배터리 셀 전압 측정의 핵심: CMV와 Isolation
배터리 테스트를 하다 보면 매우 단순해 보이는 측정이 하나 있습니다. 바로 각 Cell의 전압을 측정하는 것입니다. 예를 들어 Li-ion Cell 하나의 전압이 3.7 V라면, 일반적인 DMM으로 Cell 양단을 측정하면 될 것처럼 보입니다. 하지만 여러 개의 Cell이 직렬로 연결된 Battery Pack에서는 이야기가 완전히 달라집니다. 예를 들어 100개의 Cell이 직렬로 연결되어 있고 각 Cell이 약 4 V라면 전체 Stack Voltage는 약 400 V입니다.이때 50번째 Cell의 전압은 여전히 약 4 V이지만, 그 Cell의 두 단자는 Ground를 기준으로 보면 대략 196~200 V 부근에 존재합니다.
즉, 측정하고 싶은 신호는 4 V인데, 측정 시스템이 실제로 노출되는 전압은 약 200 V일 수 있습니다.
이것이 Battery Cell Voltage Measurement에서 가장 중요한 개념 중 하나인 Common-Mode Voltage(CMV)입니다.
1. Cell Voltage는 작지만 Common-Mode Voltage는 크다
Cell voltage를 다음과 같이 생각할 수 있습니다.
| 셀 (Cell) | 전압 (Voltage) |
| Cell 1 | 4 V |
| Cell 2 | 4 V |
| Cell 3 | 4 V |
| … | … |
| Cell 50 | 4 V |
| … | … |
| Cell 99 | 4 V |
| Cell 100 | 4 V |
100개의 Cell이 직렬 연결되어 있다고 가정해 봅시다.
Cell 50만 측정한다고 하면 우리가 원하는 값은 다음과 같습니다.
Vcell50 = V50+ – V50- ≈ 4 V
그런데 Ground를 기준으로 보면,
V50- ≈ 196 V
V50+ ≈ 200 V
가 될 수 있습니다.따라서 측정 시스템 입장에서는 다음과 같은 상황입니다.
Differential Voltage = 4 V
Common-Mode Voltage ≈ 198 V
즉, Differential Voltage와 Common-Mode Voltage는 완전히 다른 개념입니다. NI 역시 배터리나 연료전지 Stack에서 개별 Cell은 수 V 수준이지만 Stack 전체 전압 때문에 매우 높은 DC common-mode voltage 위에 놓일 수 있다고 설명합니다.
2. Common-Mode Voltage(CMV)란?
CMV에 대해서는 이전에 제가 올린 공통 모드 전압(Common Mode Voltage) 글을 참조하세요.
위 예시에서 알아야하는 상황은 4V를 측정하고 싶지만 측정 장비의 입력단은 약 200 V의 전위에 놓인다는 것입니다. 여기서 다음과 같은 생각이 결국 측정 시스템의 잘못된 설계로 이어지게 됩니다.
DAQ의 입력 범위가 ±10 V이면 4 V를 측정할 수 있으니까 사용해도 되는 것 아닌가?
3. 왜 일반 DAQ를 직접 연결하면 안 되는가?
일반적인 DAQ의 Differential Input을 생각해 보겠습니다.
DAQ가
Input Range = ±10 V
라고 되어 있다고 해서
VIN+ – VIN- = 4 V
이면 무조건 안전한 것은 아닙니다. DAQ의 입력 회로는 Earth Ground 또는 DAQ Ground를 기준으로 동작하기 때문입니다. 예를 들어,
VIN+ = 200 V
VIN- = 196 V
인데 DAQ의 허용 Common-Mode Voltage가 낮다면,
라는 상황 자체가 입력 회로에 과도한 전압이 될 수 있습니다.
NI는 DAQ의 isolation이 measurement amplifier의 ground reference를 Earth Ground와 분리하여 common-mode voltage에 대한 허용 범위를 증가시킬 수 있다고 설명합니다. 따라서 DAQ의 Differential Input Range와 Common-Mode/Working Voltage Rating은 반드시 별도로 확인해야 합니다.
4. Isolation이 중요한 이유
전기적 Isolation은 단순히 “고전압에서 사람을 보호하기 위한 것”만은 아닙니다. 측정 시스템에서 Isolation은 크게 다음과 같은 역할을 합니다.
- High Voltage와 측정 시스템의 전기적 연결을 끊는다.
- Ground Loop를 방지한다.
- Common-Mode Voltage를 견딜 수 있게 한다.
- 측정 장비를 고전압 영역에서 보호한다.
- 여러 개의 Floating Signal을 측정할 수 있게 한다.
- 시스템 Noise와 Ground Potential Difference의 영향을 줄인다.
