#35. BMS 셀 전압 센싱 및 밸런싱 회로

BMS는 배터리를 관리하는 장치로써 임무를 수행하기 위해 가장 먼저 선행되어야 할 중요한 역할은 배터리 셀의 전압과 전류, 온도 정보를 모니터링하는 것입니다. 이번 포스팅에서는 그 중 전압을 모니터링하는 방법에 대해 구체적으로 기술해보려고 합니다. 그리고 추가로 셀 간 전압 차이가 발생할 경우 충방전 시 문제가 생길 수 있기 때문에 셀 밸런싱을 수행하는 방법에 대해서도 설명해 보겠습니다.

 

BMS에 대한 이해가 필요하신 분은 아래 포스팅을 먼저 참고하시는게 좋습니다.

2024.09.08 - [배터리 시스템] - #34. BMS(Batter Management System)란?

#34. BMS(Batter Management System)란?

 

일반적으로 BMIC(Battery Management IC) 또는 CMIC(Cell Monitoring IC)라고 부르는 IC 칩을 사용하여 전압 정보를 모니터링 합니다. 여기서는 BMIC로 통칭하여 부르도록 하겠습니다. BMIC를 개발하는 제조사는 ADI, TI, NXP, Renesas 등 다양하지만 ADI와 TI가 이 분야에서는 소위 말하는 잘나가는 업체입니다. ADI에서 생산하는 대표적인 BMIC로 MAX17854, ADBMS68XX series 등이 있고, TI의 대표적인 BMIC로 BQ76XXX, BQ796XX Series 등이 있습니다.

 

BMIC의 내부는 일반적으로 셀 전압을 센싱하기 위한 ADC와 셀간 밸런싱을 위한 Switch용 MOSFET, 그리고 전원부 회로와 통신부 회로, NTC 측정용 GPIO로 구성됩니다. 셀 전압을 측정하려면 셀 개수만큼의 ADC가 필요하기 때문에 MUX를 사용하여 순차적으로 셀전압을 측정하는 방법을 취함으로써 다수의 ADC를 줄이기도 합니다. 간략한 블록도를 그려보면 그림 1과 같이 표현할 수 있습니다. 

 

[그림 1. BMIC 블록도]

 

BMIC는 온도 정보 또한 모니터링을 하고, 센싱한 정보를 외부 제어기와 통신하는 역할도 수행하지만 가장 중요한 두 가지 기능은 셀전압을 센싱(모니터링)하고, 셀 전압간 밸런싱을 수행하는 것입니다. 따라서, 그림 1에서 회색 박스로 표현한 셀 전압 센싱 및 밸런싱 회로를 적절하게 구성하는 것이 가장 중요합니다. 셀 전압 센싱 및 밸런싱 회로는 거의 정형화 되어 있으며, 아래 그림 2와 같이 구성할 수 있습니다.

 

[그림 2. 셀 전압 센싱부 회로 및 셀 밸런싱 회로]

 

배터리 셀은 셀 전압 센싱부 및 셀 밸런싱 회로와 커넥터를 통해 연결됩니다. 그림 2와 같이 회로부의 가장 앞단에 셀 라인과 GND 사이를 Y-cap(C_Y1~C_Y8)을 연결하여 커넥터로부터 유입되는 ESD 성분을 차단하고, 다음 RC Low Pass Filter (LPF)를 연결하여 BMIC의 VCx pin으로 유입되는 Noise 성분을 제거합니다. 그리고 Y-cap이 연결된 노드는 Vx(V₁~V₈)로 분기하여 셀 밸런싱 저항 R_BX과 X-cap(C_BX)으로 연결된 후 BMIC의 CBx Pin으로 연결됩니다. X-cap은 차동 Noise 성분을 제거하기도 하지만 각 셀 라인의 공통 Noise 성분을 동일하게 만들어 BMIC의 차동 ADC에서 제거되도록 작용하기에 굉장히 중요한 커패시터 입니다. 

