2차 보호 고전류 리튬 이온 배터리를 위한 소자 기술

리튬 이온 배터리의 전류 증가

리튬 이온 배터리는 노트북 및 스마트폰과 같은 장치에 전원을 공급하는 데 사용됩니다.  기술의 발전으로 인해 더 높은 전류의 배터리 장치가 탄생했습니다. 최근에는 이러한 배터리가 무선 전동 공구 및 전기 오토바이 및 전기 자전거와 같은 개인 운송 차량을 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 응용 분야에도 사용되고 있습니다.

덱세리얼즈는 리튬 이온 배터리를 2차적으로 보호하는 퓨즈 부품 또는 SCP(자체 제어 보호기)를 제조합니다. 이제 SCP는 고전류 장치 애플리케이션에 필요합니다. 이 문서에서는 SCP 작동 방식에 대한 예를 설명합니다.

더 높은 전류를 처리하기 위해 2차 보호 요소(SCP)를 병렬로 연결

Dexerials에서는 리튬 이온 배터리의 2차 보호를 위해 단일 SCP를 설계했습니다. 간단한 구조와 구성을 갖는 것이 최적의 안전을 위해 가장 좋은 것으로 여겨집니다. 그러나 여러 가지 이유로 더 높은 전류를 처리하기 위해 여러 개의 SCP를 연결할 수 있는 경우가 있습니다. 그림 1은 이러한 병렬 회로의 다이어그램입니다.

그림 1은 정격 전류 30A의 SCP 세 개를 병렬로 연결하여 총 90A의 전류를 처리하는 회로를 보여줍니다. 이 회로도의 핵심은 다이오드(정류기)가 히터(저항기)에 연결되어 퓨즈 소자를 가열하고 차단한다는 것입니다.

다이오드가 필요한 이유

위에서 소개한 SCP 병렬 회로에는 다이오드 또는 FET(전계 효과 트랜지스터)를 반드시 포함해야 하며, 둘 다 동일한 기능을 합니다. 아래 그림 2는 과전류 보호 회로에 의해 차단되기 전 SCP의 병렬 회로를 보여줍니다. 여러 개의 SCP를 병렬로 연결할 수 있습니다. 따라서 여러 개의 SCP가 더 높은 전류를 처리할 수 있습니다. 나중에 설명하겠지만, 병렬 회로에 다이오드가 연결되지 않은 경우 퓨즈가 끊어지더라도 전류가 흐를 수 있는 경로가 남을 수 있습니다. 2차 SCP 보호의 기본 전제는 회로를 차단하여 모든 경로를 차단하여 전류가 흐르지 않도록 하는 것입니다.

아래 그림 3은 과전류 보호 후 SCP 퓨즈 소자의 사진을 보여줍니다. 정사각형 퓨즈 소자의 한 부분이 마치 수직으로 잘린 것처럼 용단되었습니다. 등가 회로(오른쪽 회로)에서 볼 수 있듯이 SCP 회로에는 퓨즈가 두 개 있지만 그중 하나만 용단되었습니다. 과전류 보호로 인해 회로가 파손되면 퓨즈 중 하나만 용단될 가능성이 높습니다. 정확히 말하면 퓨즈 중 하나(예: 전기 저항이 약간 높은 퓨즈)가 먼저 용단됩니다. 결과적으로 그 단계에서 전류 흐름이 중단되고 나머지 퓨즈는 용단되지 않습니다.

이제 병렬 연결에 다이오드가 없는 경우를 생각해 보겠습니다. 그림 4는 병렬로 연결된 3개의 SCP를 보여주며, 각각은 과전류 보호를 위해 융합되어 있습니다. A, B, C 세 개의 SCP는 모두 퓨즈1 또는 퓨즈2가 터졌다. 끊어진 퓨즈가 모두 같은 쪽(Fuse1 또는 Fuse 2)에 있으면 전체 회로가 끊어지고 리튬 이온 배터리가 보호됩니다. 그러나 그림 4에서 볼 수 있듯이 끊어진 세 개의 퓨즈가 모두 같은 쪽에 있지 않으면 회로에 약간의 전류가 계속 흐르게 됩니다. 이는 2차 보호의 무결성을 보장할 수 없는 위험이 있음을 의미합니다.

이 문제를 해결하기 위해 정류 다이오드를 추가합니다. 전류가 한 방향으로만 흐르도록 제한함으로써 어느 퓨즈가 끊어지든 회로가 차단됩니다. 전류를 제어하는 FET(전계 효과 트랜지스터)를 사용하여 정류할 수도 있으므로 다이오드 대신 사용할 수 있습니다(그림 5 참조).

충전 및 방전 시스템에서 2차 보호 요소(SCP)를 별도로 연결

그림 6은 무선 전동 공구나 전기 오토바이처럼 순간적인 고전류가 필요한 장비에 SCP를 사용할 때의 회로 예를 보여줍니다. 방전 회로와 충전 회로는 분리되어 있으며, SCP 충전 회로에만 사용됩니다.

일반적으로 전동 공구에서도 충전에는 약 3~10A의 낮은 정격 전류가 사용됩니다. 반면, 전기 오토바이가 언덕길을 오르기 시작할 때처럼 많은 전력이 필요한 경우에는 100A 이상의 높은 정격 전류를 사용하는 경우가 많습니다. 충전 회로와 방전 회로가 동일하다면, 방전 시 발생하는 높은 전류로 인해 SCP 파손될 수 있습니다. 따라서 운송 및 전동 공구 배터리에 SCP를 사용할 때는 회로를 방전과 충전으로 분리해야 합니다. 또한 과충전 방지용으로 설계된 충전 회로에만 사용해야 합니다.

리튬 이온 배터리는 그 적용 분야가 확대됨에 따라 용량과 전류 모두 증가하고 있습니다. 리튬 이온 배터리를 사용하는 대형 장비의 안전을 위해 덱세리얼즈는 SCP의 지속적인 개선을 위해 끊임없이 노력할 것입니다.