쿨롱 계수를 이용한 배터리 충전상태 진단

  • 글|스티븐 노스(Steve Knoth), 선임 제품 마케팅 엔지니어, 전력 제품 사업부 리니어 테크놀로지(LTC)
  • 2016-02-25 오후 12:50:42

  • 2016년 02월호
  • 글|스티븐 노스(Steve Knoth), 선임 제품 마케팅 엔지니어, 전력 제품 사업부 리니어 테크놀로지(LTC)


나노 전력을 소비하는 LTC3335 벅-부스트 레귤레이터는 쿨롱 카운터와 전류 제한 기능을 내장해 다양한 종류의 재충전이 불가능한 경부하 애플리케이션에서 배터리 작동 시간을 절약하는 매우 탁월한 솔루션을 제공한다.

한때 낡은 기술로 간주되었던 재충전이 불가능한 “일차” 전지가 다시 주목받고 있다. 일차 전지는 재충전할 수 없지만, 리튬 염화티오닐(Li-SOCl2) 같은 일차 전지는 높은 에너지 밀도, 즉각적인 이용, 낮은 자기 방전, 합리적 수명, 환경친화성(비교적 용이한 폐기) 등 여전히 사용자에게 여러 이점을 제공한다. 일차 전지는 배터리 교체가 불가능하거나 많은 비용이 들고 근접성/위치/접근성이 어려운 곳의 다양한 애플리케이션에 주로 사용된다. 애플리케이션에는 국방, 자산 추적, 원격 모니터링 및 무선 센서 네트워크 등이 포함된다. 이들 일차 전지는 가장 많이 사용되는 두 종류의 알카라인 및 리튬(Li)에 기반한 다양한 화합물로 제공된다.

이에 비해 재충전 가능한 “이차” 전지는 처음에는 다소 비용이 높지만 다른 종류의 다양한 이점을 제공하며 납산, 니켈 및 리튬 이온과 같은 여러 종류의 화합물로 제공된다. 이차 전지의 장점으로는 재사용 가능성, 사용 경제성(많은 사용 횟수에 걸쳐 분산되는 충전 시스템 비용), 우수한 전력 밀도(에너지를 빠르게 공급할 수 있는 능력) 등을 꼽을 수 있다. 그러나 이차 전지는 환경친화적이라고 볼 수 없으며, 시스템 구성에 따라 저장된 에너지 양으로 볼 때 낮은 에너지 밀도의 잠재적 단점을 갖는다(그림 1 참조).

 

원격지 애플리케이션은 장기간에 걸쳐 작은 부하 전류를 사용하므로 일차 전지에 보다 유리한 일련의 조건들을 갖는다. 이 경우 배터리 교체는 비용이 많이 들 뿐 아니라 불가능할 수 있다.

일차 전지 작동 시간 고려사항

일차 전지는 이러한 장점을 갖고 있지만, 특히 완전히 방전된 배터리로 인한 다운 타임을 허용하지 않는 일부 애플리케이션에서 바람직하지 않은 몇 가지 특성을 갖는다. 이런 경우 배터리 “충전 상태(SoC)”에 기반해 남은 작동 시간을 확인하는 것이 가장 중요하다. 그림 2에서 보듯이 리튬 염화티오닐과 같은 일부 일차 전지들은 매우 평탄한 방전 곡선을 갖는 경향이 있다.

 

이와 같은 특성은 배터리 잔량을 추정하거나 예측하기 매우 어렵게 한다.

이상적으로는 간단한 셀 전압 측정으로 배터리 충전 상태를 적절히 추정할 수 있어야 하지만, 평탄한 방전 곡선은 배터리가 약 99% 데드 상태가 될 때까지 배터리 전압 측정으로부터 거의 아무것도 추정할 수 없다. SoC를 결정하기 위한 일반적인 전압 측정 방법은 많은 화합물 배터리에는 유용하지만, 평탄한 방전 곡선을 갖는 리튬 염화티오닐이나 기타 배터리에는 적합하지 않다.

충전 상태를 추정하는 또 다른 방법은 부하를 인가해 전압 강하를 측정한 다음, 이 데이터를 배터리 유형별로 다른 등가직렬저항(ESR) 강하 룩업 테이블과 비교하는 것이다. 이 방법은 배터리 ESR이 온도에 대한 의존도가 높기 때문에 주의가 필요하다. 따라서 이 방법을 사용하려면 배터리 온도에 대한 정확한 지식과 측정이 필요하다. 그렇지 않을 경우 SoC의 변화로 인해 관찰된 배터리 ESR과 온도의 변화로 인한 ESR의 변화를 구별할 수 없게 된다.

