임피던스 트랙 배터리 게이지를 탑재한 배터리 백업 시스템의 개선된 LiFePO4 셀 밸런싱

텍사스 인스트루먼트(TI)의 임피던스 트랙(Impedance Track)™ 배터리 게이지 기술은 시간에 따른 배터리 용량과 임피던스를 파악하여 정확한 SOC(state of charge)와 남은 용량을 계산하는 독점 알고리즘이다.

자체 방전을 보충하기 위해 며칠 간격으로 짧게 충전이 일어나고 완전 충전은 드물게 일어나 배터리 백업 애플리케이션을 다룰 때에는 반드시 이해해야 할 특별한 조건들이 있다. 리튬인산철(LiFePO4) 셀을 사용할 때에는 게이지의 밸런싱 기능을 반드시 억제하거나, 강화된 펌웨어를 사용해야 한다. 본고는 TI가 특별히 개발한 bq20z45-R1 가스 게이지용 펌웨어에 대한 정보를 제공하고 있다. 이 펌웨어는 데이터-플래시 파라미터를 프로그래밍 할 수 있도록 해주기 때문에 배터리 사이클링이 뛰어나고 최적의 밸런싱 결과를 얻을 수 있다. 또한 정상 작동을 위해 밸런싱을 억제하고 오프라인으로 셀 밸런싱을 달성하는데 필요한 가이드라인도 제시하고 있다.

그림 1은, TI가 약 10년에 걸쳐 분석한 모든 리튬 기반 셀에서 싱글-셀 OCV(open circuit voltage)와 DOD(depth of discharge)를 비교한 전압-밀도 플롯을 보여주고 있다. (DOD는 단순히 말해 1/SOC이다.) LiFePO4 셀의 전압 프로파일이 SOC 곡선의 상당 부분에서 매우 고른 것을 알 수 있다. 이렇게 기복 없는 전압은 임피던스 트랙 알고리즘으로 셀 밸런싱을 하는데 필요한 정밀한 SOC 예측을 어렵게 한다. 충전 말미에서 가파른 전압을 볼 수 있는데(DOD의 약 0%), 이것은 셀-투-셀(cell-to-cell) 전압 분화로 이어질 수 있고, 더 나아가 SOC 예측과 셀 밸런싱을 복잡하게 만들 수 있다.

작동 중 Qmax 업데이트의 제거
필드 작동 중 Qmax 업데이트를 하지 않는 것은 허용될 수 있다. 꼭 그래야 하는 것은 아니지만, 매우 신뢰도 높은 배터리 백업 애플리케이션이라면 제조 공정에서 완전 방전으로 팩의 Qmax를 알아내는 것이 가장 좋다. Qmax를 파악하고 나면, 더 이상의 Qmax 업데이트는 필요치 않다.

초기 Qmax를 알아내는 이벤트
표 1은 7.02 버전 펌웨어에서 bq20z45-R1의 전형적인 강화 데이터-플래시 파라미터들을 보여주고 있다. 이것을 TI의 bq 평가 소프트웨어 툴로 반드시 수정하여 Qmax 업데이트를 집행해야 한다. 이 특정 파라미터들은 보호되며(“숨김”으로 분류됨), TI의 애플리케이션 스태프가 이를 풀 수 있다. 표 1의 배터리 파라미터들은 TI의 케미컬 ID 404의 2-시리즈 2-병렬(2s2p) 2500mAh LiFePO4 배터리 팩에 대한 TI의 데이터베이스에서 발췌한 것이다. 또한, 이 표는 이러한 특성에 기반한 데이터-플래시 파라미터에 반드시 이루어져야 할 변경들도 보여주고 있다. “Operation Cfg C” 레지스터 변경은 7.02 펌웨어가 제공하는 새로운 기능들을 가능하게 해준다. “OCV Wait Time”과 “Max Delta V”에 대한 변경은 OCV 측정이 충전 완료 후 바로 일어날 수 있도록 해준다. “Max Capacity Error”와 “Qmax Filter”에 대한 변경은 Qmax 업데이트가 좀 더 작은 용량의 배터리에서도 일어날 수 있도록 추가 시간을 벌어준다(LiFePO4 셀은 보통 18650 크기에서 1100mAh 셀들만 가지고 있기 때문).

