Battery Management IC

본 연구실은 EV/ESS 내 배터리 관리 시스템(BMS; Battery Management System)에 탑재 가능한 IC를 설계한다. 배터리 관리 시스템용 IC는 배터리 안전 진단을 위한 High-Voltage 전압 정밀 측정 회로 (BMIC; Battery Monitoring IC) 및 임피던스 측정 회로 (EIS; Electrochemical Impedance Spectroscopy)의 설계에 중점을 두고 있는 동시에 최종 application단에 적용하기 위한 Low-Voltage 파워 회로 (PMIC; Power Management IC)를 포함한다.

Introduction

기후변화 대응을 위해 내연기관 차량의 배기가스 배출 규제가 강화되면서 전기차의 도입이 가속화되고 있다. 국제 에너지 기구(IEA)는 글로벌 전기차 판매량이 ‘25년 3천220만대에서 ‘30년 7천230만대로 2배 이상 뛰어오른다고 전망했다. 전기차 보급량이 늘어남에 따라 전기차 화재사고 빈도가 증가했고, 많은 이들이 전기차의 화재 위험에 대해 우려하고 있다. 통계에 따르면 전기차 화재발생율은 내연기관 차량 대비 낮지만, 충전 중 화재 및 저속 하부 충돌 화재 등 새로운 위험 양상이 관측되고 있으며, 화재 시 대형 피해가 발생하고 있어 사전 안전 진단의 필요성이 부각되었다.

필요성이 부각된 것에 반해 배터리 안전에 대한 연구는 매우 근래에 수행되기 시작하여, 고전압 배터리는 그 교체 기준이 정해진 바 없다. 금융감독원 보도자료(“전기차 자동차보험 현황 및 감독 방향”, 2022.6.7.)에 따르면 교환 정책 표준이 없는 것을 한 근거로 4년간 전기차 보험료 상승률이 비전기차대비 3배 이상 급상승했다. 이에 따라 미래 산업인 전기차 글로벌 시장 선점을 위해 관련 연구를 선제적으로 수행할 필요가 있다.

배터리 관리 시스템(BMS; Battery Management System)에 대한 관심은 배터리가 전기차를 넘어 항공기 등 교통수단 전반의 경제성을 개선하고, 새로운 공간 활용도를 제시하며, 무엇보다도 에너지 자원의 관리가 중요해지고 있는 세계 동향에 의해 촉발되고 있어 필수적인 연구로 부상했다. 아래는 배터리 관리 시스템 연구가 가진 특징 및 회로의 구현에 필요한 사항을 소개한다.

Integrated System for Battery

IC는 배터리 관리 시스템 운용의 핵심이다. 배터리 관리 시스템의 최종 Application은 일반적으로 안전성이 매우 강조되어 AEC-Q100의 온도 범위에서 ASIL 등급 중 가장 까다로운 ASIL-D의 안전 규격을 만족해야만 산업계로의 실효성 있는 적용이 가능하다. 가혹한 환경에서 사용하는 디바이스에 Embedding 가능하면서도, 배터리의 상태를 정밀하게 파악하는 IC가 필요하다.

배터리는 10mHz-1kHz까지의 저주파 신호가 인가될 때 내부 행동 특성을 더욱 상세히 묘사하는 특징을 가진다. 이는 단일 주기 신호 측정만으로도 상당한 시간이 소요됨을 의미한다. 따라서, 한 주기 내에 적절한 신호 처리 알고리즘을 통해 최대한 다양한 주파수 특성을 파악하고, 전압 측정을 시작으로 안전 상태 진단과 각 셀의 전류 조절을 통한 안전 보정 처리를 목표로 연구가 진행되고 있다.

또한, 배터리 내부 임피던스가 낮을수록 자체 전력 소모가 줄어들어 에너지 밀도가 높아지기 때문에 소재의 발전에 따라 <100uOhm의 해상도로 임피던스를 측정해야만 배터리 안전 특성을 진단할 수 있다. 현 시점에도 배터리 소재는 발전을 거듭하고 있어 점점 더 높은 해상도를 요구하고 있다. 이는 전압 변화 양상 및 임피던스 측정이 현 시대 기술에서 전례 없는 해상도로 정밀하게 이루어져야 함을 의미한다.