NI는 isolation이 ground loop를 제거하고, high common-mode voltage로부터 측정 장비를 보호하며, noise immunity를 향상시킬 수 있다고 설명합니다. 특히 Battery Stack에서는 Channel-to-Earth Isolation뿐만 아니라 Channel-to-Channel Isolation도 매우 중요합니다.
5. Channel-to-Earth Isolation과 Channel-to-Channel Isolation
이 부분은 실제 시스템 설계에서 매우 중요합니다.
Channel-to-Earth Isolation
각 측정 채널이 Earth Ground와 절연되어 있는 구조입니다.
DAQ 전체가 Battery Stack과 절연되어 있을 수 있습니다. 하지만 이것만으로 충분하지 않을 수 있습니다. CH1이 CH2/CH3에 영향을 줄수 있기 때문입니다.
Channel-to-Channel Isolation
각 채널이 서로 전기적으로 분리되어 있는 구조입니다.
각 채널의 local ground가 서로 다르게 floating할 수 있습니다.
NI의 DAQ 관련 자료에서도 channel-to-channel isolation과 channel-to-earth isolation은 서로 다른 사양으로 구분해서 설명합니다. 따라서 Battery Cell Measurement 시스템을 선택할 때는 단순히 “Isolated DAQ인가?”만 볼것이 아니라 “어떤 Isolation 구조인가?”를 봐야만합니다. 배터리 Cell Measurement 시스템에서는 채널간 절연이 필수 적이며, 단순히 Channel-to-Earth 절연 구조만이 적용된 DAQ는 사용할수 없습니다.
7. 그렇다면 일반 Oscilloscope는 왜 문제가 되는가?
Oscilloscope도 주의해야 합니다. 많은 일반적인 Bench Oscilloscope의 BNC 입력 Ground는 서로 연결되어 있고, 또한 Earth Ground와 연결되어 있습니다. 따라서 다음과 같이 연결하면 문제가 발생할 수 있습니다.
특히 서로 다른 위치의 Cell을 일반 Scope의 여러 채널로 측정하면서 각 Channel의 Ground Clip을 서로 다른 Battery Node에 연결하면 매우 위험합니다. 왜냐하면 일반적인 Scope에서는 여러 Channel의 Ground가 공통으로 연결되어 있을 수 있기 때문입니다.
결국 의도하지 않았던 경로가 만들어질 수 있습니다. 이것은 Battery Cell 하나를 측정하는 것이 아니라 Battery Cell 또는 여러 Cell을 측정 장비를 통해 단락시키는 결과가 될 수 있습니다. 따라서 고전압 Battery Stack에서 일반 Bench Oscilloscope를 사용할 때는 반드시 Scope의 입력 구조, Grounding, Isolation 및 Probe의 정격을 확인해야 합니다.
오실로스코프를 이용하여 배터리 셀을 측정하기 위해서는 고전압 차동 프로브를 이용하여 측정하면 문제가 해결됩니다. 고전압 차동 프루브는 오실로스코프로의 출력을 CMV 레벨로 낮춰주는 역할을 합니다. 물론 고전압 차동 프루브를 DAQ에 연결하면 DAQ를 이용하여 별도의 Isolation없이 측정이 가능합니다.
8. DMM은 오히려 Battery Cell Voltage 측정에 적합하다
그렇다면 가장 단순한 해결 방법은 무엇일까요? 의외로 DMM입니다. Battery Cell의 DC Voltage를 정확하게 측정하는 것이 목적이라면 DMM은 매우 좋은 선택입니다. 단순히 DMM의로 측정하고자흔 포인트를 측정하면 됩니다. 그 이유는 기본적으로 DMM은 Differential 입력을 받으며,대지와의 Isolation또한 적용이 되어있기 때문입니다.
문제는 여러 개의 Cell을 측정해야 한다는 것입니다. 100 Cell을 측정하기 위해 DMM 100대를 사용할 수는 없습니다.그래서 등장하는 것이 DMM + Multiplexer / Switch 구성입니다.
9. DMM + Switching 방식
기본 구조는 단순합니다. 측정하고자하는 포인트를 Relay등의 Multiplexer를 이용하여 스위칭하고 스위칭 돈 포인트를 DMM을 이용하여 측정하는 것입니다.
Tektronix/Keithley의 Battery 측정 자료에서도 수백 개의 Cell을 가진 Battery Pack에서는 multichannel DMM과 switching system을 이용하는 방법을 소개하고 있습니다. 다만 switch 자체의 signal level과 common-mode voltage rating도 반드시 고려해야 합니다. Multiplexer에 사용되는 스위칭 소자(릴레이, SSR)등의 CMV가 높지 않다면, 문제가 생길수 있으니, 이부분도 반드시 확인 하시기 바랍니다.
