ADI 배터리 관리 솔루션으로 스마트한 모바일 로봇 구현하는 방법

요약

빠르게 진화하는 자동화 창고 및 제조 시설 환경에서는 공정의 각 구성 요소에 대한 세심한 제어가 무엇보다 중요하다. 사소한 가동 중단 시간도 큰 영향을 미칠 수 있다. 자율 이동 로봇(autonomous mobile robot, AMR)과 무인 운반 차량(automated guided vehicle, AGV)은 이 생태계에서 중요한 역할을 담당하므로 정밀한 모니터링 및 자동 안전 복구 시스템을 구현해야 한다.

또 다른 중요한 주제는 배터리의 성능을 최적화하고 전체 수명을 연장하여 불필요한 낭비를 최소화하고 귀중한 자원을 보존할 수 있는 배터리의 효율적인 모니터링이다. 이 글에서는 배터리 효율성을 개선하는 데 사용되는 몇 가지 중요한 지표에 대해 간략하게 설명하고 이러한 애플리케이션을 위한 배터리 관리 시스템을 선택할 때 고려해야 할 주요 사항에 대해 안내한다.

머리말

그림 1과 같이 자율 이동 로봇(autonomous mobile robot, AMR)을 설계할 때 적절한 배터리 팩과 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)을 선택하는 것은 중요하다. 공장이나 창고와 같이 긴밀하게 통합된 환경에서는 매순간 중요한 만큼 모든 구성 요소가 안전하고 안정적으로 작동하도록 하는 것이 중요하다.

BMS 솔루션은 배터리의 충전 및 방전에 대한 정확한 측정을 제공하여 가용 용량을 극대화할 수 있다. 또한 정밀한 측정을 통해 모바일 로봇의 스마트한 작업의 흐름을 위한 필수 파라미터인 SoC(state of charge)와 DoD(depth of discharge)를 정확하게 계산할 수 있다. 마찬가지로 시스템의 안전에 대한 측면도 중요하므로 이러한 애플리케이션을 위한 시스템을 선택할 때 과충전 보호 및 과전류 감지를 모두 제공하는 BMS 기술을 고려하는 것이 중요하다.

BMS란?

BMS는 배터리 팩 또는 개별 셀의 다양한 파라미터를 면밀히 모니터링하는 데 사용할 수 있는 전자 시스템이다. 안전하고 신뢰할 수 있는 작동을 보장하면서 배터리의 최대 가용 용량을 달성하는 데 매우 중요하다. 효율적인 시스템은 배터리의 가용 용량을 안전하게 최적화할 수 있을 뿐 아니라 엔지니어에게 셀 전압, SoC, DoD, SoH(state of health), 온도 및 전류와 같은 중요한 파라미터를 제공하여 시스템에서 최상의 성능을 끌어내는 데 사용할 수 있다.

SoC, DoD, SoH의 개념과 AGV 및 AMR에서 이것이 중요한 이유

SoC, DoD, SoH는 BMS에서 시스템의 정상 여부, 조기 결함 감지, 셀 노화, 남은 작동 시간을 판단하는 데 사용되는 몇 가지 일반적인 매개 변수다. SoC는 충전 상태를 나타내며 총 용량 대비 배터리 충전 수준으로 정의할 수 있다. SoC는 일반적으로 0% = 비어 있음, 100% = 가득 찼음을 백분율로 표시한다.

SoH는 정격 용량(Crated) 대비 방출할 수 있는 배터리의 최대 용량(Cmax)으로 정의할 수 있다.

DoD는 SoC와 반대되는 지표로, 정격 용량(Crated) 대비 방전된 배터리의 비율(Creleased)로 정의된다.

AMR 솔루션과의 관련성

배터리의 SoC는 배터리 아키텍처에 따라 다르지만, 배터리 상태를 측정하는 정밀한 시스템이 필요하다. 일반적으로 사용되는 배터리의 두 가지 주요 유형은 리튬 이온 배터리와 납축 배터리다. 각각 장단점이 있으며 다양한 하위 카테고리가 있다. 일반적으로 리튬 이온 배터리는 다음과 같은 이유로 로봇에 더 적합한 배터리로 간주된다.

