전기 스쿠터 게이지의 잔존 용량을 정확하고 저렴하게 측정한다
전기 스쿠터는 중국에서 가장 많이 제조 및 사용되고 있는데, 낮은 가격이 강조되는 이 제품에는 가장 기본적인 기능들만 제공되는 추세이다(그림 1). 특히, 스쿠터는 연료계나 잔존 용량 측정기(State of Charge 또는 SOC Meter) 없이, 단지 간단한 배터리 상태만 표시하는 전압계 다이얼만이 운전자에게 제공되는 유일한 배터리 측정값이다.
납전지 전압은 완전 방전 시기가 가까워지면서 상태가 급격하게 저하되기 전까지 방전하는 동안 대부분 일정한 전압을 정상적으로 유지하는 경향이 있다. 이로 인해 운전자는 배터리가 곧 완전
방전한다거나, 어느 정도 방전되었다거나 혹은 다시 완전 충전하기 위해 어느 정도의 에너지가 필요하다거나 하는 데 대한 경고를 거의 인식하지 못하게 된다.
운전자가 정확하고 정밀하게 측정된 배터리 잔존 용량(SOC) 값을 볼 수 있다면 매우 편리할 것이다. 그리고 완전히 충전된 배터리의 평균 이동 거리(km 단위)도 쉽게 파악할 수 있다. 이로 인해 운전자가 잔존 배터리 용량을 백분율로 정확히 읽을 수 있을 경우 남아 있는 이동거리를 추산할 수 있다.
여기서는 전기 스쿠터 시장에서 저비용 BoM(Bill of Materials)을 유지하며 전기스쿠터 및 유사한 종류의 차량에 사용되는 에너지 저장장치로서, 직렬로 연결된 12V 납축전지 4개의 충전 상태 표시계를 정확히 구현하는 방법에 대해 기술한다.
그리고 이와 같은 배터리 센서 솔루션은 참조용 설계와 기술 시연보드에 사용되는 만큼, 전자장치 제조업체에서 쉽게 가용되는 표준 부품을 사용하고 있다.
잔존 용량 측정기의 기본적인 아키텍처
잔존 용량 측정 시스템(그림 2)은 넓은 동적 범위와 저노이즈 특성, 그리고 정확성을 겸비한 센서 인터페이스 IC인 ams의 AS8510를 중심으로 구축되었다. 전류, 전압, 온도 신호는 간단한 8비트 마이크로 컨트롤러(MCU)에 직렬 디지털 인터페이스를 제공하는 AS8510을 통해 증폭되며 디지털로 전환된다.
MCU는 센서 인터페이스에서 입력되는 값을 갖고 잔존 용량을 계산한다. 이 수치는 설계자가 얼마만큼의 BoM 예산을 이용할 수 있느냐에 따라 서로 다른 복잡성을 가진 다양한 방법으로 표시될 수 있다.
전류, 전압, 온도 측정에서 높은 정확성 확보
AS8510 센서 인터페이스는 배터리 전체 및 개별 배터리에 대한 전압, 전류, 배터리
음극의 온도, 배터리를 통한 전하의 흐름을 측정할 수 있다. 더 나아가, 역동적으로 변화하는 부하에 연결되어 있을 때에도 전류 및 전압의 동기 수집을 통해 배터리의 직렬 저항을 계산할 수 있다.
전류 측정은 높은 전류를 전달할 수 있는 100μΩ 션트 저항을 통해 이루어진다. 사실상 오프셋이 없고 원래 선형적인 저잡음 출력을 제공하는 AS8510의 뛰어난 아날로그 특성은 이 소자가 여기서 소개되는 애플리케이션에 적용될 만큼 충분히 넓은 동적 범위인 ±2.5mA~±1,500A의 전류 범위에서 정확한 측정이 가능하다는 것을 의미한다.
