직렬 접속된 12V 납축전지 4개에 필요한 정확한 SOC 게이지를 실현시키는 방법, 전기 스쿠터 및 이와 유사한 차량의 정상 에너지 저장시스템, 전기 스쿠터 시장의 필연적 요건인 BoM 예산을 가장 낮게 유지시키는 방법에 대하여 기술한다.

전기 스쿠터는 중국에서 가장 많이 제작되고 사용된다. 여기서 주목할 부분은 저비용이다. 오늘날의 대부분 전기 스쿠터는 가장 기본적인 특성만을 제공한다(그림 1 참조). 특히, 스쿠터에는 연료 게이지, 즉 충전상태(State of Charge, SOC) 계기가 없기 때문에 전압계 다이얼만이 배터리 측정값을 운전자에게 알리는 유일한 수단이다.

이 배터리 전압은 SOC에 대해 매우 부정확한 정보를 제공한다. 납축전지의 전압은 완전 방전상태에 가까워져 급격히 하강하기 전, 대부분의 방전 사이클을 통해 전압을 일정하게 유지시키려는 경향이 있다. 이것은 배터리가 고갈되려고 한다는 사실을 운전자에게 경고할 수 없을 뿐 아니라, 배터리가 부분적으로 방전된 경우에 그것을 완전히 재충전하는데 얼마나 많은 에너지(따라서 시간)가 필요한지를 표시할 수 없음을 의미한다.

스쿠터 운전자가 배터리 SOC의 정확하고 정밀한 측정값을 알 수 있다면 매우 편리할 것이다. 완전 충전된 배터리의 평균 주행거리(킬로미터 단위)를 쉽게 알 수 있고, 또 남아있는 배터리 충전량이 백분율 눈금으로 표시된다면 운전자는 남아있는 거리를 추정할 수 있을 것이다.

이 글에서는 직렬 접속된 12 V 납축전지 4개에 필요한 정확한 SOC 게이지를 실현시키는 방법, 전기 스쿠터 및 이와 유사한 차량의 정상 에너지 저장시스템, 전기 스쿠터 시장의 필연적 요건인 BoM(재료 명세서) 예산을 가장 낮게 유지시키는 방법에 대하여 기술한다. 레퍼런스 디자인 및 데모 보드로 이용할 수 있으므로, 이 배터리 센서 솔루션은 전자 제조업체가 쉽게 입수할 수 있는 표준 부품을 사용한다.

SOC 게이지의 기본 구조

SOC 게이지 시스템(그림 3 참조)은 저(低) 노이즈와 정밀도가 강화돼 폭넓은 동적 범위에 적용시킨 ams의 센서 인터페이스 IC AS8510을 기반으로 설계됐다. 전류, 전압 및 온도 신호는 AS8510에서 증폭되고 디지털화 되는데, AS8510은 단순한 8-bit 마이크로컨트롤러(MCU)의 시리얼 디지털 인터페이스 역할을 한다. MCU는 센서 인터페이스의 입력량을 사용해 SOC 값을 계산한다. 이 값은 설계자가 이용할 수 있는 BoM 예산에 따라 디스플레이의 정교함이 달라져 운전자에게 다양한 방법으로 보이게 할 수 있다.



전류, 전압 및 온도 측정의 고정밀도 달성

AS8510 센서 인터페이스는 배터리 전압, 배터리 전류, 대부분의 배터리 음극 및 배터리를 출입하는 전하(電荷)의 개별 값과 총 값을 측정한다. 또한 이 센서 인터페이스는 동적 부하(dynamic load)에 연결될 때 변하는 전류 및 전압 값의 동기 획득(synchronous acquisition) 통해서 배터리의 직렬 저항을 계산할 수 있다.

전류는 통전용량(current-carrying capability)이 큰 100 μΩ의 션트(shunt)를 통해서 측정한다. AS8510의 탁월한 아날로그 특성은 실제로 잔류편차(offset)가 없고 본질적으로 노이즈가 적은 선형 값을 출력한다. 이것은 시스템이 ±2.5 mA ~ ±1.500 A에 이르는 전류 전체 범위에서 정확한 측정을 할 수 있다는 것을 말한다. ±2.5 mA ~ ±1.500 A 범위는 이 글에서 다루는 애플리케이션의 용도에 따라 사용할 수 있도록 충분히 넓은 동적 범위에 해당한다.