• 납축 배터리의 8~10배에 달하는 높은 에너지 밀도

• 리튬 이온 배터리는 같은 용량의 납축 배터리보다 가볍다.

• 납축 배터리 충전은 리튬 이온 배터리를 충전하는 것보다 시간이 오래 걸린다.

• 리튬 이온 배터리는 수명이 길기 때문에 가능한 충전 횟수가 더 많다.

그러나 이러한 장점은 더 높은 비용과 함께 제공되며 성능의 이점을 완전히 실현하기 위해 해결해야 할 특정 과제가 있다. 실제 애플리케이션에서 이를 더 잘 설명하기 위해 납축 배터리와 리튬 이온 배터리의 DoD를 비교한 그림 2의 도표를 분석해 볼 수 있다. 리튬 이온 배터리의 경우 DoD가 0%에서 80%로 올라가는 동안 팩 전압의 변화가 거의 없음을 알 수 있다. 일반적으로 리튬 이온 배터리의 경우 80% DoD가 하한선이며 그 이하로 내려가면 위험한 수준으로 간주할 수 있다.

그러나 리튬 이온 배터리의 팩 전압은 사용 가능한 범위 내에서만 미미하게 변화하기 때문에 미세한 측정 오류에도 성능이 크게 저하될 수 있다. 실제 시나리오를 통해 이를 설명해 보자. 아래 그림의 AMR이 24V 시스템이고 각 셀의 용량이 완전 충전 시 3.4V인 27.2V LiFePo4 배터리 팩을 사용한다고 가정해 보자(그림 3).

이러한 배터리용 SoC의 일반적인 프로파일은 표 1에서 확인할 수 있다.

SoC 셀 전압 팩 전압

100% 3.4 27.2

90% 3.35 26.8

80% 3.32 26.6

70% 3.3 26.4

60% 3.27 26.1

50% 3.26 26.1

40% 3.25 26

30% 3.22 25.8

20% 3.2 25.6

10% 3 24

0% 2.5 20

표 1 - LiFePo4 배터리 셀 및 팩 전압 데이터의 예

LiFePo4 배터리의 경우, 사용 가능한 범위는 다양할 수 있지만 최소 SoC는 10%, 최대는 90%를 고려하는 것이 좋다. 최소 수준보다 낮으면 배터리 내부 단락이 발생할 수 있으며 90% 이상으로 충전하면 배터리 수명이 단축된다. 표를 고려할 때 셀당 전압 범위는 350mV이며, 8개 셀이 있는 27.2V 팩의 경우 3.2V다. 이를 염두에 두고 다음과 같은 가정을 도출할 수 있다. LiFePo4 배터리의 사용 가능한 셀 전압 범위가 350mV인 경우, 셀 측정 오류가 1mV 증가할 때마다 범위가 0.28%씩 감소한다.

배터리 팩 비용이 $4000인 경우 오류 비용은 다음과 같다. 4000 × 0.28% = $11.20/mV 오차, 즉 배터리 팩이 해당 범위에서 과소 사용된다는 의미다. 범위의 0.28%는 무시할 수 있는 수치로 보일 수 있지만, 여러 AMR 시스템으로 확장하면 이 비율에 수백 또는 수천을 곱할 수 있으므로 중요한 요소가 될 수 있다. 자연적인 배터리 성능 저하를 고려하면 이 요소의 중요성은 더욱 커진다.

시간이 지남에 따라 배터리의 최대 SoC가 저하되기에(그림 4) 자연적인 성능 저하도 배터리 상태에 중요한 역할을 하므로, 셀을 정밀하게 측정하는 것이 자연적인 성능 저하 후에도 최적의 수준으로 성능을 유지하는 가장 좋은 방법이다. 모든 파라미터를 모니터링하고 배터리 사용량을 정밀하게 제어하는 것이 배터리 수명을 연장하고 모든 충전 단위를 활용하는 가장 좋은 방법이다.

