니켈, 리튬이온, 납축전지 셀을 위한 배터리 충전IC를 설계하기 위해서는 적절한 충전과 안전성에 대해 고려해야 한다. 포괄적인 충전 알고리즘을 개발해야 하며 이는 지원해야 하는 케미스트리에 따라 다르다. 이러한 유형의 설계를 달성하기 위한 가장 편리한 방법은 마이크로프로세서와 함께 통합적이며 유연한 멀티케미스트리 배터리 충전IC를 이용하는 것이다. 마이크로프로세서를 이용해서 배터리 케미스트리를 식별하고 종료 기준을 비롯한 적절한 충전 조건으로 조절한다. 마이크로프로세서는 또한 안전성을 위해 작동 조건을 모니터한다.
각기 다른 배터리 케미스트리의 충전 기법
각기 다른 케미스트리의 셀은 충전되는 방식에 근본적인 차이가 있다. NiMH(nickel-metal-hydride) 셀은 충전 사이클 전반에 걸쳐서 정전류를 필요로 한다. 리튬이온 셀은 정전류 다음에 최대 정격 개별 전압에 따른 정전압을 필요로 한다. 납축전지 셀 역시 정전류 다음에 정전압 스테이지를 필요로 하는데 다만 최종적인 부동 충전 스테이지를 추가해야 한다. 다음은 이들 각각에 대한 설명이다.
NiMH 셀
정전류로 충전하고 있을 때 NiMH 셀의 최대 충전을 판단하기 위해 널리 이용되는 기법은 대략 8~16mV의 전압 저하나 10℃의 급격한 온도 상승이 일어나는지 모니터링하는 것이다. 어느 경우든 이러한 조건이 발생하기 위해서는 0.5C 이상의 충전 레이트가 필요하다(1C가 적합). (‘C 레이트’는 배터리 용량에 따라 정의된다. 셀의 정격이 1,500mAh라면 1C 충전 레이트는 1.5A가 된다.) 전압 저하 기법을 이용하는 독립형 충전IC의 경우에는 배터리 검출 라인의 잡음을 최소화하기 위해서 레이아웃에 주의를 기울여야 한다. 이러한 잡음은 오류의 최대 충전 표시를 제공할 수 있다. 멀티케미스트리 충전IC를 이용해서 정전류 충전을 구현하기 위해서는 충전 조절 전압이 셀이 도달할 수 있는 것보다 높도록 피드백 레지스터를 설정해야 한다.
리튬이온 셀
lithium-manganese-oxide(LiMn2O4) 및 lithium-cobalt-oxide(LiCoO2) 셀의 최대 정격 개별 전압은 통상적으로 4.2V이며, 최근의 lithium-iron-phosphate (LiFePO4) 셀은 3.7V이다. 최대 정격 전압에 도달하면 이 전압이 일정하게 유지되다가 전류가 점차 감소해서 적당한 ‘테이퍼’ 지점에 도달하면 최대 충전 셀인 것으로 표시한다. 독립형 충전IC의 테이퍼 지점은 일반적으로 고속 충전 레이트의 1/10이다. 하지만 유연한 마이크로컨트롤러 기반 아키텍처를 이용하면 설계자가 충전 사이클의 어느 지점에서나 충전을 종료하도록 선택할 수 있다. ‘바이패스’ 셀 밸런싱 회로를 이용해 스마트 배터리를 충전하는 경우에는 충전 종료 시에 전압이 비교적 일정하고 전류가 점차 감소할 때만 셀 밸런싱이 일어나므로 더 긴 충전 시간이 필요하다.
납축전지 셀
리튬이온 셀과 마찬가지로 납축전지 셀은 정전류 충전 다음에 정전압 스테이지를 필요로 하는데 다만 이들 셀은 최종적인 부동 충전 스테이지를 필요로 한다. 납축전지 셀이 충전하는 속도는 니켈이나 리튬이온 셀보다 훨씬 느리다. 충전 시간이 배터리 용량에 따라서 12시간에서 36시간에 달할 수 있다. 몇몇 주요 절충 요인에 따라서 개별 셀의 적합한 충전 전압은 2.3V~2.45V 사이다. 셀을 이보다 낮은 전압으로 충전하면 서비스 수명을 극대화할 수 있으나 음극 플레이트의 황산화를 일으킬 수 있다. 이보다 높은 전압으로 충전하면 충전 시간을 단축할 수 있으나 온도가 높아지면 셀이 과열될 수 있다. 최종적인 부동 충전 스테이지는 전압을 셀당 약 2.25V로 감소시켜야 한다. 이 사양은 업체에 따라서 몇몇 예외가 있으므로 적절한 충전 및 안전성 조건에 대해서 셀 데이터시트 및 사양을 세심하게 확인해야 한다.
솔루션
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다행히도 유연한 멀티케미스트리 배터리 충전IC와 마이크로프로세서를 이용하여 어떠한 배터리 케미스트리를 위한 충전 알고리즘의 모든 측면을 구현할 수 있다. 리튬이온이나 니켈 팩을 모두 이용할 수 있는 휴대형 애플리케이션의 경우에는, 설계 시에 적절한 케미스트리 식별(ID), 팩 삽입/제거 인식, 충전 온도 범위, 충전 쓰레스홀드, 시스템 모니터링 및 결함 보고, 입력 전력 손실 등을 고려해야 한다.
