리니어, 고효율 양방향 멀티셀 액티브 밸런싱 IC 출시

리니어 테크놀로지는 EV 및 HEV 등에 탑재되는 대용량 리튬이온 배터리 팩의 가용 용량과 수명을 개선하는 액티브 방식의 셀 밸런싱 기능을 집적한 고효율 양방향 멀티셀 배터리 밸런서(LTC3300-1)를 발표했다. LTC3300-1은 멀티셀 배터리 스택에서 트랜스포머 기반 양방향 액티브 셀 밸런싱 동작을 위한 오류 보호형 컨트롤러 IC이다.

“LTC3300-1은 개발 기간이 3년이나 걸린 우수한 IC로, 개발에 많은 노력을 기울였으며 BMS 모니터링 IC와 병렬로 사용해 배터리 팩의 성능을 향상시킵니다.”
리니어 테크놀로지 코리아의 노일 이사는 대용량 리튬이온 및 리튬인산철(LiFePO4) 배터리를 위한 고성능 배터리 관리 시스템(BMS)의 핵심 부품인 LTC3300-1을 소개하는 자리에서 이같이 말했다.
LTC3300-1은 EV/HEV의 배터리 팩을 구성하는 셀 간에 용량의 편차가 있는 경우 셀의 충전 상태(State of Charge, SOC)를 균일화하기 위해, 인접한 셀과 셀 사이에서 전류를 교환하는 액티브 방식의 셀 밸런싱 기능을 갖추고 있다.
배터리 평형 불일치는 배터리 팩을 이루는 각기 개별 셀의 충전 상태가 일치하지 않아 대형 리튬 배터리 팩에서 중대한 문제가 되고 있다. 이와 같이 충전 상태가 불일치하는 것은 제조 프로세스 상의 변동성, 동작 조건, 배터리 노후화 등에 의해 발생한다. 평형 불일치는 배터리 팩의 총 용량을 감소시키고 배터리 팩을 손상시킬 수 있다. 또한 배터리가 충전 상태에서 방전 상태로 전환하는 것을 방해하며 이를 면밀히 모니터링하지 않으면 배터리가 과충전 되거나 과방전됨으로써 셀을 영구적으로 손상시킬 수 있다. 따라서 배터리 팩의 수명이 다할 때까지 높은 배터리 용량을 유지하기 위해서는 대형 배터리 팩을 구축할 때 배터리 모니터링과 배터리 밸런싱이 중요하다.
기존의 패시브 셀 밸런싱은 용량이 작은 셀이 완충된 후에도 용량이 큰 나머지 셀이 완충될 때까지 충전을 계속 할 수 있도록 용량이 작은 셀의 충전 전류를 저항을 통해 열로 버리는 방식이다. 또한 배터리 팩에서 부하 회로에 전력을 공급하는 방전 시에는 먼저 방전을 끝낸 용량이 작은 셀이 과방전되지 않도록 용량이 큰 셀에 전력이 아직 남아있는 상태로 방전을 정지하도록 제어한다. 즉, 패시브 방식은 배터리 팩의 충전 효율과 가용 용량은 용량이 작은 셀을 기준으로 정해진다.
이에 반해, 액티브 셀 밸런싱은 패시브 방식에서 열로 버려졌던 용량이 작은 셀의 충전 전류를 완충되지 않은 나머지 셀을 충전하는 데 사용할 수 있다. 방전 시에도 용량이 작은 셀에 다른 셀에서 전력을 옮길 수 있으므로 배터리 팩 전체로 봤을 때 어느 정도의 전력이 셀에 남게 되는 패시브 방식과 달리 전력을 다 사용할 수 있다. 즉, 패시브 방식 대신에 액티브 방식을 이용하면, 배터리 팩의 가용 용량을 높일 수 있게 되는 셈이다. 단, 패시브 방식의 셀 밸런싱은 리니어 테크놀로지를 비롯해 각 사에서 판매하고 있는 대용량 이차전지 전압을 모니터링하는 배터리 모니터닝 IC의 한 기능으로서 내장돼 있기 때문에 구현이 용이하다. 반면, 액티브 셀 밸런싱은 LTC3300-1과 같은 전용 IC 외에도 외부 부품으로 커패시터나 트랜스포머가 필요해 구현이 어렵다는 이유로 그간 큰 진적이 없었다.

양방향 동기식 플라이백 사용
한 개의 LTC3300-1은 직렬로 연결된 최대 6개의 리튬이온 셀(리튬인산철 포함)의 셀 밸런싱을 지원한다. 셀 밸런싱을 위해 이뤄지는 전류 교환은 LTC3300-1에 연결된 리튬이온 셀 사이에서 뿐 아니라, 다른 LTC3300-1에 연결된 리튬이온 셀과도 가능하다. 전류 교환 시의 전하 전송 효율은 최대 92%이다.
셀 밸런싱에 사용하는 전류의 입출력 회로는 2권선 트랜스포머나 FET 등의 외부 부품을 사용한 양방향 동기식 플라이백 토폴로지로 실현한다. LTC3300-1은 이 회로의 오동작 보호 기능 제어 IC로 동작한다. 셀 밸런싱에 사용하는 전류의 입출력 값은 외부 부품을 사용하면 최대 10A까지 설정이 가능하다.
고유 레벨 시프트 SPI(Serial Peripheral Interface) 호환형 시리얼 인터페이스를 사용하면, 절연 소자(광커플러나 아이솔레이터)를 사용하지 않고 여러 개의 LTC3300-1을 연결할 수 있으며, 각 LTC3300-1에 연결된 셀에 액티브 셀 밸런싱을 적용할 수 있다. 예를 들어, 다수의 셀을 직렬 연결하여 출력 전압이 1000V 이상에 도달하는 경우에도 액티브 셀 밸런싱에 의한 충전 상태의 최적화가 가능하다.