ADI BMS 솔루션의 생산성 향상과 문제 해결 원리

그렇다면 모바일 로봇 애플리케이션의 성능을 향상시키고 고성능을 달성하기 위해 ADI의 BMS는 어떤 기술을 제공할 수 있을까. 배터리 관리의 정밀도는 셀을 정밀하게 측정하여 배터리 효율을 크게 향상시켜 다양한 배터리 화학 물질에 걸쳐 SoC를 보다 정확하게 제어하고 예측할 수 있도록 한다. 각 셀을 개별적으로 측정하면 배터리 상태를 안전하게 모니터링할 수 있다.

이러한 정밀한 모니터링은 균형 잡힌 충전을 가능하게 하여 셀의 과충전 및 방전을 방지한다. 또한 동기식 전류 및 전압 측정은 수집된 데이터의 정확도를 높인다. 매우 빠른 과전류 감지 기능으로 빠른 고장 감지 및 비상 정지가 가능하여 안전과 신뢰성을 보장한다. ADBMS6948은 모바일 로봇에 필요한 모든 주요 사양을 제공하지만, 모바일 로봇을 위한 BMS 설계 고려 사항과 함께 몇 가지 중요한 사양은 다음과 같다.

• 수명 기간 동안 작은 총 측정 오차(TME)(-40°C ~ +125°C)

• 셀 전압의 동시 및 연속 측정

• 내장된 isoSPI 인터페이스

• 외부 보호 장치 없이 핫 플러그 내성 지원

• 패시브 셀 밸런싱

• 키오프 상태의 셀 및 온도 모니터링을 위한 저전력 셀 모니터링(LPM)

• 낮은 절전 모드 공급 전류

폐기물 감소 및 환경 보호

국제에너지기구(IEA)의 2023년 배터리 보고서에 따르면, 배터리는 청정 에너지 전환의 필수 구성 요소다. 이러한 자원을 적절히 관리하는 것이 중요하다는 점을 인식하는 것이 중요하다. 배터리를 구성하는 물질은 환경으로부터 추출하기 어렵기 때문에 최적의 활용이 필요하다. 충전 및 방전 매개변수를 효율적으로 관리하면 배터리의 수명을 연장하여 교체할 필요 없이 더 오랫동안 사용할 수 있다.

ADI의 BMS 기능이 제공하는 과전류 보호 기능으로 위험 요소가 낮아 매우 안전하게 동작할 수 있으며 배터리와 부하로 연결된 시스템 모두 손상될 위험을 줄일 수 있다. 리튬 이온 배터리의 성능 저하 요인의 몇 가지 예는 그림 5에서 볼 수 있으며, 이러한 요인은 연소 및 폭발과 같은 위험한 상황으로 이어질 수 있으며, 이는 곧 치명적인 결과를 초래할 수 있다.

배터리 성능 저하에 영향을 미치는 모든 매개변수를 측정, 처리 및 조치하여 시스템이 필요한 수명 동안 작동할 수 있는 최적의 조건을 제공할 수 있다. 최적화된 관리로 배터리를 더 오래 사용할 수 있어 불필요한 배터리 셀의 폐기를 효과적으로 줄일 수 있으므로 배터리 수명을 늘리는 것은 폐기물 감소에 중요한 요소다.

결론

요약하면, BMS는 모든 파라미터를 정밀하게 제어함으로써 시스템의 전반적인 성능을 향상시킬 뿐 아니라 비용과 낭비도 줄일 수 있다는 결론을 내릴 수 있다. 점점 더 자동화되고 모바일 로봇의 성능 향상을 추구하는 진화하는 제조 환경에서는 자산을 정밀하게 제어하고 관리하는 것이 필수적이다.

헬로티 서재창 기자 |