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리튬이온 배터리 포메이션 테스트 용으로 정확도 높은 충전 및 방전 전류 제어


리튬이온 배터리에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 이것은 전기차, 개인 전자기기, 전력망 시스템의 사용이 늘고 있기 때문이다. 이러한 추세에 맞춰서 고도로 정확도 높은 배터리 포메이션 테스트가 요구되고 있다.

배터리 포메이션 테스트를 하기 위해서는 반복적인 충전 및 방전 사이클을 필요로 한다. 배터리 수명과 저장 용량을 극대화하기 위해서는 이 테스트를 하면서 높은 정확도가 요구된다. 모든 사이클로 배터리 전류와 전압을 정확하게 제어해야 한다. 많은 업체들이 0.05% 이내의 풀스케일 제어 정확도를 요구한다. 배터리 전류 요구량이 높아짐에 따라서 이러한 높은 정확도를 달성하기가 점점 더 까다로워지고 있다.

TI의 고전류 애플리케이션 용의 배터리 테스터 레퍼런스 디자인은 정전류(CC) 및 정전압(CV) 캘리브레이션 루프를 사용해서 0.01%의 풀스케일 충전 및 방전 전류 제어 정확도를 달성한다. 최대 50A의 충전 및 방전 전류를 지원하며, 더 높은 전류나 다중 위상을 필요로 하는 애플리케이션은 그에 맞게 수정을 할 수 있다. 예를 들어서 자동차용 배터리의 전류 요구량이 매우 빠르게 증가함으로써 50A 이상까지도 필요로 할 수 있다.

그림 1은 이 레퍼런스 디자인을 보여준다. LM5170-Q1은 배터리로 들어오고 나가는 전류를 레귤레이트한다. INA188은 CC 제어 루프를 구현하고 모니터링한다. 그리고 이 전류는 어느 방향으로든 흐를 수 있기 때문에 SN74LV4053A 다중화기가 INA188의 입력을 그에 맞게 적절히 제어한다. 검출된 전류를 DAC80004 디지털-아날로그 컨버터(DAC)에 의해서 생성된 정밀 레퍼런스와 비교하고, 이 두 신호 모두를 TLV07을 사용해서 구현된 오차 증폭기(EA)로 전달한다. 오차 증폭기의 출력은 다시 LM5170의 ISETA 아날로그 전류 프로그래밍 핀으로 전달된다. LM5170은 전류 검출 저항을 거쳐서 전류 레퍼런스 신호로 흐르는 전류를 레귤레이트한다.


그림 1: 배터리 테스터 레퍼런스 디자인의 블록 다이어그램

CV 제어 루프도 마찬가지로 작동한다. ADS131A04(24비트, 128kSPS, 4채널 동시 샘플링 델타-시그마 아날로그-디지털 컨버터)가 배터리 전압과 전류를 모니터링하고, DAC80004가 CV 제어 루프 용으로 고도로 정확한 전압 레퍼런스를 설정한다. ADC가 배터리의 전압과 전류를 모니터링하고 배터리의 상태를 확인할 수 있는 간단한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 제공한다. DAC 또한 각기 다른 애플리케이션에 따라서 레퍼런스 신호를 설정할 수 있는 GUI를 제공한다.

온도 드리프트, 전압 드리프트, 오프셋 전압 같은 다양한 요인들이 시스템 정확도에 영향을 미친다. 이 배터리 테스터 레퍼런스 디자인은 3지점 캘리브레이션을 사용해서 다양한 오차 요인들을 반영하고 있다. 그림 2는 넓은 전류 범위에 걸쳐서 풀스케일 정확도를 보여준다. 이 시스템은 배터리를 충전할 때는 벅 모드로 동작하고 방전할 때는 부스트 모드로 동작한다.


그림 2: 전류 제어 정확도

파워온을 하면 낮은 배터리 전압 때문에 CV 제어 루프가 배터리로 높은 전압을 출력한다. 이 출력 신호에 의해서 CC 루프가 먼저 시스템 제어를 장악한다. 배터리 전압이 점차 상승해서 레퍼런스 전압 레벨에 도달하면 시스템이 CC 제어에서 CV 제어로 전환한다.

그림 3은 벅 모드로 동작할 때 이 시스템의 전압 제어 정확도를 보여준다.


그림 3: 벅 모드로 전압 제어 정확도

그림 4는 동일한 전압 설정으로 각기 다른 전류 조건으로 전이 곡선을 보여준다. 그림 4에서는 각기 다른 조건으로 전이 지점이 다르다는 것을 알 수 있다. 이것은 설정 전류에 따라서 전력 전달 경로 상의 전압 강하가 증가하기 때문이다. 그림 5는 동일한 전류 설정으로 각기 다른 전압 조건일 때 전이 곡선을 보여준다. 두 곡선 모두 CC에서 CV로 매끄럽게 전환한다는 것을 알 수 있다. 이것은 제어 시스템이 안정적이라는 것을 보여준다.


그림 4: 각기 다른 전류일 때 CC/CV 전이


그림 5: 각기 다른 전압일 때 CC/CV 전이

이 레퍼런스 디자인은 어떻게 CC 및 CV 캘리브레이션 루프를 사용해서 0.01% 풀스케일 충전 및 방전 전류 제어 정확도를 달성하는지 보여준다. 이 레퍼런스 디자인은 최대 50A의 충전 및 방전 전류를 지원한다. 이 레퍼런스 디자인에 관한 더 자세한 정보는 툴 폴더에서 볼 수 있다.

 

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