PXI 기반 자동차 배터리 관리 시스템(BMS) 테스트 솔루션 개발
선진국들부터 "친환경" 생활 형태로의 변화를 추진함에 따라, 자동차 산업에서 전기자동차의 대세는 분명해지고 있습니다. 전기자동차는 배기가스가 없거나 아주 적으며 , 연료비용이 적게 듭니다. 또한, 안전도 보장합니다.
그러나, 자동차 산업 입장에서는 구동 방식, 기술, 테스트 계획 등 새로운 설계로의 전환이 필요합니다. 그리고, 자동차의 전장 부분이 진보함에 따라 새로운 시험과 검증 방법의 연구가 도전 과제가 되고 있습니다.
자동차 산업은 대부분의 하이브리드 및 플러그인 하이브리드에 리튬 이온 배터리의 사용을 채택했습니다. 이 배터리 설계에는 긴 수명과 안전을 제공하기 위해 신중하게 설계된 충전 시스템이 필요합니다. 즉, 전기 자동차에서 해결해야 할 주요 과제 중 하나는 차량을 구동하는데 필요한 고 준위 에너지를 저장하는 배터리 상태를 관리하는 전자 장치인 배터리 관리 시스템(BMS)의 효과적인 테스트입니다.
한 주요업체의 BMS 테스트를 지원하기 위해 DMC Engineering & Software Services와 피커링 인터페이스는 BMS 테스트 솔루션을 PXI 모듈을 기반으로 제공하기 위해 협력해 왔습니다. 이 기사에서는 수행해야 할 몇 가지 테스트와 그 이유에 대해 설명합니다. 또한 PXI가 어떻게 활용되었는지, 그리고 왜 PXI가 복잡한 문제에 대한 완벽한 솔루션이었는지 보여줄 것입니다.
BMS 테스트
리튬 이온 배터리 셀의 제조 공정은 고도의 고유 변동성을 가지므로 보다 진보되고 안정적인 BMS가 필요합니다. BMS는 각 셀의 충전 상태(SOC)를 능동적으로 모니터링하고 균형을 조정하여 모듈 또는 "스택"에서 성능이 떨어지는 셀을 보정해야 합니다. 배터리 스택 설계는 좋은 셀과 좋지 않은 셀의 무한한 조합을 가질 수 있으며 광범위한 환경 조건의 영향을 받습니다. 이러한 조건 영향에 적절히 대응하는 배터리 관리 시스템의 개발 및 인증을 위해 배터리 팩 시뮬레이션이 필요합니다. 또한 생산 시험 환경에서도 배터리 시뮬레이터가 필요할 수 있습니다.따라서 BMS는 하이브리드 전기 자동차 (HEV), 전기 자동차 (EV) 및 플러그인 전기 자동차 (PHEV) 전기 구동 시스템의 중요한 구성 요소입니다. 일반적인 BMS는 배터리 팩 전압 및 전류 모니터링, 개별 셀 전압 측정, 셀 밸런싱 루틴, 팩 충전 상태 계산, 셀 온도 및 상태 모니터링을 비롯하여 전체 팩 안전과 최적의 성능을 보장하는 등 에너지 저장 시스템(ESS)의 모든 기능을 제어합니다.
BMS 모듈 및 관련 서브 모듈은 셀 스택의 전압과 관련 온도, 전류 및 전압 센서의 입력을 읽어야 합니다. 여기에서 BMS는 입력을 처리하고, 팩 성능을 안전하게 제어하기 위한 논리적 결정을 내리고,다양한 아날로그, 디지털 및 통신 출력을 통해 입력 상태 및 작동 상태를 보고해야 합니다.
BMS 시스템을 효과적으로 시험한다는 것은 (1) BMS에 필요한 센서 및 배터리 셀 스택 입력을 정확하게 시뮬레이션하고 (2) BMS 시스템에서 생성된 디지털 및 아날로그 출력을 측정, 수집 및 처리하는 두 가지 주요 기능이 포함됩니다.
BMS 테스트가 중요한 이유
우리는 노트북과 휴대 전화에서 폭발하는 리튬 이온 배터리에 대한 뉴스를 들어왔습니다. 하지만, 리튬 이온 배터리의 장점은 납 황산 배터리의 여섯 배, 니켈 수소 배터리의 세 배의 에너지 밀도를 가지고 있다는 것입니다. 또한, 적절하게 설계되고 유지 관리되는 배터리 스택으로 더 많은 충전/방전 사이클이 가능합니다. 그러나, 유용성 향상을 위하여 더 작은 공간에 더 많은 배터리 팩을 사용하게 되면 안전 문제가 증가할 수 있습니다.