AS8510 디바이스는 독립형 16비트 데이터 수집 채널 2개를 제공한다. 2개의 채널은 션트 전류와 배터리 전압에 대한 동기식 포착을 위해 동일한 내부 정밀 RC 오실레이터로 클록된다. 전압 채널은 차동(差動) 입력 전압 측정 간 변경할 수 있는 내장형 다중변환장치(멀티플렉서), 외부온도 측정용 단일 종단 입력장치 2개, 내부 온도센서 1개를 갖추고 있다. 이외에도, 내부 전류 소스는 외장 온도 센서를 구동할 수 있도록 프로그램될 수 있다.

전류측정 회로는 션트로 구성되어 있다. 션트는 선택형 로우패스(low-pass) 필터를 통해 측정신호를 센서 인터페이스에 제공한 다음, 이득률(gain factor) 25로 신호를 증폭시킨다.

이 애플리케이션의 요건 중 하나는 4개 배터리 각각의 전압을 개별적으로 측정하는 것이다. 레퍼런스 디자인에서 전압측정 경로는 직렬로 연결된 43개 배터리와 온도 채널 사이에서 멀티플렉스된다. 4개의 정밀 전압 디바이더를 통해서 달성된다. 전압 디바이더는 마이크로컨트롤러로 제어되는 개별적인 FET 스위치를 통해 액세스된다.

센서는 1 ms의 샘플 속도로 배터리 전류를 측정하고, 공칭 12 V, 24 V, 36 V 및 48 V의 전압 탭 4개 역시 1 ms의 간격으로 연속 측정하는데, 각 전압 샘플은 전류 샘플과 동기화되어 있다. 그 전지 가운데 어느 것의 전압이라도 그것의 정상 범위보다 낮다는 것이 확인되면 경고신호가 출력된다.

보드(board)의 나머지 부분(그림 3에 표시)은 다음과 같은 요소로 구성돼 있다:

· 입력 보호회로는 전원 라인에 높은 에너지 펄스를 억제시키기 위해 2개의 다이오드와 커패시터로 구성돼 있다

· 센서 전원공급장치 : AS1360 선형 레귤레이터는 12V 전원에서 전력을 공급받는다. 전기 스쿠터는 12V 부하에 전력을 공급할 수 있는 DC-DC 컨버터를 갖추게 될 것이다.

· 동작 상태를 신호로 알리는 LED 표시기

· 마이크로컨트롤러의 프로그램 인터페이스와 디스플레이 장치를 위한 접속

센서의 동작 전류는 대체로 8 mA인데, 대기전류 모니터링 모드에서는 이것이 매우 작은 값인 100 μA로 하강한다.

위에서 보는 것처럼, 아날로그 프런트엔드는 4개의 배터리 모두에 대한 정밀한 전압, 전류, 온도를 측정할 수 있는 매우 통합적인 기법을 제공한다. 그러나 유용한 SOC 표시눈금을 운전자에게 제시하기 전에 이들 신호를 먼저 처리해야 한다.

이 과정을 달성하기 위해 ams는 2세트의 펌웨어를 개발했다.

데이터 기록(logging) 펌웨어

시험용 스쿠터에 사용되는 배터리의 데이터시트, 평가자료가 없는 경우를 대비해 주행 테스트 기간 동안 배터리의 성능을 평가할 수 있는 데이터 측정 방법이 고안됐다. 특히, 배터리가 완전히 충전되었거나 완전히 방전되었을 때를 표시하는 파라미터를 확정했다.

테스트 방법은 SPI 인터페이스를 통해서 표준 SD메모리카드에 직접 접속하는, 위에서 기술한 센서 회로를 사용하는 것이다. 펌웨어가 SD카드의 FAT 디렉터리 시스템에 접근해 .csv 형식의 로그 파일에 그것을 직접 기록한다.

이 접근법은 간단하다. 개발자는 기록기(logger)에서 SD카드를 빼서 PC에 삽입한 후, Matlab이나 Excel을 사용해 그 데이터를 분석한다. 주행 테스트에서 확보한 데이터의 사례가 그림 4에 표시되어 있는데, 이것으로 개발자는 실제 환경에서의 배터리 동작 방식과 측정 알고리즘으로 생성된 SOC 표시눈금을 일치시킬 수 있다.

