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기술정보 배터리 안전과 정확도 개선을 위한 팁

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 18회 작성일 21-02-15 14:14

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배터리 모니터링의 정확도에 대한 궁금증을 풀다


배터리 팩에 흐르는 전류는 여러 가지 다양한 목적에 따라 측정되고 사용된다. 예를 들어서 전동공구에 달린 탈부착식 배터리 팩에서 실수로 단락이 발생하면, 전류가 과도하게 흘러 위험한 상황이 발생할 수 있다. 뿐만 아니라 진공청소기처럼 배터리가 내장된 기기의 내부 오작동으로도 기기가 안전하게 작동할 수 있는 수준을 초과한 양의 전류가 흐를 수도 있다. 초과 수준 이하의 전류를 모니터링하고, 안전하지 않은 작동이 감지되면 회로를 차단해 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해선 직렬 전계 효과 트랜지스터, 계전기, 퓨즈와 같은 보호 장치를 갖추는 것이 중요하다. 대부분의 설계 디자인은 빠른 감지를 통한 안전성을 확보하기 위해 전류를 모니터링하는 비교기를 사용하는 반면, 일부는 배터리 팩에 내장된 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 디지털화된 데이터를 사용한다.

배터리 팩 전류 측정은 배터리의 충전 상태 또는 배터리 상태를 확인하고, 배터리 잔량 또는 시스템 작동 가능 여부는 예측을 위해 중요하다. 임피던스 트랙 기술 또는 CEDV 알고리즘을 도입한 대부분의 최신 배터리 계측기는 쿨롬 카운팅 방식을 통해 전류량을 계산한다.

쿨롬 카운터는 전류 측정 전용 ADC로서, 일반적으로 소형 직렬 감지 저항기의 차동 전압을 측정해 배터리 팩 내에 흐르는 전류를 끊임없이 측정한다. 일반적인 시스템에 사용되는 감지 저항기는 대개 1mΩ 이하의 범위를 지원하는 반면, 고전류 시스템에 사용되는 감지 저항기는 100µΩ 이하의 범위도 지원할 수 있다. 고전류 시스템에서 과도한 열 발생을 방지하려면 낮은 저항값이 필요하지만, 높은 부하에서 감지 저항기가 발생하는 전압이 50mV 이하로 제한될 수 있다는 것을 의미한다.

대부분의 배터리 계측 알고리즘은 계산 시, 배터리로 유입되거나 배터리에서 유출되는 누적된 전하량을 사용한다. 누적 전하량은 시간 경과에 따른 전류 측정값을 통합해 계산된다. 이런 계산에서는 전류 측정 오프셋이 중요한데, 오프셋은 전하가 통합될 때 시간이 경과함에 따라 사실상 상당한 양의 오류 전하를 생성하는 팬텀 전류로 나타나기 때문이다.

낮은 오프셋과 높은 해상도로 작은 전압 범위를 측정하는 것은 설계에 있어서 어려운 과제이며, 이 과제에서 쿨롬 카운터는 배터리 모니터링의 최고 성능 서브 시스템이 된다.

이 과제를 해결하기 위해선 TI의 배터리 모니터 BQ769 42(3s~10s)와 BQ76952(3s~16s)는 낮은 측 감지 저항기에서 최대 ±200mV의 차동 전압을 측정할 수 있는 16-24 비트 델타-시그마 쿨롬 카운터 ADC를 통합했다. 또한, 이 디바이스에는 비교기를 사용해 충전과 방전 상태 모두에서 방전과 과전류 조건의 단락을 감지하는 전류 보호 기능도 포함되어 있다.


ADC 전류 측정

BQ76942와 BQ76952는 데이터의 용도별 여러 가지 최적의 디지털 전류 측정 방법을 제공한다.

•CC1 전류( )–CC1 전류( ) 측정은 디바이스가 일반 모드일 때(충전 중이거나 방전됐을 때) 250ms마다, 절전 모드일 때(충전 중이 아니거나 방전된 상태가 아닐 때)는 4초마다 진행된다. 이 값은 일부 통합된 전류 기반 보호 기능과 누적 전하 통합에 사용된다. CC1 전류( ) 데이터는 DASTATUS5( ) subdommand을 통해 16 비트 형식으로 보고된다. 누적 전하량은 DASTATUS6( ) subdommand을 통해 64비트 형식으로 보고된다.

•CC2 전류( )–CC2 전류( ) 측정은 일반 모드에서 3ms 마다 진행되며, 절전 모드에서는 각 전원 : 절전 : 전압 시간 간격 동안 제공된다. 이 값은 전력( ) 명령을 통해 16비트 형식으로 보고되며, 미가공 24 비트 데이터는 추가적인 후 처리를 위해 32 비트 형식으로 제공된다. 변환 해상도를 낮춰 [FASTADC] 비트를 설정하면 3ms 변환을 1. 5ms 변환으로 변경할 수 있다.