팩 케미스트리를 판단해야 하는 경우에 손쉬운 솔루션은 추가 핀 상에 ID 레지스터를 이용하는 것으로 이를 마이크로컨트롤러가 아날로그-디지털 컨버터의 입력을 통해 읽을 수 있다. 이 구성은 ID 레지스터를 모니터할 수 있을 뿐만 아니라 충전 크레이들로 배터리 팩이 삽입되었을 때 이를 판단할 수 있다. 또한 이중 용량 팩 등과 같은 다른 크기의 배터리를 구분할 수도 있다.
셀은 통상적으로 0~50℃의 온도 범위 안에서 충전되나 셀이 낮은 속도로 낮은 전압으로 충전된다면 이 범위가 넓어질 수 있다. 주위 온도가 극단적으로 높은 경우에는 셀당 3.7V~3.9V로 리튬이온 셀의 능동 방전을 고려할 수 있다. 모든 경우에 높은 온도는 배터리 수명을 단축한다.
케미스트리ID와 허용 가능한 온도 범위를 판단한 후에, 충전IC는 셀이 저전압이라면(심하게 고갈된 상태임을 나타냄) 통상적으로 고속 충전 속도의 1/10로서 느리게 충전해야 하는지 판단해야 한다. 니켈 셀의 경우, 저전압 안전성 쓰레스홀드는 셀당 0.9V 이하인 것으로 알려지고 있으며, 표준 리튬 셀은 셀당 3.0V 이하이고, 최근의 LiFePO4 셀은 최저 1.5V이다. 세류 충전 시에 셀 전압이 30분 안에 이러한 안전성 쓰레스홀드 이상으로 높아지지 않으면 셀이 손상된 것으로 간주하고 충전이 중단된다.
이러한 모든 안전성 검사가 완료되면 배터리가 양호한 것으로 간주하고 고속 충전 모드가 시작된다. 충전 동안에는 온도, 충전 전류, 배터리 전압을 지속적으로 모니터해야 한다. 이러한 각각의 측정에 3개 값을 저장해야 한다. 대략 매 100ms마다 각각의 데이터 포인트를 취하고 계산을 위해 이들 값의 평균을 이용할 수 있다. 와치독 안전 타이머는 예기치 않은 코딩 오류로 인해서 마이크로프로세서가 알 수 없는 상태가 되는 것을 방지하기 위한 좋은 방법이다. 특정한 결함 조건을 결함 레지스터에 고유 비트로 저장하고 시스템이 마이크로프로세서를 질의해서 이를 읽거나 또는 LED나 디스플레이를 통해서 사용자에게 표시할 수 있다. 마지막으로는, 입력 전력이 중단되거나 배터리 팩을 제거하고 삽입했을 때 전체적인 식별 및 충전 프로세스가 다시 시작되도록 충전 알고리즘을 설계해야 한다.
TI는 충전IC 설계에 대한 각기 다른 요구를 충족하도록 다수의 멀티케미스트리 배터리 IC를 제공한다. 예를 들면, PMP3914 평가 모듈에 사용된 bq24703 멀티케미스트리 충전IC와 MSP430F2012 초저전력 마이크로컨트롤러를 NiMH 또는 리튬이온 배터리 팩을 인식하고 충전한다. 또한 이 설계는 입력 전압이 108 ~132V이고 출력 전압이 25V인 75W 오프라인 컨버터를 포함하는데 이는 TI의 UCC28600 그린 모드 quasiresonant 플라이백 PWM 컨트롤러를 이용한다.
bq24703은 하이 사이드 pFET 컨트롤을 이용한 비동기식 충전IC로서 고전압(21V) 5s2p 리튬이온 배터리 팩이나 25V 15s1p NiMH 배터리 팩을 충전하기에 적합하다. ‘s’는 원하는 팩 전압을 달성하기 위해 직렬 스트링에 얼마나 많은 셀이 연결되는지를 나타내는 것이고, ‘p’는 원하는 팩 커패시티를 달성하기 위해 병렬로 얼마나 많은 수의 셀 스트링이 연결되는지를 나타내는 것이다. 비동기식 충전IC를 이용하면 충전 전류가 약 3A로 제한된다. bq24704나 bq24750A 등과 같은 TI의 다른 멀티케미스트리 충전IC는 동기 벅 컨버터로서 10A 이상의 연속 충전 전류를 제공할 수 있다.
결론
멀티케미스트리 배터리 충전IC를 설계하기 위해서는 개별 셀의 특성을 알아야 할 뿐만 아니라 전체적인 안전성을 고려해야 한다. 본고에서는 리튬이온, 니켈, 납축전지 배터리를 충전할 때의 차이점과 멀티케미스트리 충전IC와 마이크로컨트롤러를 이용해서 충전 알고리즘을 어떻게 구현할 수 있는지 살펴보았다. 또한 저전압 및 과전압 조건, 과충전, 극단적인 온도에 대한 시스템 모니터링을 포함해서 안전성을 위한 고려사항에 대해 살펴보았다.
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기자 : 뉴스관리자 기자 
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