적절히 제어된 배터리 에너지는 전류와 전압의 형태로 전력을 제공합니다. 그러나, 제어되지 않은 배터리 에너지는 독성 물질(즉, 연기), 화재, 고압 사건 (즉, 폭발) 또는 그것들이 조합된 원인으로 인해 위험 상황을 초래할 수 있습니다. 모든 리튬 이온 시스템은 가연성인 전해질을 사용하며 "열 폭주"를 겪는 경향이 있습니다. 이 전해질을 가열하면 자체 가열이 시작되고 화재와 폭발로 진행되는 시작 온도에 도달합니다.
제어되지 않는 배터리 에너지 방출은 찌그러짐, 미세한 구멍 또는 연소와 같은 심각한 물리적 충격으로 인해 발생할 수 있으며, 이는 기계적 안전 시스템 및 적절한 물리적 설계로 방지될 수 있습니다. 그러나 단락된 셀, 비정상적으로 높은 방전율, 과도한 열 축적, 과충전 또는 지속적인 재충전으로 인해 배터리에 문제가 발생할 수도 있습니다. 이러한 문제는 배터리 관리 시스템(BMS)에 의해 완전하게 설계되고 검증된 전자적 안전관리 시스템으로 가장 잘 예방될 수 있습니다.
BMS는 또한 배터리 팩의 정확한 충전 상태를 관리함으로써 사용 가능한 수명을 유지하는데 매우 중요한 역할을 합니다. 사용 가능한 배터리 수명은 너무 많이 충전하거나 너무 많이 방전하면 극적으로 줄어듭니다. 따라서, BMS는 매우 정확한 전하량 추정기능을 포함해야 합니다. 배터리의 충전량을 직접 측정할 수 없기 때문에, 충전 상태는 전압, 온도, 전류 등의 측정 파라미터를 이용하거나 기타 독자기법(제조업체에 따라 다름)으로 계산해야 합니다. BMS는 이러한 측정 및 계산을 담당하는 시스템입니다. 충전 상태를 계산하는 BMS의 정확도를 검증하는 것은 팩 성능과 수명의 보장을 위하여 매우 중요합니다.
배터리 스택 에뮬레이션
리튬 인산 철 음극 및 흑연 양극이 있는 리튬 이온 배터리는 3.2V의 공칭 개방 회로 전압과 3.6V의 일반적인 충전 전압을 갖습니다. 리튬 니켈 망간 코발트(NMC) 산화물 음극 및 흑연 양극이 있는 배터리는 3.7V의 공칭 개방 회로 전압과 4.2V의 일반적인 충전 전압을 갖습니다. 자동차용으로 사용되는 일반적인 배터리 스택에는 350V 이상의 전압을 생성할 수 있는 직렬 96개의 셀이 있습니다. 고전압은 낮은 전압 시스템의 경우보다 더 얇은 전선과 낮은 손실로 에너지를 구동 시스템으로 전송할 수 있도록 하지만, 전자 시스템의 손상을 피하기 위하여 신중한 관리가 필요합니다. 실제 배터리 스택에서 새로운 BMS 시스템을 테스트하고 검증하는 것은 오류의 결과로 인해 심각한 손상이 발생할 수 있으며 테스트 운영자에게도 해를 끼칠 수 있기 때문에 실용적인 해결책이 아닙니다. 테스트를 반복적으로 실행할 수도 없습니다. 신뢰도가 높을 때만 BMS를 실제 배터리 스택에 연결할 수 있습니다. 두 번째 문제는, 실제 배터리 스택 셀로는 BMS가 처리하도록 설계된 조건을 시뮬레이션하기 위해 결함과 특성을 변경할 수 없다는 것입니다. 특히 개발 및 신제품 단계에서 오류를 주입, 시뮬레이션하는 것은 하드웨어 및 펌웨어 설계를 성공적으로 검증하는데 중요합니다.
DMC는 BMS 설계 검증을 위하여 저전력 배터리 스택을 시뮬레이션할 수 있는 배터리 시뮬레이터가 필요했으므로 피커링 인터페이스에 제품을 문의해 왔습니다. 배터리 스택은 각 셀의 출력 전압에 대해 완전히 프로그래밍 가능해야 했으며, 스택은 소싱 전류와 싱킹 전류(충전 상태)를 모두 사용할 수 있어야 했습니다.
설계 과제
피커링 인터페이스는 이미 모바일 애플리케이션용 단일 셀 PXI 기반 배터리 시뮬레이터를 설계한 경험이 있습니다. 그래서, 설계 타당성 조사가 수행되었습니다. 시스템을 컴팩트하고 저렴한 비용으로 만들기 위하여 하나의 모듈에 가능한 많은 채널을 구성하는 것으로 결정하였습니다. 그 결과, 자동차 산업에서 수용 가능한 가격인 컴팩트한 제품을 만들 수 있었습니다.
