개요: 정확한 배터리 게이지는 서로 다른 환경 및 동작 조건에서 배터리의 몇 가지 특성을 아는 것이 중요하다. 이와 같은 필요한 정보를 수집하려면 배터리를 알려진 조건에서 특성화해야 한다. 이 애플리케이션 노트에서는 데이터를 수집한 다음 이를 해석하는 방법을 포함하여 배터리를 특성화하는 단계별 방법을 설명한다. 또한 배터리 게이지 소프트웨어 알고리즘과 함께 사용하기 위해 Dallas Semiconductor 배터리 관리 소자의 평가 소프트웨어에 데이터를 통합하는 방법에 대해서도 설명한다.
머리말
Li+ 셀의 잔량을 정확히 추정하기 위해서는 셀이 온도와 다양한 전류 부하에 따라 어떻게 변하는지 알아야 할 필요가 있다. 이 애플리케이션 노트에서는 Li+ 셀을 특성화하고 데이터를 수집 및 해석한 다음 배터리 게이지와 함께 사용하기 위해 데이터를 Dallas 배터리 관리 소자의 평가 소프트웨어에 로드하는 방법을 설명한다. 이 소자는 ACR(Accumulated Current Register)을 사용하여 Li+ 셀에 들어가고 나오는 전류를 모니터링하며, 배터리 게이지는 셀의 계산된 만충 (full) 및 완전방전 (empty) 포인트와 ACR를 비교하여 잔량을 결정한다.
Li+ 셀 특성화 절차
1. 충전 및 방전 프로파일 결정
Li+ 셀을 특성화하는 가장 좋은 방법은 실제 애플리케이션과 가능한 가까운 환경을 생성하는 것이다. 여기에는 보호 회로, 애플리케이션의 일반적인 능동 및 대기 전류로 구성되는 방전 프로파일, 충전 프로파일, 그리고 애플리케이션이 노출될 수 있는 주변 온도가 포함된다. 환경을 생성하기 위해서는 셀의 충/방전을 시뮬레이트하는 방법이 필요하며 온도를 다양화할 수 있어야 한다. 일반적으로 특성화에 사용되는 온도 범위는 10°C 간격으로 0°C ~ 40°C이다. 평가 소프트웨어는 온도 포인트와 10°C 간격을 두어야 한다.
능동 전류는 애플리케이션이 최종 사용자에 의해 사용될 때 Li+ 셀로부터 소비되는 일반 전류이다. 대기 전류는 애플리케이션이 아이들 상태에 있을 때 Li+ 셀로부터 소비되는 일반 전류이다.
평가 소프트웨어의 배터리 게이지 부분에서 언급되는 능동 만방전 (Active Empty) 및 대기 만방전 (Standby Empty) 포인트는 Li+ 셀이 각각 능동 전류와 대기 전류의 부하에서 (사용자에 의해 정의된) 만방전 전압에 도달할 때의 용량으로 정의된다. 만방전 포인트는 그림 1에 나와 있으며, 이는 5단계에서 설명된다. 사용자는 능동 전류와 대기 전류 부하에 대해 개별적인 만방전 전압을 설정할 수 있다. 만충전 포인트는 Li+ 셀이 충전 회로에 의해 완전 충전되었다고 간주될 때의 용량으로 정의된다. 배터리 게이지와 함께 Dallas 배터리 관리 소자를 사용하는 방법에 대한 자세한 내용은 애플리케이션 노트 131, Lithium-Ion Cell Fuel Gauging with Dallas Semiconductor를 참조한다.
그림 1. 스텝 다운된 방전 시 시간의 변화에 따른 전압 및 전류
2. 소자의 오프셋 레지스터 캘리브레이션
특정 소자의 데이터 시트에 지정된 대로 Dallas 배터리 관리 소자가 Li+ 셀에 적절히 연결되면, 다음 단계는 소자의 오프셋을 캘리브레이션하는 것이다. 사용 중인 특정 소자의 평가 소프트웨어를 사용할 경우 오프셋을 캘리브레이션하는 것은 어렵지 않다. 회로에 부하가 없는 것을 확인하고 Meters 탭의 Calibrate Offset 버튼을 클릭한다. 평가 소프트웨어를 사용하지 않을 경우에는 오프셋 캘리브레이션에 대한 단계별 방법이 애플리케이션 노트 224: Calibrating the Offset Register of the DS2761에 설명되어 있으므로 이를 참조한다.
3. 데이터 로깅 시작
데이터는 평가 소프트웨어를 사용하여 간편하게 로깅할 수 있다. Data Log 탭으로 가서 Sample Interval을 15초로 설정하고 Log Data를 클릭한다. 너무 큰 파일을 생성하지 않으면서 모든 데이터 포인트를 캡처하기에 충분한 데이터를 기록할 수 있는 15초 간격이 권장된다. Stop Logging Data 버튼을 누를 때까지 모든 실시간 데이터가 지정된 파일명으로 로깅된다.
4. 실온에서 셀 충/방전 사이클 반복
중요한 초기 단계는 셀의 길들이기이다. 일반적으로 Li+ 셀 용량은 배터리 수명의 첫 번째 사이클 동안 몇 퍼센트 변화한다. 셀을 특성화하기 전에 20번의 완전한 충전과 방전 사이클을 반복하도록 한다. 이 시점에서 데이터 로깅은 필요하지 않지만 데이터 로깅을 할 경우 사용자는 최종 데이터 분석 시 고려해야 할 필요가 있는 소자의 모든 추가적 오프셋을 모니터링할 수 있다.
5. 최고 온도에서 캘리브레이션 시작
일반적으로 최고 온도에서 Li+ 셀이 가장 큰 용량을 갖기 때문에 최고 온도에서 특성화를 시작할 것을 권장한다. 이렇게 하면 나머지 데이터에 대한 우수한 기준 포인트를 제공할 수 있다. 셀을 최고 온도에서 안정화하도록 한 다음 대기 만방전 포인트까지 셀을 완전 방전한다. 다음으로 애플리케이션의 충전 프로파일에 따라 셀을 완전 충전한다. 이것이 해당 온도에 대한 만충전 포인트가 된다. 그런 다음 셀을 능동 전류 부하에서 사용자가 정의한 능동 만방전 전압으로 완전 방전하여 능동 만방전 포인트를 찾는다. 마지막으로 부하를 대기 전류 값으로 변화시키고 셀을 대기 만방전 전압으로 방전하여 대기 만방전 포인트를 찾는다.
과정을 단축하기 위해 사용자는 능동 전류 부하로부터 대기 전류 부하로 전류를 스텝 다운할 수 있다. 그림 1의 예를 고려해 보자. 이 예에서는 능동 전류가 200mA, 대기 전류가 5mA, 그리고 만방전 전압이 둘 다 3.3V로 정의되었다. 셀을 200mA 부하에서 3.3V로 방전하여 능동 만방전 포인트에 도달한 다음, 셀을 수 초 동안 이완 상태에 놓은 후 다시 만방전 전압에 도달할 때까지 100mA 부하를 인가할 수 있다. 만방전 전압에 도달할 때까지 전류 부하를 50mA, 20mA, 10mA 및 마지막으로 5mA로 계속 스텝 다운한다. 이 포인트는 대기 만방전 포인트가 된다. 이렇게 하면 5mA 부하에서 셀을 방전하는 데 필요한 추가 시간을 갖지 않아도 셀을 동일한 포인트에 놓을 수 있다.
6. 각 온도에서 반복
온도의 대기 만방전 포인트에 도달하면 즉시 다음 온도로 가서 완전 충전을 시작한다. 충전이 완료되면 이것은 해당 온도에서 만충전 포인트가 된다. 이어 능동 및 대기 만방전 포인트로 방전한다. 원하는 모든 온도 포인트를 통과하는 단계까지 이 과정을 반복한다.
특성화 데이터로부터 데이터 포인트 결정
평가 소프트웨어는 실시간 데이터를 탭으로 구분된 형식의 텍스트 파일로 로깅하므로 스프레드시트에 간편하게 임포트할 수 있다. 그런 다음 필요한 데이터를 찾기 위해 데이터를 소팅하거나 그래프로 작성할 수 있다.
7. 필요한 모든 데이터 포인트 찾기
다음으로 사용자는 로그 파일을 소팅하고 모든 만충전 포인트, 능동 만방전 포인트 및 대기 만방전 포인트를 표시할 수 있다. 이를 수행하는 간편한 방법은 데이터를 스크롤하여 Current 칼럼을 살펴보면서 전류 읽기값의 변화가 발견되면 스프레드시트의 사용되지 않은 칼럼에 'x'를 표시하는 것이다. 예를 들어 전류가 충전으로부터 방전으로 변화하면 만충전 포인트를 표시하고, 능동 전류 부하가 종료되면 능동 만방전 포인트로 표시하거나 전류가 방전으로부터 충전으로 변화하면 대기 만방전 포인트로 표시한다. 그런 다음 스프레드시트 애플리케이션의 AutoFilter 기능을 사용하여 표시된 관심있는 포인트를 간편하게 확인할 수 있다.
표 1은 관심있는 데이터 포인트를 걸러내고 표시를 하면서 Li+ 셀을 특성화하는 동안 DS2761에 의해 수집된 데이터 예를 보여준다. 이 예에 사용된 충전 프로파일은 전압이 4.2V에 도달할 때까지 900mA의 정전류 충전이었다. 그런 다음 셀은 전류가 70mA 미만으로 감소될 때까지 만충전 포인트로 정의된 4.2V의 정전압에서 충전되었다. 능동 만방전 포인트는 350mA 부하 미만에서 3.0V로 정의되었다. 대기 만방전 포인트는 3mA 부하에서 2.7V로 정의되었다. 셀은 40°C, 30°C, 20°C, 10°C 및 0°C에서 특성화되었다.
데이터가 4단계에서 셀의 충/방전 사이클을 반복하는 동안 로깅되었다면 만방전 포인트를 비교하여 증가 또는 감소하는 경향이 존재하는지 알 수 있으며, 이는 전류 읽기값에서 일부 오프셋을 나타낸다. 충/방전 사이클은 일정한 온도에서 완료되기 때문에 오프셋이 완전히 제거된다면 만방전 포인트는 모두 나란히 정렬될 것이다. 오프셋이 검출되었다면 Li+ 셀의 정확한 특성화를 얻기 위해 이를 ACR 칼럼에 추가되는 오프셋으로 데이터에 포함시킬 필요가 있다.
표 1. Li+ 셀에 대한 특성화 데이터
Time
Voltage
Current
Temperature
ACR
Mark
Label
1:13:26 AM
3.25
918.317
40
62.38
x
Start
2:12:41 AM
4.158
480.817
40
927.97
x
Break
2:41:34 AM
4.197
68.688
39.75
1032.7
x
Full
5:26:54 AM
3.035
-345.297
40.125
81.19
x
Active Empty
7:36:03 AM
2.757
-2.475
39.875
71.04
x
Standby Empty
8:35:50 AM
4.163
440.594
30.125
930.2
x
Break
9:06:28 AM
4.197
69.307
30
1032.2
x
Full
11:50:18 AM
3.006
-344.678
30.375
94.06
x
Active Empty
1:44:11 PM
2.757
-3.094
30.125
80.69
x
Standby Empty
2:45:07 PM
4.168
376.856
20.125
929.95
x
Break
3:18:54 PM
4.197
69.926
21.125
1031
x
Full
6:00:16 PM
2.987
-345.297
20.625
110.15
x
Active Empty
7:46:43 PM
2.757
-3.094
20.5
90.1
x
Standby Empty
8:51:04 PM
4.177
306.312
10.375
928.71
x
Break
9:29:26 PM
4.197
70.545
10.5
1028.5
x
Full
12:06:02 AM
2.962
-346.535
10.875
130.94
x
Active Empty
2:01:00 AM
2.757
-3.094
10.75
100.5
x
Standby Empty
3:16:05 AM
4.182
230.817
0.625
919.06
x
Break
4:00:59 AM
4.197
69.926
0.5
1019.3
x
Full
6:28:55 AM
2.943
-350.248
1.25
161.63
x
Active Empty
9:18:10 AM
2.777
0
0.875
113.61
x
Standby Empty
8. 용량 데이터 포인트 결정
서로 다른 온도에서 Li+ 셀의 만충전 및 만방전 포인트를 결정하는 데 사용되는 데이터는 로그 파일의 ACR 칼럼에 있는 데이터들이다. 만충전 및 만방전 포인트는 상대적 데이터 포인트이므로 하나의 고정 데이터 포인트를 기준으로 지정할 필요가 있다. 보통 최고 온도의 대기 만방전 포인트가 ACR이 특성화하는 동안 도달하는 최저 포인트이므로 기준 포인트로 선택된다(표 1에서 밝은 색으로 표시). 따라서 모든 읽기값은 이 포인트보다 더 크며, 따라서 간편한 데이터 스토리지를 제공한다.
표 2는 표 1에서 추출한 관심있는 각 포인트의 ACR 읽기값을 보여준다. 40°C에서의 대기 만방전 포인트가 기준 포인트로 선택되므로, 따라서 다른 만충전 및 만방전 포인트를 결정하려면 모든 ACR 읽기값은 이들로부터 71.04mAhrs를 빼야 한다. 40°C에서의 대기 만방전 포인트와 관련된 만충전 및 만방전 포인트의 간단한 표는 표 3에서 제공되며 간편하게 평가 소프트웨어에 입력하여 소자에 저장할 수 있다.
표 2. 표 1에서 추출한 만충전 및 만방전 포인트
Temperature
0
10
20
30
40
Full
1019.3
1028.5
1031
1032.2
1032.7
Standby Empty
113.61
100.5
90.1
80.69
71.04
Active Empty
161.63
130.94
110.2
94.06
81.19
표 3. 40°C에서의 대기 만방전 포인트를 기준으로 한 만충전 및 만방전 포인트
Temperature
0
10
20
30
40
Full
948
957
960
961
962
Standby Empty
43
29
19
10
0
Active Empty
91
60
39
23
10
9. 분기점 결정
남은 충전 시간을 추정하기 위해 관심을 가져야 할 데이터 포인트는 분기점이다. 분기점은 그림 2에서 보듯이 충전 동안 2라인을 갖는 ACR 곡선의 근사값을 찾는 데 사용된다. 분기점은 사용자에 의해 2라인 근사값이 최소 오차를 가질 수 있도록 ACR 곡선이 "분기하는" 지점으로 선택된다.
그림 2. 20°C에서 충전 시 시간의 경과에 따른 ACR 및 2라인 근사값
분기점을 결정하는 가장 간단한 방법은 충전 시 시간의 경과에 따른 ACR 그래프를 그려 곡선이 분기하는 위치를 시각적으로 판단하는 것이다. 중간 온도에서 ACR 곡선을 선택하고 모든 온도에 대해 그 분기점을 사용할 것을 권장한다. 분기점은 만충전 포인트보다 낮은 mAhrs로 저장된다. 그림 2에서 분기점은 만충전 포인트보다 약 100mAhrs 더 낮다.
10. 충전 시간 추정 데이터 포인트 결정
FuelPack 알고리즘에서 남은 충전 시간을 정확히 추정하려면 분기점뿐 아니라 각 온도에서의 만방전에서 만충전까지 시간 (분) 및 분기점에서 만충전까지 시간(분)이 필요하다. 데이터로 되돌아가 모든 분기점을 표시할 필요가 있다. 이것은 만충전 포인트를 찾고 9단계에서 분기점으로 선택된 mAhrs의 수를 다시 가져오면 간단히 수행할 수 있다.
표 1의 데이터로부터 이전 온도(충전이 시작된 온도)에서 각 대기 만방전 포인트에 대한 시간 소인, 분기점 및 만충전 포인트를 가져온다(표 4). 표 4는 또한 각 데이터 포인트에서의 ACR을 보여준다. 다음으로 이러한 시간 소인을 사용하여 각 온도에서 만방전에서 만충전까지, 분기점에서 만충전까지의 시간(분)을 계산한다(표 5). 평가 소프트웨어의 배터리 게이지 알고리즘은 충전 데이터의 3개 온도에 해당하는 EEPROM만 할당하므로 0°C, 20°C, 40°C의 데이터만 소자에 써야 한다.
표 4. 각 온도에서 대기 만방전, 분기점, 만충전 포인트에 대한 시간 소인
Temperature
0
20
40
Time Stamp
ACR
Time Stamp
ACR
Time Stamp
ACR
Standby Empty
2:01:00 AM
100.5
1:44:11 PM
80.69
1:13:26 AM
62.38
Break
3:16:05 AM
919.06
2:45:07 PM
929.95
2:12:41 AM
927.97
Full
4:00:59 AM
1019.06
3:18:54 PM
1031
2:41:34 AM
1032.7
표 5. 남은 충전 시간 추정에 필요한 데이터 포인트
Temperature
0
20
40
Empty to Full (minutes)
120
95
88
Break to Full (minutes)
45
34
29
Break Point (mAhrs)
100
소자 데이터 프로그래밍 및 배터리 게이지 시작
11. 적절한 데이터로 소자 프로그래밍
EV 킷에서 표 3과 표 5의 데이터를 사용하여 소자를 프로그래밍한다. 그림 3과 같이 Pack Info 탭에서 Fuel Gauging Data 서브 탭의 텍스트 박스에 해당 데이터를 수동으로 입력하고 Write 버튼(보이지 않음)을 클릭한다. 데이터가 소자의 스크래치패드에 쓰여진 다음 EEPROM에 복사된다.
그림 3. 배터리 게이징에 필요한 데이터를 평가 소프트웨어에 로드
12. ACR 동기화
Li+ 셀의 용량을 정확히 보고하는 마지막 단계는 소자의 ACR을 셀의 용량에 동기화하는 것이다. 이를 수행하는 간단한 방법은 애플리케이션의 충전 프로파일에 따라 Li+ 셀을 완전히 충전한 다음 ACR을 해당 온도에서의 만충전 포인트로 설정한다. 평가 소프트웨어로 이를 수행하기 위해 그림 4에서 보듯이 Fuel Gauging 탭의 Start Fuel Gauging 버튼을 클릭하여 배터리 게이지를 시작한다. 충전이 완료된 다음 Fuel Gauging 탭의 Full 버튼을 클릭하면 ACR이 셀의 용량과 동기화된다.
그림 4. 평가 소프트웨어의 Fuel Gauging 탭
배터리 게이지에 의해 제공되는 데이터에 대한 보다 자세한 내용은 애플리케이션 노트 131: Lithium-Ion Cell Fuel Gauging with Dallas Semiconductor를 참조한다.
요약
Dallas Semiconductor 배터리 게이지 알고리즘은 애플리케이션에 의해 셀이 충전되고 방전됨에 따라 Li+ 셀의 용량을 트래킹하는 정확한 수단을 제공한다. 이를 위해서는 셀의 용량과 함께 애플리케이션이 노출될 수 있는 다양한 부하와 온도에서 나타나는 셀의 특성을 알아야 한다. 일단 Dallas Semiconductor에 의해 제공되는 평가 소프트웨어를 사용하여 데이터가 수집되고 저장되면 배터리 게이지는 셀의 잔량을 정확히 추정한다.
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