이 소자는 두 개의 독립적인 16비트 데이터 수집 채널을 제공하는데, 이 채널들은 션트 전류 및 배터리 전압의 동기 캡처를 위해 동일한 내부 정밀 RC 발진기로 클로킹된다. 이와 함께 전압 채널은 차동 입력전압과 외부 온도측정을 위한 두 개의 싱글엔디드 입력 및 내부 온도 센서 사이를 스위칭하는 내부 멀티플렉서를 갖고 있다. 게다가 내부
전류원은 외부 온도 센서를 구동하도록 프로그램될 수 있다. 전류 측정회로는 션트로 구성되는데, 선택 사항인 저역통과 필터를 통해 측정한 신호를 센서 인터페이스에 전달하고 그 신호를 25의 게인으로 증폭시킨다.
이 애플리케이션의 필요 요건 중 하나가 배터리 네 개 각각의 전압을 개별적으로 측정하는 것인데, 이 기준 설계에서의 전압 측정 경로는 직렬 스트링의 배터리 네 개와 온도 채널 사이에서 멀티플렉싱된다. 이 작동은 네 개의 정밀 전압 분배기를 통해 이루어지며 마이크로컨트롤러로 제어되는 이산형 FET 스위치들을 통해 액세스된다.
이 센서는 1ms의 샘플링으로 배터리 전류와 12V, 24V, 36V, 48V의 전압을 순차적으로 측정하고, 각 전압 샘플은 전류 샘플과 동기화되도록 측정한다. 이 셀들 중의 어느 하나라도 정상 범위보다 낮은 전압에서 발견되면 경고 신호가 나온다. 나머지 보드는 다음과 같이 구성되어 있다(그림 3).
· 전원 공급 라인상의 고에너지 펄스를 억제하기 위해 두 개의 다이오드와 한 개의 커패시터로 이루어진 입력 보호회로
· 센서 파워서플라이 : 12V 소스에서 전력을 공급받는 AS1360 선형 레귤레이터. 전기스쿠터는 보통 12V 부하에 전력을 공급하는 DC-DC 컨버터로 구성되어 있다.
· 동작 상태를 나타내는 LED 표시기
· 마이크로컨트롤러의 프로그래밍 인터페이스와 디스플레이 유닛을 위한
커넥션
이 센서의 동작 전류는 일반적으로 8mA이고, 모니터링 모드에서의 대기전류는 100㎂에 불과하다.
앞에서 설명한 바와 같이, 아날로그 프론트엔드는 네 개의 모든 배터리 전압, 전류, 온도를 정확히 전달하는 고집적 수단을 제공하고 있다. 그러나 이와 같은 신호들이 운전자에게 유용한 잔존용량값으로 판독되려면 그 전에 처리 과정을 거쳐야 한다. 이것을 가능하게 하는 두 개의 펌웨어 세트가 ams에서 개발되었다.
데이터 로깅 펌웨어
시험용 스쿠터에 사용된 배터리의 데이터시트 또는 평가 데이터가 없더라도 시험 운전하는 동안 배터리의 성능을 평가할 수 있도록 하는 데이터 측정법 하나가 고안되었다. 여기서는 특히 언제 배터리가 완전
충전되고 완전 방전되는지 나타내는 파라미터를 제정하는 것이 중요하다.
앞에서 설명한 센서 회로에 사용된 테스트 방법에서는 SPI 인터페이스의 표준 SD 메모리 카드에 직접 연결한다. SD 카드의 FAT 디렉토리 시스템에 접속한 펌웨어는 거기에 직접 로그 파일을 .csv 포맷으로 기록한다.
접근 방식은 간단하다. 개발자는 로거(logger)에서 SD 카드를 빼 그것을 PC에 삽입하고, 매트랩(Matlab)이나 엑셀(Excel)을 이용하여 데이터를 분석한다. 시험 운전에서 나온 데이터의 예를 그림 4에 나타낸다. 이것은 측정 알고리즘을 통해 개발자가 실제로 배터리 동작과 SOC 판독을 일치할 수 있도록 해준다.