디폴트 값이 변경되고 나면, 이제부터 설명할 방법으로 적절한 Qmax 업데이트를 달성할 수 있다.

표 1. TI 애플리케이션 스태프가 시스템 특성에 맞추어 풀 수 있는 보호 데이터-플래시 파라미터

1. Qmax 업데이트 사이클의 시작
Qmax 업데이트 사이클은 완전 충전 후 배터리가 쉴 때 시작해야 한다. 이론상, 셀은 최대한 길게 휴식을 취해야 한다. 그러나 이 팩이 온보드(onboard) 회로 때문에 높은 자체 방전 전류를 가지고 있는 경우, 이 대기 시간은 2시간으로 짧아질 수 있다.

2. 완전 충전과 유효 OCV 학습
충전이 끝나면, IT 이네이블 명령(0x0021)을 보내 셀 전압이 안정되기 전에 OCV 학습이 일어나는 것을 막아야 한다. 그 다음에 셀이 최대한 길게 휴식하도록 허용해야 한다. LiFePO4 팩은 한 셀의 전압이 테이퍼(taper) 상태에서 충전 말미에 달아나는 경향이 있다. 이러한 도망은 더 낮은 전압(셀 당 3.5V)으로 충전하는 방식으로 방지하거나, 한 셀의 전압이 다른 셀보다 20mV 이상 더 높거나 더 낮게 움직인 후 충전기를 억제하는 방식으로 방지할 수 있다.

화학물질 ID 404의 경우, 배터리 스택의 가장 낮은 셀 전압이 셀 휴식 후 3,353mV 이상일 경우, 그 다음 방전 절차를 시작할 수 있다. 어떤 셀 전압이 휴식 중에 3,353mV 밑으로 떨어질 경우, 그 배터리를 채우려면 다른 충전 사이클이 필요하고, 그 절차를 반드시 시작해야 한다. 서로 다른 화학물질 ID에는 서로 다른 전압이 적용된다. 본 논문의 말미에 나와 있는 참고문헌 1과 “관련 웹사이트”에서 자세한 내용을 참고한다.

IT 이네이블 명령이 다시 전송되면서 Qmax 업데이트 절차가 시작된다. 이 명령이 전송되고 난 후, 방전이 시작되기 전까지 5분을 기다려야 하는데 그 이유에는 두 가지가 있다. (1) 쿨롬 카운터(coulomb counter)의 디지털 필터를 지우기 위한 것(이것은 5분 동안 완성된다)과, (2) 이네이블 명령이 전송된 후 배터리 게이지에게 약간의 계산 시간을 주기 위함이다.

3. 방전과 휴식
배터리가 완전히 없을 때까지 방전시키기나 최저한도의 무자격 전압에 한참 미치지 못하게 충분히 방전시켜야 한다. 셀이 휴식을 하면 그 전압은 증가한다. 모든 셀 전압은 “Qmax Max Time” 설정이 지정한 휴식 시간과 더불어 추가 5 분의 완충 시간 내내 최저한도의 무자격 전압 미만으로 유지돼야 한다.

4. Qmax 업데이트의 완료
업데이트 된 Qmax값은 데이터-플래시 “state” 오프셋 82/Qmax 셀 오프셋 0–8에서 읽을 수 있다. Qmax를 알아내지 못하거나 업데이트 하지 못한 경우, 배터리가 다시 최대 용량까지 충전되도록, 해당 명령이 내려지도록, 배터리가 휴식을 취할 수 있도록 업데이트를 다시 시작해야 한다.