 

이렇게 차동모도와 공통모드 Noise가 제거된 DC 성분의 전압을 BMIC의 VCx Pin으로 전달함으로써 정밀한 셀 전압을 측정 할 수 있습니다. 그림 1의 MUX를 사용하여 측정하고자 하는 셀의 '+', '-' 라인을 선택하여 ADC를 통해 Data를 획득하는 과정을 거칩니다. 결국 VC₁-VC₀, VC₂-VC₁, ..., VC₈-VC₇의 셀 전압 값을 순차적, 주기적으로 획득하게 됩니다. 각 셀 전압을 4V라고 가정하고, 셀 전압을 획득하는 과정을 좀 더 상세하게 표현하면 그림 3과 같습니다.

 

[그림 3. 셀 전압 획득 과정]

 

 

그림 3에서 Cell5의 전압 값을 획득하는 과정을 표현하였습니다. 먼저 MUX를 통해 VC₅ 라인과 VC₄ 라인이 선택되고 VC₅=20V, VC₄=16V 이므로 ADC를 통해 차동 값을 구하면 4V를 획득할 수 있습니다. 물론, 데이터 값은 Bit의 형태로 메모리에 저장될 겁니다. 이런 메커니즘으로 셀 1번 부터 셀 8번까지의 셀 전압 값을 획득할 수 있습니다.

 

다음 셀 밸런싱 회로에 대해 살펴 보겠습니다. 셀 간의 전압 차이가 발생할 경우 충전 시에는 가장 높은 셀을 기준으로 충전이 완료되고 방전 시에는 가장 낮은 셀을 기준으로 방전이 완료되기 때문에 주행거리 측면에서 손해를 보게됩니다. 따라서, 셀 간 전압을 맞추는 작업이 필요합니다. 즉, 전압 값이 높은 셀의 전류를 강제로 흘려 가장 낮은 셀 전압 값과 맞추든지 낮은 셀 전압을 충전하여 가장 높은 셀 전압 값과 맞추는 작업을 해야합니다. 전자를 패시브 밸런싱, 후자를 액티브 밸런싱이라는 명칭으로 부르는데 액티브 밸런싱의 경우 신뢰성이 확보되지 않아 아직까지는 패시브 밸런싱 방식을 주로 사용합니다.

 

패시브 밸런싱을 하기 위해 BMIC는 내부 Switch용 MOSFET을 활용하여 셀 간 라인을 연결하고, 밸런싱 저항을 통해 전류를 소모합니다. 밸런싱 저항 값을 설정하여 밸런싱 동작 수행 시 얼마만큼의 전류를 소모할지 결정할 수 있습니다. 그림 4에서 밸런싱을 하는 과정을 좀 더 상세하게 알아 봅시다.

 

[그림 4. 셀 밸런싱 과정]

 

그림 4의 Cell Balance Control부에서 MOSFET의 ON/OFF를 제어합니다. 8번 셀(Cell8)의 전압 값이 유독 높아서 8번 셀만 밸런싱을 수행한다고 가정할 경우 8번 MOSFET(M₈)의 Gate에 High를 인가하여 MOSFET을 ON 시킵니다. 그러면 Cell8의 '+'노드에서 밸런싱 저항 R_B8과 MOSFET의 ON 저항, 그리고 또 다른 밸런싱 저항 R_B7을 통과하여 Cell8의 '-'노드로 패스가 형성되면서 전류를 소모시킵니다. 이런 식으로 전하량을 소모하여 Cell8의 전압을 낮추게 됩니다. 밸런싱 작업은 위 그림 4에서 설명드린대로 하나의 셀만 수행할 수도 있고, 짝수 셀 또는 홀수 셀만 수행할 수도 있습니다. BMIC에서 제공하는 기능에 따라 달라지는 부분입니다.

 

여기까지 셀 전압 센싱 회로와 셀 밸런싱 회로, 그리고 각 임무를 수행하는 과정에 대해 알아 보았습니다. BMS에 관심이 있는 초보자 분들에게 많은 도움이 되었기를 바랍니다.