PXI는 고밀도, 멀티 셀, 배터리 시뮬레이터를 설계하기에 이상적인 플랫폼은 아닙니다. 그렇다고 부정적인 것만은 아닙니다. 불가능한 것은 아니지만, 작은 크기 모듈 안에 성능을 구현하는 것은 일부 제약이 따랐습니다. 그러나, BMS를 테스트하는데 필요한 부수적인 모듈들이 시장에 있었고, 이미 광범위하게 사용되고 있는 PXI 장점이 있었으므로 피커링은 PXI 모듈형으로 배터리 시뮬레이터를 설계, 생산하기로 결정했던 것입니다.
명백히, 최종 제품은 신뢰할 수 있고 컴팩트하며 사용하기에 안전해야 했습니다. 하나의 PXI 섀시는 일반적으로 최대 17개의 PXI 주변 슬롯을 지원할 수 있으므로, 하나의 섀시로 96개의 셀 스택을 구성하기 위해서는 하나의 PXI 슬롯 모듈에6개의 셀 시뮬레이터가 있도록 설계해야 했습니다. 따라서, 16개의 모듈로 96개의 셀 스택을 구성할 수 있게 된 것입니다. 하나의 PXI 모듈 크기에 6개 셀 시뮬레이터를 구성하는 것은 어려운 도전 과제였습니다. 추가적인 어려운 점은 고객의 일정이 촉박했다는 것입니다. 따라서, 대부분의 부품을 주문형 제조가 아닌 시장에서 이미 판매되는 것들을 사용해야 했습니다.
각 셀은 최대 300mA를 공급하고 4.2V를 초과하는 전압을 생성할 수 있어야 했으며, 따라서 섀시 백플레인으로부터 각 슬롯과 시스템 전체에 충분한 전력을 공급하도록 하는 것이 필요했습니다. 또한, 배터리를 시뮬레이션하기 위해서는 빠른 응답 특성이 필요했다는 것도 중요한 개발 과제였습니다.
PXI 백플레인은 5V 전원의 경우 각 모듈에 최대 6A를 공급할 수 있으며, 이는 PXI 백플레인 전원 전압 중 가장 큰 전류 공급 성능입니다. 그러나, 5V로부터의 DC 변환은 상당히 비효율적이므로 설계에서 상당한 손실을 예상해야 했으며, 이러한 손실은 섀시에 열이 발생하게 합니다. 이 문제에 대한 해결책은 주로 +5V 전원 을 셀의 전원으로 사용하면서 +12V 및 -12V 전원으로 보충하는 것이었습니다.
배터리 시뮬레이터의 각 셀은 고정 절연 DC-DC 변환기를 사용하여 절연 전원을 공급하며, 공급된 전원은 고속 작동 선형 레귤레이터에 의해 조정됩니다. 고속 선형 레귤레이터는 불안정한 전압을 출력하지 않고, 지나치게 큰 출력 디커플링 커패시터를 사용하지 않고도 PXI 전원을 이용해서 배터리 전원을 에뮬레이션할 수 있도록 해줍니다.
선형 특성 레귤레이터는 최악의 부하 조건에서 상당한 양의 전력을 흘리는 것이 필요했지만 모듈의 각 셀은 공간에 매우 제약이 있어 레귤레이터의 냉각을 위해 사용할 수 있는 방열판의 양이 제한되었습니다. 이 문제에 대한 해결책은 고온을 견딜 수 있고, 내장된 열 보호 기능을 갖추고 있으며, 냉각을 위해 PCB 구리 표면을 사용하는 자동차용으로 사용하도록 특별히 설계된 레귤레이터를 사용하는 것이었습니다. PXI 섀시의 효율적인 냉각 시스템은 이러한 구리 영역의 방열이 잘되도록 설계되어 있으며, 이는 PXI 표준 규격의 하나로서, 특히 액티브 디바이스가 PXI 모듈에 사용되는 유형의 애플리케이션에 매우 적합합니다.