골든 사이클
배터리 팩에 대해 골든-이미지(golden-image) 데이터를 생성하려면, 몇 가지 충전 및 방전 사이클을 실행하여 믿을 수 있는 Qmax 와 저항-테이블(Ra-table) 값을 얻어야 한다. LiFePO4 셀을 사용할 경우, 앞서 설명한 절차 이후의 방전 사이클에서 Qmax를 알아내는 것이 좋다.

골든 사이클의 충전과 방전 사이클 둘 다에서 bq 평가 소프트웨어 툴로 로그 파일(.LOG)을 만들어내야 한다. 이렇게 하면, Qmax a(.LOG) 및 Ra table의 값을 TI의 애플리케이션 스태프가 제공하는 Mathcad® 계산 툴로 검증을 할 수 있다.

골든 가스 게이지(.GG) 파일이 생성되면, 사이클링 데이터에 기반하여 보수적으로 잡은 수를 Qmax 값에 할당해야 한다. 할당된 Ra-table 값 세트는 각각의 셀마다 동일해야 하고, Qmax 값은 병렬 셀에서 동일해야 한다. 연속 사이클링에서 비대칭 Qmax 및 Ra-table 시작 값을 이용하면 SOC 오류와 밸런싱 문제가 일어날 수 있다. 표 2는 2s2p 팩 구성에서 셀 밸런싱을 개선할 수 있는 조정된 골든 .GG 값의 예를 보여주고 있다.

표 2. 학습된 데이터-플래시 파라미터와 골든 .GG 파일에 사용된 파라미터의 비교 사례

골든-이미지 데이터가 생성 중이고 정상 작동 중일 때, 가스 게이지의 충전 타임-아웃 기능, FC-MTO를 반드시 억제해야 한다(0에 설정). 그래야 배터리가 이 타이머를 지우려 방전을 하지 않고 계속 충전될 수 있다. FC-MTO는 TI의 bq20z4x/7x 제품에 숨겨져 있지만, 다행스럽게도 0에 기본 설정되어 있다. 이 기능을 가리켜 TI의 bq20z80에서는 “FC-MTO”라 하고, TI의 bq20z6x/9x에서는 “CMTO”라 한다.

셀 밸런싱
3s 또는 4s 셀의 경우, 배터리 백업 애플리케이션에서는 오로지 내부 셀 밸런싱만 사용해야 한다. 인접 셀들을 외부 셀 밸런싱으로 적절히 균형 맞출 수 없기 때문에 그렇다. 그러나 2s 팩에서는 외부 셀 밸런싱을 사용해도 된다. 백업 배터리는 시간 대부분을 휴식에 쓰고 충전에는 훨씬 적은 시간을 쓰기 때문에, 인접 셀들을 정확하게 균형 맞춰야 한다.2

앞서 말했듯이, 강화된 bq20z45-R1 펌웨어 데이터-플래시 파라미터를 배터리 백업 애플리케이션과 설계자의 특정 팩 성질(본 논문에서는 화학물질 ID 404)에 맞추어 반드시 수정해야 한다. 강화된 펌웨어는 휴식기간 내내 OCV 값을 가중 측정하고, 충전 완료 후 첫 번째 OCV 측정이 나오면 바로 셀 밸런싱 계산을 잠근다. 또한, 이것은 시동 후 또는 리셋 조건 후에 무자격 범위 내에서 셀 밸런싱을 억제한다.

정기적인 방전으로 Ra-table 값을 알아낼 것을 권장한다. 이 값에 대한 업데이트는 방전 중 SOC에서 약 11% 변동이 있을 때마다 일어난다. (89%, 78%, 67% 등).

또한, 가스 게이지의 보유-용량(reserve-capacity) 기능을 이용하면 시간이 지남에 따른 셀 용량의 손실을 측정하여 보정할 수 있다. 용량 손실을 보정할 수 있는 또 다른 방법으로, 호스트 시스템이 그것을 계산하게 하는 방법이 있다. 시스템을 Qmax 업데이트 없이 운전해야 할 경우, 호스트 컨트롤러는 충전 완료 후 IT 이네이블 명령(0x0021)을 내려 Qmax 업데이트가 일어나지 않았는지 확인해야 한다.