•CC3 전류( )–CC3 전류( ) 측정값은 다수의 CC2 전류( ) 측정값의 평균값으로, 후에 처리할 수 있도록 느린 출력 속도에서 더 높은 해상도의 데이터를 제공한다. 평균 샘플 개수는 설정:구성:CC3 샘플 설정을 통해 2에서 225까지 프로그래밍 할 수 있다. DASTATUS5( ) subdommand은 32비트 형식으로 데이터 결과를 보고한다.

•DASTATUS1~4( ) subdommand은32 비트 형식의 전지 전압 측정값과 동기화된 미가공 전류 ADC 판독 값을 보고한다. 이 값은 일부 계측 알고리즘에 사용되는 전지 임피던스를 분석하는데 유용하다.

BQ76842와 BQ76952는 서로 다른 범위의 전류를 수용하기 위해 전류 측정값에 따라 단위를 선택할 수 있다. 예를 들어, 1mA 단위를 사용할 경우 16비트 형식으로 보고된 C C1 전류( )는 -32.768A와 +32.767A 사이의 전류를 나타낸다. 더 높은 전류 측정이 필요할 때는 단위를 10mA로 변경해 -327.68A와 +327.67A 사이의 전류를 나타낼 수 있다.

설정 : 구성 : DA구성 : [USER_AMPS_1 : 0] 구성은 단위를 설정하는 기준이다. 이 단위는 CC2 전류( )와 CC1전류( ), CC3전류( ) 값에 적용된다. (표 1 참고)

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BQ76842와 BQ76952가 감지 저항기를 통해 측정된 전압을 전류값으로 변환하려면 전류 게인 값(캘리브레이션 : 전류 : CC게인 그리고 캘리브레이션 : 전류 : 용량 게인)이 필요하다. 이 게인 값은 시스템에 사용된 감지 저항기의 공칭값을 기준으로 설정할 수도 있고, 각 인쇄회로기판(PCB)에 대해 조정할 수도 있어 디바이스 메모리에 저장이 가능하다. 이 디바이스에는 보드 레벨 오프셋 전류에 대한 설정도 포함되어 있으며, 보드 레벨 오프셋 전류는 각 PCB마다 결정되어 메모리에 저장될 수 있다. (캘리브레이션 : 전류 오프셋 : 쿨롬 카운터 오프셋 샘플에 설정된 샘플의 개수) 캘리브레이션 : 전류 오프셋 : 보드 오프셋에 저장된 측정값의 합계를 활용해 제조라인에서 여러 측정값을 확보할 수 있다. 이 디바이스는 전류값을 보고할 때 CC게인으로 값을 조정하기 전에 각 판독 값에서 보드 오프셋 : 쿨롬 카운터 오프셋 샘플 값을 뺀다.


동기화된 전압과 전류 측정

BQ76942와 BQ76952는 전류와 각 전지 전압을 동시에 측정하기 위해 두 개의 델타 시그마 ADC를 사용해 동기화된 측정값을 지원한다. 각 셀 전압과 동기화된 전류에 대한 미가공 24-비트 ADC 판독 값은 디바이스에 저장되며, 동기화된 한 쌍으로 읽을 수 있다. 이 데이터를 이용해 전지 임피던스 또는 상호 연결된 저항값을 분석할 수 있다.


누적 전하량 측정

BQ76942와 BQ76952는 누적 전하 값을 생성하기 위해 쿨롬 카운터 전류 데이터를 지속적으로 통합한다. 호스트는 0X0082 RESET_PASSQ( ) subdommand을 사용해 필요에 따라 적분기를 재설정할 수 있다. 또한 이 디바이스에는 초 단위의 타이머가 포함되어 있어, 쿨롬 카운트 통합과 동시에 재설정할 수 있다. 누적 전하 값을 타이머로 나눠서, 타이머가 시작된 이후 시간 간격 동안의 평균 전류값을 계산할 수 있다.

누적 전하는 두 개의 32비트값으로 제공된다. 첫 번째 32비트 (서명된) 데이터는 userAh 단위로 전하를 보고하며, 두 번째 32비트 (서명되지 않은) 데이터는 userAh/232 단위로 분수 전하를 보고한다. 64비트 누적 전하 데이터와 타이머 값은 모두 0×0076 DASTATUS6( ) subdommand에 의해 보고된다.

BQ76942와 BQ76952의 배터리 모니터링과 보호 장치는 정밀한 쿨롬 카운터를 갖춘 고성능 측정 서브 시스템을 구현해낸다. 이 디바이스의 전류 측정 서브 시스템은 구성이 뛰어나서, 속도와 해상도 사이에서 균형을 유지할 수 있다. 또한 계측 기능, 사후 프로세싱, 전류 기반 배터리 팩 보호 기능에 최적화된 다수의 전류 판독 값을 제공한다.

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