10. DMM + Switching의 장점
이 방식의 가장 큰 장점은 정확도입니다. 특히 다음과 같은 용도에 적합합니다.
- Cell OCV 측정
- Self-discharge Test
- Long-term Monitoring
- Battery Characterization
- Cell-to-Cell Voltage Difference 분석
- 매우 작은 Voltage Difference 측정
- Production EOL Test
예를 들어 4.000 V와 4.005 V의 차이를 정확하게 보고 싶다면 DMM 기반 시스템이 매우 유리합니다. 고정밀 DMM은 DAQ보다 일반적으로 DC Voltage Accuracy와 Resolution 측면에서 유리한 경우가 많습니다. 다만 중요한 문제가 하나 있습니다. “Switch도 Battery Stack의 높은 Common-Mode Voltage를 견뎌야 합니다.” 특히 사용하지 않는 Switch Channel에도 높은 전위가 존재할 수 있기 때문에 Switch의 channel-to-channel 및 channel-to-ground rating을 확인해야 합니다.
하지만 이 방식의 최대 단점은 속도에 있습니다. Multiplexer를 이용한 측정이기 때문에 측정속도가 빠를수 없습니다. 속도가 중요한 경우에는 DAQ + Isolator방식이 유리합니다.
11. DAQ + Isolator 방식
두 번째 방법은 DAQ와 각 채널별 Isolator Conditioning Unit을 설치하는 방식입니다. Isolation Unit으로는 고전압 Differential Probe나, HV Isolator 제품등을 활용하여야 합니다. 이 구조의 가장 큰 장점은 동시에 여러 Cell을 측정할 수 있다는 것이며, 고속으로 측정이 가능합니다.
12. DAQ + Isolation의 장점
DAQ 기반 시스템은 다음과 같은 경우에 적합합니다.
- 많은 채널을 동시에 측정
- 빠른 Sampling
- Charge/Discharge 중 Dynamic Voltage 측정
- Current와 Voltage의 동기 측정
- Transient 분석
- Cell Voltage와 Temperature 동시 측정
- Real-time Control
- Waveform Analysis
예를 들어 Battery에 큰 Load가 연결되고, 전류/전압이 빠르게 변할 때 Cell Voltage가 어떻게 변화하는지 보고 싶다면 순차 측정하는 DMM보다 동시 Sampling 가능한 DAQ가 유리합니다.
13. 측정 속도와 정확도에 따라 DMM과 DAQ의 선택이 달라진다
여기서 중요한 것은 속도와 정확도는 같은 방향으로 움직이지 않는다는 것입니다.
정확도가 가장 중요한 경우 DMM+Multiplexer의 조합을 우선 고려합니다.
예:
- OCV
- Self-discharge
- Calibration
- Cell grading
- Reference measurement
많은 채널이 중요하고, 측정 Sampling Rate가 중요한 경우 DAQ + Isolator의 조합을 선택합니다.
| 목적 | 추천 방식 |
|---|---|
| 최고 정확도 | DMM |
| OCV 측정 | DMM + Switch |
| Self-discharge | DMM + Switch |
| 수십~수백 채널 | Multichannel DMM / DAQ |
| 빠른 Sampling | Isolated DAQ |
| 동시 Sampling | Isolated DAQ |
| Current + Voltage Synchronization | DAQ |
| Dynamic Load Test | DAQ |
| Transient 분석 | Isolated DAQ + Scope |
| Production Test | DMM + Switch |
| Battery Characterization | DMM + Switch 또는 DAQ |
| Long-term Monitoring | DMM + Switch / DAQ |
| 매우 높은 정확도의 Reference Measurement | High-end DMM |
이 세 가지 질문이 시스템 선택을 결정합니다.
14. Resistor Divider를 사용하면 되는 것 아닌가?
또 하나 자주 나오는 질문입니다. “400 V Battery를 4 V로 낮춰서 DAQ에 넣으면 되지 않는가?” 원리는 가능합니다.
예를 들어,
형태의 resistor divider를 사용할 수 있습니다. 하지만 Cell Voltage 측정에서는 문제가 생깁니다. 우리는 400 V 전체가 아니라 각 Cell의 약 4 V를 측정해야 하기 때문입니다. 그리고 고전압 Stack에서는 resistor divider 자체가 Battery와 측정 시스템 사이의 isolation을 제공하지 않습니다.즉, Voltage scaling과 Electrical Isolation은 서로 다른 문제입니다. 고전압 DC Bus 측정에서도 resistor divider와 isolation amplifier를 함께 사용하는 구조가 일반적으로 고려됩니다.