강화 펌웨어 없는 오프라인 셀 밸런싱
TI의 bq20z6x/7x/8x/9x 디바이스는 LiFePO4 셀에 강화 펌웨어를 제공하지 않는다. 이러한 디바이스를 스탠드바이(standby) 애플리케이션에 사용하는 경우, 정상 작동 중에 밸런싱을 억제해야 한다. 이것은 최소 셀 편차를 0에 설정하면 된다. 시간이 지나면서 셀이 불균형 하다고 호스트 시스템이 판단할 경우, 다음과 같은 절차를 실행해야 한다.

1. 최소 셀 편차를 1909(또는 참고문헌 2에서처럼 계산된 값)에 설정하여 셀 밸런싱을 활성화해야 한다.

앞서 제시한 이벤트 및 조건과 함께 2단계~6단계까지를 활용하여 유효한 Qmax 업데이트를 달성한다.

2. 배터리를 방전 시켜 비우고, 셀을 5시간 5분 동안 (또는 “Qmax Max Time” 설정을 지나고 5분 동안) 휴식하게 해야 한다. 이러한 휴식이 빈 상태에서 일어나면, 각 셀의 전압 측정에서 좋은 SOC 예측을 할 수 있다.

3. 배터리를 최대까지 충전하여 셀 밸런싱이 충전 사이클 내내 일어나게 해야 한다.

4. 충전이 완료된 후, 호스트 시스템은 IT 이네이블 명령을 전송하고, 셀 전압을 읽고, 또 다른 딥-방전(deep-discharge) 밸런싱 사이클 및 휴식이 필요한지 결정해야 한다.

5. 추가 밸런싱 사이클이 필요할 경우, 비우는 방전을 즉시 시작할 수 있다. 전처럼 비워진 상태에서 5시간 5분이라는 또 다른 휴식 시간이 필요하다.

6. 셀이 제대로 밸런싱 되었다고 판단되면, 최소 셀 편차를 다시 0으로 설정하여 셀 밸런싱을 억제해야 한다.

결론
TI의 임피던스 트랙 배터리 게이지 기술은 배터리 수명 내내 상당한 SOC 정확도를 달성할 수 있는 적응형 게이지 알고리즘이다. 그러나 배터리 백업 애플리케이션에서 최적의 동작을 달성하려면 반드시 고려하여 변경해야 할 것들이 몇 가지 있다. 본 논문은 LiFePO4 셀에서 TI의 강화 bq20z45-R1 펌웨어를 이용해 올바른 셀 밸런싱을 달성하고 가장 정확하고 믿을 만한 Qmax 업데이트를 얻어내는 방법을 논의하였다.

[참고문헌]
1. 키이쓰 제임스 켈러(Keith James Keller), “얕은 방전 애플리케이션에서 LiFePO4 셀의 TI 임피던스 트랙™ 배터리 게이지를 미세 조정하는 방법” 아날로그애플리케이션저널(1Q, 2011). 출처: www.ti.com/slyt402-aaj
2. 사이먼 웬(Simon Wen), “외부 MOSFET을 이용한 고속 셀 밸런싱” 애플리케이션 보고서. 출처: www.ti.com/slua420-aaj
3. “bq20zxx 제품군에서 임피던스 트랙™ 배터리 게이지 알고리즘의 이론과 구현” 애플리케이션 보고서. 출처: www.ti.com/slua364-aa j
4. 키이쓰 제임스 켈러(Keith James Keller), “배터리 백업 스토리지 시스템에서의 배터리 게이지 고려사항” 아날로그애플리케이션저널(1Q, 2010). 출처: www.ti.com/slyt364-aaj

[글_ 키이쓰 제임스 켈러(Keith James Keller), 아날로그 필드 애플리케이션, 텍사스 인스트루먼트]