SoC를 “측정하는” 또 다른 간접적인 방법은 부하 조건을 충분히 특성화한 다음 각각의 배터리에 대한 전체 동작 시간을 측정하는 것이다. 예를 들어 많은 사용자들은 SOC의 40%에 해당하거나 사전 결정된 수준에 따라 고정된 시간 간격으로 모든 배터리를 교체한다. 그러나 이러한 방법은 배터리 수명을 극대화하지 못한다. 또한 보드 오류 또는 기타 예상보다 2~3배 높은 부하를 초래할 수 있는 조건들이 발생하는 경우 배터리 작동 시간이 급격히 떨어지게 되므로 이러한 “개방 루프” 방법은 효과가 없다.

이와 반대로 보다 정확한 다른 방법은 배터리로부터 유출되는 전류를 측정하는 “쿨롱 계수(coulomb counting)”라고 하는 방식이다. 전통적으로 이 쿨롱 계수 방식 구현은 비교적 높은 비용이 들게 되므로 그리 많이 사용되지 않았다. 그러나 이 방법은 매우 효과적으로 배터리로부터 소비되는 전류(쿨롱)를 정확히 측정한다. 배터리의 초기 용량을 알고 있거나 지정되어 있는 경우, 쿨롱 계수를 기반으로 배터리 잔량을 정확히 결정할 수 있다.

기타 일차 전지 과제

일차 전지는 과도한 돌입 전류에 취약하다. 이러한 제한은 프로그래밍 가능한 피크 입력 전류를 갖는 DC/DC 레귤레이터에 의해 완화할 수 있다. 더욱이 일차 전지는 부하를 받으면 전압 붕괴를 초래할 수 있는 높은 내부 저항을 가지기 때문에 일차 전지에는 보다 가벼운 부하가 적합하다. 또한 일차 전지는 낮은 전력 밀도를 갖는 경향이 있으므로 에너지를 빠르게 공급할 수 없다. 따라서 일차 전지는 긴 수명의 경부하 상황에 보다 적합하며, 빠르거나 큰 에너지 버스트를 필요로 하는 상황에는 적합하지 않다.

끝으로, 작동에 과도한 무부하 전류를 소비하는 DC/DC 레귤레이터 IC는 배터리의 용량을 소모하므로 작동 시간에 부정적인 영향을 미친다. 이는 또 다른 시스템 단점이 될 수 있다. 이러한 영향을 완화하기 위해 마이크로파워 또는 더 우수한 나노파워 레귤레이터를 사용하여 전류 소비를 최소화하고 배터리 작동 시간을 극대화할 수 있다.

벅-부스트 컨버터

동작 전압은 지속적으로 감소하고 있지만, 기능이 풍부한 최신 전자 기기에 들어가는 전원 레일의 수는 증가하고 있다. 그럼에도 최근 대부분의 시스템은 여전히 저전력 센서, 메모리, 마이크로컨트롤러 코어, I/O 및 로직 회로의 구동에 3 V, 3.3 V 또는 3.6 V 레일을 필요로 한다. 전통적으로 이러한 전압 레일은 스텝다운(벅) 스위칭 레귤레이터 또는 저전압 강하 레귤레이터(LDO)에 의해 전력이 제공돼 왔다. 그러나 이러한 종류의 IC는 배터리 셀의 전체 동작 범위를 이용하지 않으므로 디바이스의 잠재적 배터리 작동 시간을 단축시킨다.

예를 들어 3.3 V 출력을 내기 위해서 입력 전압은 3.3 V 이상이 들어와야 하며 배터리를 입력 전압으로 사용할 경우 3.3 V 밑으로 떨어지면 동작을 멈추게 된다. 따라서 배터리를 전체 동작 범위에서 사용할 수 없다. 그러므로 벅-부스트 컨버터를 사용할 경우(전압 스텝업 또는 스텝다운), 배터리의 전체 동작 범위를 이용할 수 있게 한다. 이것은 동작 마진을 향상시키고, 특히 방전 프로파일의 낮은 쪽에 가까울 때 배터리의 유용한 용량을 추가로 확보함으로써 배터리 작동 시간을 연장한다.

쿨롱 카운터가 내장된 벅-부스트 컨버터

앞에서 언급한 관련 문제 및 일차 전지 시스템 애플리케이션 요구사항을 만족하는 DC/DC 컨버터 솔루션은 다음과 같은 특성을 갖춰야 한다.

