방전한 후 여러 시간 방치할 수 없을 경우 더욱 그 러하다. 그림 1은 LiCoO2와 LiFePO4 배터리가 가진 화학적 성 질의 일반적인 OCV(Open-Circuit Voltage)와 DOD(Depth of Discharge)를 비교한 것이다. 이 글은 레퍼런스 1과 2의 임 피던스 트랙 기술에 대한 논의를 바탕으로 작성됐다.
TI는 IT3(임피던스 트랙 3) 알고리즘을 LiFePO4 셀과 사용 하도록 권장하고 있다. 기존의 임피던스 트랙 알고리즘에 대 한 IT3의 개선사항은 다음과 같다.
· 향상된 온도 보상으로 인한 저온 성능 개선
· 필터링 추가로 SOC 용량 점프 방지
· LiFePO4 셀의 불리한 OCV 측정값 정확도 향상
· 추가 부하 선택 구성으로 보수적인 잔존 용량 측정
IT3는 TI의 bq20z4x, bq20z6x, and bq27541-V200 가스 게이지에 포함된다(포괄적인 목록은 아니다).
Qmax 업데이트를 위한 일반적인 조건
임피던스 트랙 알고리즘은 Qmax를 mAh로 측정한 셀의 총 화학적 용량이라고 정의할 수 있다. 올바른 Qmax 업데이트를 위해 2개의 조건을 반드시 충족시켜야 한다
① 규격에 합당하지 않은 전압 범위 밖에서 OCV를 2회 측 정해야 하며, 이는 TI가 수립한 셀의 화학적 ID 번호를 바탕으로 실시한다. 충전되지 않거나 여러 시간 동안 방 전되어 사용하지 않은 셀만 OCV를 측정할 수 있다. 레퍼 런스 3은 규격에 합당하지 않은 전압 위의 하위 집합이 며, 이중 일부를 표 1에 나타낸다. 화학 ID 100에 대해 셀 전압이 3,737mV 이상 또는 3,800mV이면 OCV를 측정 할 수 없다는 것을 알 수 있다. 최고의 정확도로 OCV를 측정하기 위해서는 피해야 할 범위이다. 여기서는 SOC 백분율을 제시했지만 게이지는 전압만 바탕으로 하여 불 합격을 결정한다.
② 퓨얼 게이지가 통과 전하의 최소량을 통합해야 한다. 기 본적으로 총 셀 용량의 37%로 설정되어 있다. 이러한 통과 전하의 백분율은 얕은 방전 Qmax 업데이트를 위해 10%까지 감소될 수 있다. 이로서 SOC 정확도가 감소되 는데, 그렇게 하면 Qmax를 업데이트할 수 없는 시스템에 적용할 수 있다.
얕은 방전 Qmax 업데이트에 필요한 것이 무엇인지 이해했으 므로, 저용량 팩 구성에서 변경해야 하는 데이터 플래시 파라 미터의 예를 살펴보자. 기본 임피던스 트랙 알고리즘은 3개의 직렬 셀을 2개의 병렬 스트링으로 가진 일반적인 노트북 배터 리팩을 바탕으로 한다(3s2p). 각 스트링의 용량은 2,200mAh 이고 총 용량은 4,400mAh이다.
LiFePO4 셀을 3s1p 구성으로 사용할 경우 용량은 절반인 1,100mAh로 된다. 이렇게 용량이 작은 경우에는 최적의 성능 을 위해 TI 가스 게이지 평가 소프트웨어의 특정 데이터 플래 시 파라미터를 미세 조정해야 한다. 이와 관련된 과정은 나중 에 설명한다.
계산 예제
A123 시스템TM 1,100mAh 18650 LiFePO4/탄소 셀을 사용 하는 3s1p 구성 배터리팩을 생각해보자. 이 셀 유형의 TI 화학 ID 번호는 404이다. 이 배터리는 정상 온도가 약 50℃인 저장 시스템에 사용할 것이다. 방전율은 1C이며 5mΩ감지 레지스 터는 쿨롬 산출용 게이지에 사용된다.
