2차 보호 고전압 리튬 이온 배터리를 위한 소자 기술

리튬 이온 배터리는 고전압 장치에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

지난 몇 년 동안 리튬 이온 배터리의 응용 분야가 크게 확장되었습니다.  노트북, 스마트폰, 태블릿 PC 및 기타 장치는 4V에서 12V 범위의 전압을 가진 배터리 팩을 사용합니다. 그러나 현재는 고전압(수십 대의 전압)을 가진 리튬 이온 배터리가 전동 공구, 비상 전원, 전기 자전거, 전기 오토바이 등 하나의 배터리 팩에 10개 이상의 셀을 연결하여 사용되고 있습니다. 따라서 과충전 또는 기타 문제가 발생할 경우 회로를 안전하게 차단하는 자체 제어 보호기(SCP)*도 고전압을 처리할 수 있어야 합니다.

* SCP는 덱세리얼스가 1994년에 판매를 시작한 리튬 이온 배터리의 2차 보호용 퓨즈 요소입니다. SCP는 리튬 이온 배터리를 사용하는 많은 장치에 설치됩니다.

2차 보호 소자를 이용한 고전압 장비용 보호 회로의 3가지 예(SCP)

고전압 장치용 SCP를 사용하여 보호 회로를 구축하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 아래에서는 권장되는 세 가지 일반적인 방법을 설명합니다.
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1. 부분 구동 제어

"부분 구동 제어"는 배터리의 일부 셀을 SCP에 연결하는 방법입니다. 예를 들어 위에 표시된 것처럼 배터리의 10개 셀 중 5개에 대한 회로가 SCP에 연결됩니다. 그림의 왼쪽에 있는 배터리 팩 중앙의 5번째 셀의 회로는 스위치 역할을 하는 전계 효과 트랜지스터(FET)에 연결됩니다. 그런 다음 FET가 5개 셀의 전압을 처리할 수 있는 SCP에 연결됩니다. 보호 IC가 지정된 값을 초과하는 전압을 감지하면 FET가 켜지고 SCP 가열되고 퓨즈 소자가 끊어지며 리튬 이온 배터리가 충전/방전 회로에서 분리됩니다.

이 회로를 보면 1번부터 5번까지 5개 셀의 배터리 결함만 감지할 수 있다고 생각할 수 있지만 그렇지 않습니다. FET에 연결된 2차 보호 IC는 10개 셀 모두의 전압과 전류를 모니터링합니다.  따라서 SCP에 직접 연결되지 않은 나머지 5개의 셀이 고장나더라도 회로는 여전히 중단됩니다. 이 방법은 회로가 특별한 부품을 사용하지 않고 간단한 구성을 가지고 있기 때문에 상대적으로 저렴한 비용으로 고전압 장비에 사용되는 리튬 이온 배터리에 대한 2차 보호를 제공할 수 있습니다.

2. 정전류 구동 제어

SCP에 내장된 히터에는 회로가 있어 지정된 전압을 초과하면 보호 IC가 전류를 흐르게 하고 열을 발생시킵니다. SCP가 과충전을 감지하면 히터에서 발생하는 열을 사용하여 퓨즈 요소를 끊고 회로를 차단합니다. 당연히 전압의 변동에 따라 히터에 흐르는 전류가 변하면 발생하는 열량이 변해 결과적으로 퓨즈를 끊는 데 걸리는 시간이 달라집니다. 따라서 히터를 통해 흐르는 전류는 이상적으로는 변동이 작아야 합니다. 이 방법에서는 2차 보호 IC와 SCP 사이의 "정전류 회로"가 히터에 전류가 일정하게 흐르도록 합니다. 위의 다이어그램은 8-30W에서 작동할 수 있는 SCP (모델 번호: SFJ-2015U)을 삽입하면 1A의 전류에서 회로가 차단된다는 것을 보여줍니다. 안정성은 향상되지만 정전류 회로 자체가 복잡하기 때문에 비용이 많이 듭니다. 이 방법은 더 높은 회로 안정성을 위해 권장됩니다.

3. 펄스 폭 변조 제어　

이 방법은 2차 보호 IC를 통해 FET 온/오프 기능을 펄스로 제어하여 총 전력을 낮춥니다. 위 그림은 앞서 언급한 정전류 구동 제어 방식에 사용되는 것과 동일한 SCP (모델 SFJ-2015x, 작동 전압 범위 14.4-23.5V, 8~30V)를 사용합니다. 일반적으로 SCP 작동 범위를 벗어난 전압이 30V인 회로에서는 퓨즈 요소가 끊어지기 전에 히터 회로가 끊어지기 때문에 사용할 수 없습니다. 그러나 펄스 제어 방식을 사용하는 경우 전류를 반복적으로 켜고 꺼서 총 전력을 낮출 수 있습니다. "켜짐"과 "꺼짐"의 비율이 1:1이라고 가정하면 전력은 ~15.5 – 25W로 감소하여 전압이 30V인 회로에서 SCP 사용할 수 있습니다.

이 방식은 IC가 FET의 온/오프 기능을 제어하기 때문에 신뢰성이 매우 높습니다. 또한, 일반적인 SCP는 각 소자의 전압 범위가 5~9V 또는 10.5~19.6V와 같이 고정되어 있는 반면, 펄스 제어 방식은 3~20V와 같이 넓은 전압 범위를 허용합니다.

고전압 애플리케이션에서 리튬 이온 배터리를 보호하기 위해 위에서 언급한 세 가지 방법이 권장됩니다. 리튬 이온 배터리의 적용 분야가 계속 증가함에 따라 배터리 전압 또한 높아질 것입니다. 덱세리얼즈는 이러한 배터리 보호에 대한 풍부한 지식과 기술을 보유하고 있습니다. 고전압 장비에서 리튬 이온 배터리 사용에 대한 문의 사항은 덱세리얼즈에 언제든지 연락해 주십시오.

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