1) ?다양한 배터리 구동 소스를 통해 Vout를 레귤레이트할 수 있는 넓은 전압 범위와 관련된 전압 범위를 갖는 벅-부스트 DC/DC 아키텍처
2) ?동작 모드와 셧다운 시 초저 무부하 전류로 배터리 작동 시간 증가
3) 효율적인 시스템 레일 구동
4) ?IC 무부하 전류(배터리 소비)에 많은 영향을 미치지 않으면서 쿨롱 계수를 정확히 측정함으로써 남은 배터리 충전 상태 결정
5) ?돌입 전류를 감쇄하는 전류 제한으로 배터리 보호
6) ?작고 가벼운 로우 프로파일 솔루션 풋프린트
7) ?첨단 패키징으로 열 성능과 공간 효율 향상

리니어 테크놀로지에서 최근 출시한 나노파워 LTC3335 벅-부스트 컨버터는 쿨롱 카운터를 내장하고 있으며, 위의 모든 특성을 만족한다. 이 디바이스는 매우 낮은 무부하 전류를 필요로 하면서 배터리 잔량을 알아야 하는 일차 전지 애플리케이션에 적합하도록 설계됐다. 이 밖에 시스템 오류가 발생하는 경우 쿨롱 카운터를 이용해 검사하면 잠재적 배터리 구성요소 또는 부하의 누설을 검출할 수 있다. 그림 3을 참조한다.

 

LTC3335는 정밀한 쿨롱 카운터를 내장한 나노파워 고효율 동기 벅-부스트 컨버터로서 최대 50 mA의 연속 출력 전류를 공급할 수 있다. 이 디바이스는 단 680 nA의 무부하 전류와 최저 5 mA에서부터 최대 250 mA까지 프로그래밍 가능한 피크 입력 전류를 가지며, 웨어러블 및 사물인터넷(IoT) 기기와 같은 다양한 종류의 저전력 배터리 애플리케이션에 이상적이다. 1.8 V ~ 5.5 V의 입력 범위 및 1.8 V ~ 5 V 사이에서 사용자가 선택할 수 있는 8가지 출력은 레귤레이트된 출력 전원에 입력보다 높거나 낮거나 또는 같은 전압을 제공한다.

이 밖에 LTC3335는 ±5% 배터리 방전 측정 정확도의 정밀한 쿨롱 카운터를 통합하고 있어 많은 경우 극히 평탄한 방전 곡선을 갖는 긴 수명의 재충전이 불가능한 배터리 구동 애플리케이션에서 누적된 배터리 방전을 정확히 모니터링 한다. 일반적인 애플리케이션으로 무선 센서, 원격 모니터, 리니어 테크놀로지의 Dust Networksⓡ SmartMeshⓡ 시스템 등이 있다. LTC3335는 4개의 낮은 RDSON MOSFET을 내장하고 있으며, 최대 90% 효율을 제공할 수 있다.

그 밖에 프로그래밍 가능한 방전 경보 임계값, 쿨롱 계수 액세스 및 디바이스 프로그래밍을 위한 I2C 인터페이스, Power Good 출력을 갖추고 있으며, 5 mA에서부터 최대 250 mA까지 선택 가능한 8가지 피크 입력 전류로 넓은 범위의 배터리 유형과 크기를 받아들일 수 있다. LTC3335는 열 성능이 강화된 20-리드 3 mm × 4 mm QFN 패키지로 제공되며, -40 ℃ ~ +125 ℃의 동작 접합 온도 범위를 갖는다. 그림 4는 일반적인 애플리케이션 회로를 보여준다.


결론

재충전 가능한 “이차” 전지는 수많은 애플리케이션에서 이용되고 있지만 국방, 원격 모니터링 또는 무선 센서 시스템과 같은 재충전이 불가능한 일차 전지 애플리케이션에 대한 요구가 되살아나고 있다. 일차 전지는 많은 장점에도 불구하고 평탄한 방전 곡선과 돌입 전류에 취약하고, 경부하 조건에 적합한 특성 등 많은 설계에서 구현하기 어려운 몇 가지 특성을 갖는다.

쿨롱 계수는 배터리 잔량을 예측하는 신뢰성 높은 기법이다. 벅-부스트 아키텍처는 입력이 출력과 같거나 높거나 낮을 때 Vout를 레귤레이트하기 때문에 배터리 구동 시 작동 시간을 극대화하므로 많은 이점을 갖는다. 저전류 원격 모니터링 애플리케이션을 효과적으로 구동하는 것은 매우 까다로운 과제이지만, 리니어 테크놀로지는 저전력 레벨에서 매우 높은 성능을 제공할 수 있는 첨단 제품의 포트폴리오를 제공하고 있다. 그 중 하나인 나노 전력을 소비하는 LTC3335 벅-부스트 레귤레이터는 쿨롱 카운터와 전류 제한 기능을 내장해 다양한 종류의 재충전이 불가능한 경부하 애플리케이션에서 배터리 작동 시간을 절약하는 매우 탁월한 솔루션을 제공한다. 

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