표 1에 나타난 바와 같이, 화학 ID 404에 대해서 OCV 측정 에 부적합한 전압 범위는 최소 3,274mV(∼34% SOC) 및 최 대 3,351mV(∼93% SOC)이다. 대부분의 LiFePO4 셀은 부적 합 전압 범위가 매우 넓다(화학 ID 409와 비교). 그러나, 셀 특 성에 따라서는 얕은 방전 Qmax 업데이트를 위한 최소 부적합 전압이 높을 수 있다. 화학 ID 404의 경우, 이 값을 3,322mV 까지 올려 얕은 Qmax 업데이트 창을 3,309mV에서 3,322mV 로올릴수있다(그림 2 참조).
설계자는 데이터 플래시 수정으로 중간 영역의 낮은 오류 창을 사용할 수 있다. 높은 부적합 전압 범위와 낮은 부적합 전압 범위만 프로그램할 수 있으므로 호스트 시스템은 3,309mV 이하 OCV 측정이 발생하지 않는다는 것을 보장해 야 한다(상관 오류가 증가하면 3,274mV와 3,309mV 사이에 서 OCV 측정 오류가 크게 증가한다). 낮은 OCV 측정을 위한 창의 폭이 13mV밖에 되지 않지만(3,322－3,309mV＝13mV) 이것은 SOC 범위 70%에서 64%까지 해당된다.
LiFePO4는 완화 시간이 매우 길기 때문에 데이터 플래시 파 라미터“OCV 대기 시간”을 18,000초(5시간)로 늘린다. 배터 리의 정상 작동 온도가 상승하면 파라미터“Q 무효 최대 온 도”를 55℃로 변경해야 한다. 또한“Qmax 최대 시간”을 21,600 초(6시간)로 변경해야 한다.
Qmax 통과 전하를 37%에서 10%로 낮추려면 OCV1과 OCV2 측정간 부적합 시간에 중요한 역할을 담당하는“DOD 최대 용 량오류”,“ 최대용량오류”및“Qmax 필터”를수정해야한다. “Qmax 필터”는 통과 전하에 따라 Qmax를 변화시키는 보상 요소 이다.
이러한파라미터의목적은ADC 최대오프셋오류“( CC 데 드밴드”)를 포함하여 측정된 통과 전하를 바탕으로 1%의“최 대 용량 오류”보다 낮은 값을 갖는 데 있다. 그러나 이러한 값 을 변경해야 얕은 방전 Qmax를 업데이트할 수 있다.
1. 예제 1 : Qmax 업데이트용 타임아웃 기간
고정값 10㎶에 대해 하드웨어가 설정한 1,000mAh 셀 및 “CC 데드밴드”를 가진 10mΩ감지 레지스터에 누적된 오류를 1% 이하로 하기 위해, Qmax 업데이트용 타임아웃 기간을 다음 과같이결정할수있다.
10㎶/10mΩ＝1mA 오프셋 전류
1,000mAh 용량×1% 허용 오류＝10mAh 용량 오류
10mAh 용량 오류/1mA 오프셋 전류＝10 시간
따라서, Qmax 업데이트에는 휴지기를 포함하여 처음부터 끝까지 10시간을 사용할 수 있다. 10시간 타임아웃 후, 다음 으로 게이지가 적절한 OCV를 측정하면 타이머가 다시 시작 한다.
2. 예제 2 : 데이터 플래시 파라미터 수정
5mΩ감지 레지스터를 가진 1,100mAh 셀을 이용한 설계 시 나리오에서 Qmax 업데이트용 타임아웃 기간은 같은 방법으로 결정한다.
10㎶/5mΩ＝2mA 오프셋 전류
1100mAh×1%＝11mAh
11mAh/2mA 오프셋 전류＝5.5시간
이 경우, 용량 오류 백분율을 완화하여 Qmax 타임아웃을 증 가시켜야한다.“ 최대용량오류”를 기본1%에서 3%로 증가시 키면 1.1 Ah×3%＝33mAh이고, Qmax 부적합 시간은 33mAh /2mA 용량 오류＝16.5시간이 된다.