SOC 게이지 디스플레이 펌웨어

배터리의 성능 데이터를 입수하면, SOC를 계산하는 간단한 알고리즘을 실현시킬 수 있다. 테스트를 통해서 셀의 OCV(개방회로 전압)는 최대로 충전되었을 때는 약 13.1 V, 완전히 방전되었을 때는 12 V라는 것을 알게 됐다.

알고리즘은 무(無)-부하 조건이 적어도 15분간(배터리 유형의 대표적인 복구 시간이다) 지속된 때를 탐지한다. 그것이 OCV를 등록할 수 있으면, 다음에 그것은 가장 낮은 전압(이것이 가장 먼저 완전히 방전될 가능성이 가장 높기 때문)을 이용해 그 셀의 SOC 값을 선형 보간법(linear interpolation)으로 계산한다. 이 보간 값은 도로 테스트 코스 중에 획득한 전압 데이터를 통해서 알 수 있다.

전류가 배터리 속으로 흘러들어가거나 흘러나오기를 시작하는 즉시, 알고리즘은 전하집적(쿠롬 카운팅) 측정방법으로 전환된다. AS8510의 고도로 정밀한 원점-오프셋 구조로부터 이익을 얻는 시스템은 배터리 속으로 이동된 전하와 밖으로 나온 전하의 모든 측정값을 적분하여 총 에너지 소모량을 표시한다. 배터리의 모든 에너지양을 알기 때문에(초기 OCV 측정값으로) 다른 또 하나의 OCV 이벤트가 발생할 때까지 계속 SOC 값을 추산할 수 있다.

이 레퍼런스 디자인에 적용할 목적으로 개발된 알고리즘은 극히 초보적이다. 좀 더 복잡한 알고리즘이라면 배터리의 노화(납축전지의 에너지 용량은 충전/방전 사이클 회수의 증가에 따라 감소한다)와 온도를 추가로 보정할 수 있을 것이다.

그러나 이 해법은 ±5 %(이 애플리케이션에는 완벽하게 충분한 성능) 보다 더 효과적인 정확도를 달성할 수 있다는 것이 도로 테스트로 입증됐다.

유용하게 이용하기 위해서는 이 정확한 SOC 추정 값을 리더기에 디스플레이 해야 한다. 이 레퍼런스 디자인에는 상이한 두 가지 디스플레이 기법이 사용됐다. 매우 저렴하지만 유용한 옵션은 간단한 LED 스트라이프(stripe) 디스플레이다. 이것은 AS1110 16-채널 LED 드라이버 IC를 사용해 적색, 주황색 및 초록색 LED 스트링으로 동작시키는 것이다. LED는 막대그래프의 형식으로 배터리의 SOC를 표시하는데, 각 LED는 배터리의 총 충전량의 6 % 부분을 표시한다. 디스플레이는 확장 포트를 통해서 센서 유닛에 직접 접속되고 동기식 시리얼 인터페이스를 통해서 액세스 된다.

광학적으로 좀 더 만족스러운 디스플레이가 될 수 있음을 증명하기 위해 ams는 일렉트로닉 어셈블리(그림 5 참조)의 천연색 그래픽 LCD 패널로 구동할 수 있는 코드도 구현했다. 이 디스플레이는 전통적인 연료 게이지로서 SOC 뿐만 아니라 각 셀의 전압 및 배터리로 흘러들어가고 흘러나오는 전류도 표시한다. 이 같은 기능을 통해 운전자에게 유용한 정보가 제공된다.

결론

대체로 전기 스쿠터에 사용한 것과 같은 AGM(흡착유리 매트) 배터리의 경우, 그 계산이 고도로 정확한 전류 및 전압 값을 기반으로 한 것이라면, OCV와 전류적분 값을 기초로 효과적인 SOC 계산을 할 수 있다는 것을 이번 설계를 통해 알 수 있다. 이 설계 기법은 고집적 AS8510 센서 인터페이스를 사용함에 따라 비교적 소수의 저비용 부품들이 사용되기 때문에, 저비용을 추구하는 전기 스쿠터 시장의 요건을 만족한다. 위에서 기술한 간단한 LED 막대그래프 디스플레이를 포함할 경우, 이 레퍼런스 디자인의 BoM 부품에 대한 합리적인 가격은 대량 생산 시 대략 3유로()로 추정할 수 있다.

이 글에서 설명한 펌웨어는 ams에 요청해 이용할 수 있으며, 어셈블리 데모 보드도 이용할 수 있다.