잔존 용량 측정기의 디스플레이 펌웨어
즉시 활용할 수 있는 배터리 성능 데이터를 가지고 잔존용량을 계산하는 간단한 알고리즘을 구현할 수 있다. 테스트에서는 이 배터리셀들이 완전히 충전되었을 때 약 13.1V, 완전히 방전되었을 때 12V 정도의 개회로 전압(OCV : Open Circuit Voltage)을 갖고 있다는 것이 파악되었다.
이 알고리즘은 무부하 상태가 적어도 5분(이 타입의 배터리가 갖는 일반적인 복구 시간) 이상 지속될 때, OCV를 등록에 대한 선형 내삽 방법을 이용하여 가장 낮은 전압을 갖는 셀로부터 잔존 용량 추정값을 계산한다.
이 내삽 방법은 도로 시험 과정에서 얻은 전압 데이터 정보를 이용한다.
이 알고리즘은 배터리의 안과 밖으로 전류가 흐르기 시작하자마자 전하-적분(쿨롱 집계) 측정 방법으로 전환된다. 이 시스템은 AS8510의 고정밀 제로 오프셋 아키텍처로 인해 배터리로 들어가고 나오는 모든 전하의 측정값을 정확하게 적분하여 총 에너지 소모값을 생성한다. 초기 OCV 측정에서 배터리 내부의 에너지 양을 구했으므로 또 다른 OCV 이벤트가 일어날 때까지 잔존 용량값을 계속 추정할 수 있다.
이 기준 설계를 위해 개발된 알고리즘은 상당히 초보적이다. 더 정교한 알고리즘은 배터리의 온도와 노화를 추가적으로 보상해줄 수 있을 것이다(납전지의 에너지 용량은 많은 충방전 사이클에 걸쳐 줄어든다). 그럼에도 불구하고, 이 솔루션은 이 애플리케이션에 적합한 ±5%
이상의 정확성을 달성한다는 것이 도로 시험을 통해 증명되었다.
이 정확한 잔존용량 추정값이 쓸모가 있으려면 보는 표시기에 나타나야 한다. 이 기준 설계에서는 두 개의 서로 다른 표시 방식이 개발되었다. 가격이 매우 저렴하지만 많은 정보를 줄 수 있는 옵션이 간단한 LED 스트립 디스플레이인데, 이는 AS1110 16채널 LED 드라이버 IC를 이용하여 적색, 주황색, 녹색 LED 스트링을 구동한다. 이 LED는 배터리 잔존 용량을 막대 그래프 형태로 보여주는데, 각 LED는 배터리 총 전하의 6% 세그먼트를 나타낸다. 이 디스플레이는 확장 포트를 통해 센서에 직접 연결되며 동기식 직렬 인터페이스를 통해 접속된다.
시각적으로 좀 더 보기 좋은 디스플레이를 선보이기 위해, ams는 전자 어셈블리에서 컬러그래픽스 LCD 패널을 구동시키기
위한 코드도 구현했다(그림 5). 이 디스플레이는 전통적인 연료계로서 잔존 용량뿐만 아니라 각 셀의 전압, 그리고 배터리 안과 밖에 흐르는 전류 등 흥미로운 정보를 운전자에게 제공한다.
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이 설계는 전기스쿠터에 일반적으로 사용되는 AGM(Absorption Glass Mat) 배터리를 위해 OCV를 기반으로 뛰어난 잔존용량 계산과 전류 적분이 이루어질 수 있다는 것을 보여주는데, 이를 통해 시스템은 정확하게 전류 및 전압을 측정할 수 있다. 고집적 AS8510 센서 인터페이스를 사용하면서도, 상대적으로 적은 저렴한 관련 부품을 필요로 하는 이 설계는 낮은 가격에 전기 스쿠터 시장의 필요를 충족시킨다. 앞에서 설명한 간단한 LED 막대그래프 디스플레이를 포함하여 이 기준 설계에 있어서 합리적으로 추정되는 BoM 부품 비용은 약 3유로이다. 여기서 서술된 펌웨어와 조립된 시연 보드는 ams에 요청할 경우 구할 수 있다.
Manfred Brandl ams AG