“DOD 용량 오류”는“최대 용량 오류”의 2배여야 하므로 기본 2%에서 6%로 바꾼다.“ Qmax필터의 기본값 96은 통과전하의 백분율에 따라 비례하여 축소시켜야 한다.
“Qmax 필터”＝96/(37%/10%)＝96/3.7＝26
표 2는 얕은 방전 Qmax를 업데이트하기 위해 반드시 수정해 야 하는 가스 게이지 평가 소프트웨어의 일반적인 데이터 플 래시 파라미터이다. 이러한 특정 파라미터는“숨김”으로 분류 되어 보호되지만, TI 애플리케이션 스태프는 잠금을 해제할 수 있다. 이 표에 사용된 배터리 팩 예제는 앞에서 설명한, 화 학 ID 404, A123 1100mAh 18650 LiFePO4/탄소셀을사용하 는 3s1p 팩이다.
Qmax 업데이트 이벤트
다음 이벤트에서는 예제 1과 예제 2에서 설명한, 데이터 플 래시 파라미터가 변경된 이후 Qmax 업데이트를 달성하는 실질 적인 접근법에 대해 설명한다.
① 배터리 전압이 그림 2와 같이 저상관 오류창 내에 있을 때 Qmax 업데이트를 시작해야 한다. 설계자의 알고리즘 을 사용하여 셀을 이 범위로 방전/충전할 수 있다.
② 이 예에서 화학 ID 404의 유효 측정 범위에 있으려면 모 든 셀 전압은 3,309mV 이상이거나 3,322mV 이하여야 한다. 셀 전압이 방전 루틴 중 유효 범위를 벗어나면 프 로그램된“OCV 대기 시간”18,000초 전에 다른 방전 또 는 충전 사이클이 시작된다. 6시간 10분 후 모든 셀 전압 이 3,309－3,322mV인 경우 OCV가 올바로 측정됐다.
③ 다음 단계는 배터리 완전 충전이다. 배터리가 완전히 충 전되거나 100% SOC인 경우, 두 번째 OCV를 측정하기 전에 6시간 10분 동안 다시 대기해야 한다. 이후 Qmax 값 이 업데이트된다. 충전에 약 2시간이 걸린다면 타임아웃 에 최소 8시간이 필요하다. 16.5시간이라는 타임아웃 시 간이 계산된 예제 2에서, 8.5시간 완충시간보다 충분한 시간이 있다는 것을 알 수 있다.
④ 게이지가 언실드 모드에 있을 경우에는 가스 게이지 ResetCommand(0x41)를 발행하여 언제라도 OCV 타이 머를 리셋할 수 있다. 표 3은 예제의 팩 구성을 사용했을 때 배터리 사이클링 결과를 나타낸 것이다.
TI의 임피던스 트랙 기술은 셀 수명에 따른 배터리 SOC 결 정에 있어서 매우 정확한 알고리즘이다. 남은 기간 동안 배터 리를 완전 방전할 수 없는 LiFePO4 애플리케이션에서 Qmax를 업데이트하기 위해서는 얕은 방전 옵션을 고려해야 한다.
여기서는 얕은 방전 Qmax 업데이트에 필요한 고려 사항과 데이터 플래시 프로그램 구성에 대해 설명했다. 이러한 파라 미터에 대한 변경은 시스템 구성 및 요건을 바탕으로 TI 애플 리케이션 스텝이 승인해야 한다.
참고문헌
1.“ Theory and implementation of Impedance TrackTM battery fuel-gauging algorithm in bq20zxx product family,”Application Report. slua364
2. Keith James Keller, “Fuel-gauging considerations in battery backup storage systems,”Analog Applications Journal (1Q 2010). slyt364
3. chemistry_specific_Qmax_disqv_voltages_table.xls [Online]. Available: http://www.ti.com/