Battery Monitoring IC (BMIC)

전기차 등 다양한 에너지 저장 장치는 수백 볼트의 배터리 팩 전압과 수십 kWh의 용량을 얻기 위해 수많은 리튬 이온 배터리 셀을 사용한다. 배터리 관리 시스템은 각 배터리 셀의 충전 상태(SOC)와 건강 상태(SOH)를 모니터링하고 제어하여 충전 및 방전 시 에너지 효율을 향상시키고 안전 문제를 해결하는 역할을 수행한다. 배터리 셀의 개방 회로 전압(OCV; Open Circuit Voltage)으로부터 SOC/SOH (SOC; State of Charge, SOH; State of Health)를 1% 이내의 오차로 추정하려면 배터리 셀 전압과 온도의 1mV 이내의 정밀한 측정을 수행해야 한다. 현재까지 1% 오차의 정확도를 달성한 BMIC는 없으며, 본 연구실에서 제안한 2mV (ISSCC2023)가 현재 세계 최고 성능에 해당한다.

BMIC는 10개 이상의 직렬 연결된 배터리에 대한 측정을 수행하며, 직렬 연결된 배터리 전압 그대로 전원으로 사용한다. 배터리의 모니터링에 초점을 맞춘 바, 내부는 전압 기준 발생기, 전압 및 온도 측정 회로, 셀 밸런싱 회로, 그리고 통신 블록 등으로 구성된다. BMIC는 배터리와 직접 접촉하고 있어 ESD 회로가 부착되어야 하며, 이에 따라 누설 전류가 발생할 시 전압 강하가 일어나 측정 값에 오차가 발생한다. BMIC의 전압 측정은 공간 효율성을 위해 시간에 따라 여러 채널을 차례로 선택하여 측정을 진행한다. 이에 따라 측정 경로는 HV Analog MUX, HV Analog Level Shifter, Sigma-Delta ADC로 구성된다. HV Analog MUX는 채널을 선택하여 전압 신호를 그대로 출력하는 역할이며, Analog Level Shifter는 직렬 연결된 셀의 0-70V(14채널 배터리 적용 시)의 Common Mode 전압을 ADC의 입력 범위에 맞춘다.

Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)

기존 배터리 관리 시스템에서 제공하지 못하는 배터리의 잔존 유효수명 (RUL; Remaining Useful Life) 예측과 노화에 따른 배터리 내부 화학적 실패 메커니즘의 진행 상태를 진단하기 위해 다양한 접근이 시도되고 있다. 그 중에서 가장 진보한 전기적 측정 방법으로 주목받고 있는 기술이 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)다. EIS는 주파수 스펙트럼 형태로 배터리의 임피던스 특성을 분석하여, 배터리 내에서 다양한 속도로 진행되는 화학 반응의 변화에 대한 정보를 제공한다.

EIS의 전압 측정 시스템의 전압 측정용 Analog Front-end(AFE)는 기본적으로 AC 신호를 처리하기 때문에 DC 신호를 파악하고자 하는 BMIC와 구분되어 그 구조가 다르다. DC 신호는 제거하나 수백mHz의 저주파의 신호는 통과시키는 고성능 High-pass Filter의 구현을 시작으로, 채널 선택 후 배터리로부터 출력되는 전압 신호를 측정할 수 있도록 구성한다. 이를 위해서는 전류를 인가해주는 회로가 별도로 필요하며, 이는 DAC과 Current Regulator의 구현을 통해 구성하게 된다. 이 모든 부분의 전원을 공급하는 부분인 Reference Voltage Generator (RVG)로부터 발생한다. 본 연구실은 높은 해상도의 EIS용 AFE를 구성함과 동시에 신호처리 기술 보완을 통해 과도하게 느린 EIS 측정 속도 문제를 해결하고 있다.

Recommended Competencies

배터리 관리 시스템은 전반적인 배터리 진단 및 결과 도출을 목표한다. 이를 실현하기 위해서는 매우 작은 크기의 신호를 정제하기 위한 정밀한 아날로그 회로 설계를 중심으로, 시스템 전반의 설계를 위한 디지털 회로 및 신호 처리 시스템 설계 또한 필요하다.

본 분야는 타 회로 분야와 비교했을 때 초고전압, 초저주파 대역의 회로를 다룬다. 회로 내 정밀도에 중점을 두고 있어 아날로그 회로 설계의 측면에서 낮은 BW를 가지나 매우 높은 선형성 및 Gain을 가진 Amplifier를 설계하는 등 다양한 고려사항을 적용한 설계가 필요하다. 또한, 고전압을 견디기 위해 여러 소자를 동시에 융합하여 설계하는 작업이 필요하다. 디지털의 측면에서는 미세 신호를 얻어내는 다양한 디지털 신호처리 알고리즘의 설계를 시작으로 하드웨어로의 구현까지 가능하도록 만드는 능력이 요구된다.

KAIST 내 학부과정 중 배터리 관리 시스템 설계를 위해 추천되는 과목은 아래와 같다: