2.1 Battery cell Indirect monitoring

본 논문에서는 고전압 부를 포함하는 배터리 팩과 Control Unit의 물리적인 연결을 하지 않고 매개체를 통해서 전압을 측정하는 간접 측정 기술을 제안하고 구현하였다. 간접 측정 기술은 배터리의 전압변화를 LED의 밝기의 변화를 감지하여 측정하는 기술이다. 이를 위해서 Light blocker을 통해 LED의 빛이 새어 나가지 않도록 하였고, 그 빛을 photo sensor를 이용하여 측정하였다. 간접 측정 기술의 블록도를 그림 2에 나타내었다.

보편적으로 리튬이온 배터리는 3 V ~ 4.3 V의 동작 범위를 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 본 논문의 간접 측정 기술을 활용하여 전압을 측정하려면 리튬이온 배터리와 동작 전압이 맞지 않아 그에 대한 대안이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 Diode array를 활용하여 배터리의 전압을 강하시키고 그에 따른 LED의 밝기 변화를 매개로 하여 전압을 측정하는 간접 측정 기술을 제안한다. 그림 3은 간접 측정 회로를 나타낸 것이다.

그림 3의 구조를 보면 배터리와 연결된 LED는 Light block을 통해 Photo sensor로 전달된다. photo sensor는 빛의 밝기에 따라 저항값이 변화한다. 이를 VCC와 연결하여 photo sensor 양단에 걸리는 전압을 측정한다. 본 논문에서 제안하는 간접 측정 기술은 매개체를 이용하여 전압을 측정하는 방식이므로 기존의 LED의 밝기 값을 측정하여 Control Unit에 포함되어있는 메모리에 저장한다. 메모리에 저장되어 있는 밝기 값을 현재 측정한 밝기 값과 비교하여 전압을 추정한다.

2.2 Isolated LED & Photo sensor characteristics

2.3 Overcharge protection device design

배터리의 전압 측정 기술은 배터리 전원을 사용하여 동작하기 때문에, 전력 소모가 크면 배터리의 성능 저하로 이어진다. 따라서 상시로 폐회로를 구성하는 간접 측정 기술의 특성상 전력 소모를 줄일 수 있는 방안이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 간접 측정 기술의 전력 소모를 낮추기 위해 LED의 subthreshold 구간을 동작 구간으로써 활용하는 것을 제안한다. subthreshold의 동작 그래프를 그림 8에 나타내었다. 그림 8의 구조를 보면 Threshold Voltage($V_{TH}$) 보다 낮은 지점에서 동작하는 구간으로 동작 전압보다 작은 전압이 가해짐에도 불구하고 누설 전류가 발생하여 미세하게 전류가 흐르는 현상을 말한다. LED의 빛의 밝기는 전류에 비례하고 인가된 전압에 따라 변화하는 전류 특성 곡선이 존재한다. 보편적인 LED의 사용구간은 동작 전압 이후부터인데, 이 구간은 전류의 소모가 크다. 그러나 0.7 V 이하의 저 전압 구간에서도 누설전류가 발생하여 희미하지만 전류 소모가 적고 LED가 발광하는 것을 확인하였다. Transistor 분야에서는 이미 알려진 기술로 subthreshold swing이라는 기술로 활용되고 있다. 최근 연구에서도 subthreshold swing을 활용하여 저 전력 CMOS 인버터의 분석에 대한 연구가 진행되고 있다⁽⁶⁾. 본 논문에서는 Diode array의 개수를 조절해 LED의 동작 구간을 subthreshold region으로 낮추어 전압을 측정하였다. 다이오드의 개수에 따른 LED에 걸리는 전압과 LED의 Threshold Voltage를 그림 9에 나타내었다.

본 논문에서 사용한 LED는 Yellow LED로 파장의 길이는 590 nm이다. 따라서 그림 9와 같이 LED의 Threshold Voltage는 약 1.75 V ~ 1.97 V이다⁽⁷⁾. LED의 전압이 Threshold Voltage를 넘어가면 전류가 급격하게 상승하기 때문에 모든 구간에서 Threshold Voltage를 넘어가지 않도록 설계하여야 한다. 따라서 본 논문에서는 그림 9의 그래프의 구조와 같이 모든 구간에서 Threshold Voltage를 넘어가지 않도록 Diode array의 개수를 6개를 선정하여 설계하였다.

2.4 Temperature compensation and Individual differences by channel

본 논문의 간접 측정 기술은 Diode와 LED를 직렬 연결하여 배터리 전압에 따라 변화하는 빛의 세기를 측정하는 기술이다. 따라서 각 배터리 전압에 따라 동일한 밝기를 발생시키는 것이 중요하다. 그러나 본 논문에서 활용한 Diode와 LED의 VFD(Voltage Foward Voltage)는 각 소자마다 상이하여 LED에 인가되는 전압과 LED의 밝기의 오차를 발생시킨다. 이에 따라 배터리 전압에 따라 발생하는 LED의 빛의 세기를 채널 별로 균등하게 발생시키지 못하는 문제가 발생한다. 배터리 채널별 LED의 밝기를 그림 10에 나타내었다.

그림 10의 그래프는 배터리와 연결되어 있는 5개 채널을 상온(25℃)에서 배터리 전압을 3.9 V ~ 4.3 V까지 변화 시켜 측정한 밝기 값을 도식화 한 것이다. 그림 10의 그래프에서 LED의 밝기 값은 각 채널별로 다른 것을 확인 할 수 있다. 이에 따라 본 논문에서는 기준이 되는 전압을 기반으로 LED의 밝기 값을 보정 하였다. 이러한 특성은 상온뿐만 아니라 모든 온도 범위 내에서 온도가 변함에 따라 각 소자의 측정 결과 역시 같은 변화의 특성을 갖는다. 보편적인 전자 회로에서 회로의 소자가 소모하는 전류의 세기는 온도에 따라 변화한다. 따라서 본 논문에서 제안하는 간접 측정 회로 또한 온도에 따라 소모하는 전류가 변화한다. 반면 LED는 소모하는 전류의 세기에 따라 빛의 세기가 변화하는 소자이므로 온도에 따라 Brightness의 값이 변화한다. 온도에 따른 Brightness의 변화를 그림 11에 나타내었다.

그림 11의 그래프에서 낮은 온도, 낮은 전압에서 같은 배터리 전압에서 Brightness의 차이가 큰 경향성을 띄는 것을 확인할 수 있다. 따라서 적절한 온도 보상 회로가 필요하다. 본 논문에서는 간접 측정 회로와 같은 회로를 regulator와 연결하여 해당하는 Brightness를 측정함으로써 Brightness에 해당하는 온도를 측정하여 각 LED의 Brightness에 offset을 주어 온도 보상회로를 구현하였다. 본 논문의 온도 보상 회로를 그림 12의 나타내었다.

그림 12의 회로에서 DAC(Digital Analog Converter)는 Digital 신호를 Analog 신호(전압)로 변환시켜주는 장치이다. 따라서 Digital 명령을 통해 Analog 값인 전압을 발생시킨다. 이를 활용하여 Control Unit에서 DAC가 발생시키는 전압을 제어함으로써 소자별, 현재 온도에 따라 알고 있는 전압($V_{DAC}[a]$)을 발생시켜 LED의 특성 기반한 Look-up table($DAC_{Br}$)을 확보한다. 따라서 배터리와 연결되어있는 MUX를 이용하여 DAC의 전압과 배터리 전압을 선택하게 함으로써 소자의 개별 차 및 현재 온도, 습도 등 외부적 요인에 따라 LED의 빛의 세기는 Look-up table과 같이 변화 하기때문에 배터리 셀의 전압을 정확하게 계산할 수 있게 하였다. 본 논문에서 배터리 셀 전압을 측정하는 Flow Chart를 그림 13에 나타내었다. 본 논문에서 사용한 알고리즘은 Control Unit에서 MUX를 제어하여 DAC와 LED를 연결한다. 이에 따라 DAC를 배터리의 동작 구간인 3 V ~ 4.3 V 까지 0.05 V 단위로 증가시켜 해당하는 LED의 빛의 세기($DAC_{Br}[a]$)를 측정한다. 그 후 Control Unit에서 MUX를 제어하여 LED와 배터리를 연결한다. 배터리 전압에 해당하는 LED의 빛의 세기($BAT_{Br}$)을 측정한다. 그 후 $DAC_{Br}[a]$과 $BAT_{Br}$을 비교하여 $V_{BAT}$을 계산한다. $V_{BAT}$은 $BAT_{Br}$와 가장 가까운 $DAC_{Br}[a]$을 찾아 $DAC_{Br}[a]$과 $DAC_{Br}[a-1]$을 직선으로 연결하여 직선 방정식을 만들어 계산한다. $V_{BAT}$을 계산하는 A와 B의 수식을 각각 (1)과 (2)에 나타내었다.

본 논문에서는 MUX를 활용하여 기준이 되는 DAC와 배터리의 LED를 공유 함으로써 사용하는 Diode와 LED의 개별 차와 온도에 따라 변화하는 빛의 세기를 기준이 되는 값과 동일하게 변화시켜 비교함으로써 외부적 환경 변화에 따른 측정 오차를 줄였다.

2.5 Structure of Light blocker

본 논문에서 제안하는 간접 측정 기술은 배터리 전압에 변화에 따라 LED의 빛의 세기를 측정하여 배터리 전압을 추정하는 시스템이 매우 중요하다. 본 논문에서는 LED의 빛이 새어 나가지 않도록 하는 구조물인 light blocker라고 정의한다. 설계된 light blocker을 그림 14에 나타내었다.

그림 14의 light blocker는 36개의 Battery Cell을 모니터링 할 수 있도록 설계된 구조물이다. 따라서 외부의 빛에 따라 측정된 Brightness의 영향을 주지 않도록 빛을 잘 흡수할 수 있는 구조로 설계되었다. Light blocker는 설계된 Printed Circuit Board(PCB)에 결합하여 사용하며 Light blocker의 꼭지점에 위치한 구멍을 통해 PCB에 고정할 수 있다. 따라서 빛이 새어 나가지 않도록 설계가 가능하다.

3.1 Structure of the designed overcharge protection device

간접 측정 시스템은 외부의 빛의 영향에 민감하게 반응한다. 따라서 구조적으로 외부의 빛이 간접측정 시스템에 영향을 주지않도록 해결하는 것이 중요하다. 따라서 본 논문에서는 시스템의 PCB를 복층구조로 설계함으로써 외부의 영향을 크게 줄였다. 설계된 PCB의 구조를 그림 15에 나타내었다.

그림 15의 구조에서 Sensor Board와 Control Unit 사이의 거리를 10cm 이하로 설계함으로써 LED의 빛이 온전하게 전달될 수 있도록 설계하였고, 복층구조를 통해 PCB의 크기를 작게 설계하였다.

3.2 Measurement of overcharge protection device

설계된 간접 측정 시스템을 그림 16에 나타내었다. 그림 16의 구조는 Control Unit의 설치된 36개의 LED와 1개의 Ref. LED 위에 Light Blocker를 결합하여 빛을 차단하고, 그 위에 Photo Sensor 기판을 결합하고 Diode Array 기판을 Control Unit에 결합하여 구성되는 시스템이다. 그림 16에 나타낸 보드는 총 36개의 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있도록 설계하였다. 본 논문에 BMS 보드는 Master와 Slave 형태의 구조로 관리되며 Master는 256개의 Slave를 담당할 수 있게 설계하였으며 총 256* 36 = 9,216개의 배터리 셀을 관리 할 수 있다. 아래 그림 16은 Slave 보드를 나타낸 그림이다.

설계된 보드의 상온(25℃)에서 LED 채널에 3.9 V ~ 4.3 V까지 전압을 인가하여 10번 이상 측정한 값의 평균을 표 1에 나타내었다.

온도 별 측정 결과는 그림 11에서 나타내었다. -20 °C ~ 60 °C에 온도변화에서 측정 값은 배터리 셀 전압($V_{BAT}$)과 DAC 전압($V_{DAC}$)을 확보하였고, 이를 기반으로 배터리 셀 밝기 값($BAT_{Br}$)과 DAC에 밝기 값($DAC_{Br}$)을 확보한 결과를 나타내고 있다. 측정된 배터리 셀 전압($V_{BAT}$)을 이미 알고 있는 DAC 전압($V_{DAC}$) 기반으로 규정함으로써 정확한 배터리 셀 전압($V_{BAT}$)을 인식할 수 있었다. 측정 결과 –20 °C ~ 60 °C의 온도변화에서 5mV의 오차 값을 갖고 전력량은 약 200 μW ~ 360 μW 정도 사용하는 것을 확인할 수 있었다. 5 mV의 오차 값은 보드를 통해서 얻은 측정된 배터리 셀 전압($V_{BAT}$)이 테스터기를 통해서 얻은 배터리 셀 전압을 비교하여 확인한 결과이다. 본 실험에서 사용한 측정장치인 ADC는 16Bit의 정확성을 나타낸다. 16Bit의 ADC의 전압을 산출하는 식을 (3)에 나타내었다.

식(3)의 $V_{Ref}$는 ADC에 사용된 기준전압으로 본 실험에서는 5V를 사용하였다. 또한 $V_{Measured}$는 측정된 전압을 나타낸다. 따라서 본 실험에서 사용된 ADC는 약0.0000763V의 오차 까지 표현이 가능하다. 또한, 다른 논문과의 비교 결과는 표 2와 같다. ⁽⁴⁾의 경우에는 BMS에 사용하는 전압 측정 방식이 아닌 전기 선로에 사용하는 방식이다. 다른 응용 분야이지만 격리 형태의 전압 측정 기술을 비교하였다. ⁽⁸⁾의 경우 무선 송수신기를 이용하여 물리적 연결 없이 전압 측정을 수행하였고 본 논문에서 제안하는 간접 측정 방식은 LED의 빛의 밝기를 이용하여 전압을 측정하였다.