안전과 절연은 또 하나의 중요한 설계 과제였습니다. 배터리 스택에서 96개의 셀이 직렬로 연결되며, 각 셀이 공칭 4.2V 출력 전압으로 설정되면 결과적으로 위험한 수준의 출력 전압이 됩니다. 절연 정도는 각 셀 공통 전압의 최대 두 배 이상 견딜 수 있도록 설계되어야 했으며, 배터리 셀 전원을 프로그래밍으로 제어할 수 있어야 했습니다. 제안 설계 방안은 PXI 백플레인으로부터 제어되는 디지털 절연기의 사용이었으며, 직렬연결 출력전원 모두를 하나의 신호로 중지하거나 사용자가 PXI 모듈 전면에서 케이블을 분리하면 해당 모듈 또는 시스템의 모든 모듈의 출력이 자동으로 중지되도록 하는 안전 인터록 시스템(safety interlock)이었습니다.
BMS는 또한 셀 충전을 시뮬레이션해야 했습니다. 단순 전원 공급 장치는 단방향이어서 전류를 소싱하거나 싱크, 둘 중 하나만 합니다. BMS는 두 가지 모두를 수행할 수 있어야 했지만 필요한 싱크 전류는 소스 전류보다 훨씬 적을 수 있습니다. 이 문제는 전원 공급기와 프로그램 가능 전류 부하를 통합함으로써 해결되었습니다. 즉, BMS가 전류 부하를 충전하고 있을 때 전원공급기는 여전히 전류를 공급하도록 하는 것입니다.
이러한 모든 과제와 솔루션을 평가하고 피커링 인터페이스에서 DMC에 공급할 새로운 6채널 배터리 시뮬레이터에 대한 제안이 작성되었습니다. 디자인 수정에 대한 아이디어와 예상 성능을 명확히 하기 위한 질문을 교환한 후 전체 배터리 스택 에뮬레이터에 대한 주문이 이루어졌습니다.
테스트 시스템을 위한 피커링의 설계와 구현
피커링 인터페이스는 설계와 제작을 빠르게 진행하여 모델 41-752 PXI 배터리 시뮬레이터 모듈을 탄생시켰습니다. 문제는 단순히 하드웨어 설계에만 국한되지 않았다는 것입니다. 41-752를 테스트하고 사용하기 위하여 하드웨어 설계팀과 병렬로 작업하는 소프트웨어 개발팀은 모듈의 하드웨어를 테스트할 수 있는 첫번째 소프트웨어와 사용자가 각 모듈에 있는 개별 셀을 제어할 수 있는 수동 소프트 전면 패널을 포함하는 두번째 소프트웨어를 개발하였습니다.
이 모듈이 만족스러운 성능을 갖는 것으로 판명됨으로써 나머지 모듈들도 제작되어 DMC로 배송되었습니다. DMC는 시스템을 최종 사용자에게 공급하기 위하여 테스트 시스템에 모듈을 통합하였습니다. 약간의 설계 변경과 성공적인 시험 후, DMC는 모듈의 납품을 수락하고 모델 41-752가 시장에 출시되었습니다.
이러한 어플리케이션을 PXI 플랫폼으로 설계하는데 많은 어려움이 있었지만, PXI 플랫폼이기 때문에 가능한 설계 유연성과 신속성으로 짧은 기간 내에 완성이 가능했습니다. 이미 존재하는 백플레인 전원 공급 장치가 있는 섀시, PCI 제어 인터페이스, PC 기반 소프트웨어 등으로 인하여 빠른 진행 속도로 설계를 진행할 수 있었습니다. 41-752의 경우, 주문 시점부터 첫 번째 모듈의 공급까지 8주밖에 걸리지 않았으며, 이는 다른 하드웨어 플랫폼에서는 불가능했을 과제였습니다.
41-752는 현재 판매되고 있으며 최대, 최대 7V의 전압과300mA의 전류를 공급하는 6 채널의 배터리 시뮬레이터입니다. 750V의 높은 절연으로 많은 셀을 D 타입 커넥터를 이용 직렬로 연결할 수 있습니다. 유연한 안전 인터록 시스템을 이용하여 안전한 시스템 사용이 가능합니다. 피커링 40-923A PXI 섀시는 최대 18개의 모듈로 108셀 배터리 스택을 시뮬레이션할 수 있는 전력을 제공합니다.
PXI 배터리 시뮬레이터(모델 41-752)의 기능 블록도
PXI 섀시(모델 40-923)에 설치된 16개 배터리 시뮬레이터 모듈
추가 테스트를 위한 PXI 모듈
시스템에는 배터리 시뮬레이터 외에도 온도 센서 시뮬레이터, 아날로그 및 디지털 I/O, 배터리 스택 출력 고전압 스위칭, CAN 포트를 통한 BMS와의 통신 PXI 모듈 등이 있었습니다. 이 시스템은 두 개의 PXI 섀시와 일부 외부 회로로 구성되었습니다. 전체 시스템은 1.5 미터 깊이의 랙에 장착되고 고객의 기대를 충족시키는 소형 장치였습니다.
