개요: Li+ 배터리의 충전 과정은 한 시간 이상이 걸릴 수 있으므로 자연 부하(배터리 등)를 사용하여 Li+ 배터리 충전기를 테스트하는 데에는 많은 시간이 소요되고 불편함이 따른다. 이 애플리케이션 노트에서는 Li+ 배터리의 특성을 시뮬레이트하는 간단한 회로를 소개함으로써 실제 배터리를 사용하는 것보다 Li+ 배터리 충전기를 테스트하는 보다 간편한 방법을 제공한다.
리튬 이온 (Li+) 배터리는 다른 화학 배터리보다 정교하고 남용에 대한 허용오차가 거의 없다. 결과적으로 Li+ 배터리 충전기는 복잡한 회로이며 정확한 전류와 전압 설정을 요구한다. 이러한 정밀한 요구사항이 만족되지 않으면 충전기는 배터리를 완전하게 충전하지 못하거나 배터리 수명을 심각하게 단축시키고 그렇지 않을 경우 배터리 성능을 저하시킬 수 있다.
Li+ 충전기에 대한 요구사항을 고려해 볼 때 충전기 설계는 완전하게 테스트되고 전체 동작 범위의 모든 단계를 거쳐야 한다. 그러나 실험실과 생산 환경에서 자연 부하(Li+ 배터리 등)를 사용하여 Li+ 충전기를 테스트하는 것은 많은 시간이 소요되고 비실용적이다. 이 글에서는 이러한 과정을 단축할 수 있도록 실제 배터리를 사용하지 않으면서 Li+ 배터리 충전기를 실제로 빠르게 테스트하는 배터리 에뮬레이션 회로를 소개한다.
CC-CV 충전
Li+ 배터리 충전 과정은 1단계에서 중간 정확도의 정전류 (CC) 충전과 2단계에서 높은 정확도의 정전압 (CV) 충전을 필요로 한다.
그림 1은 Li+ 배터리 충전기에 사용되는 최신 CC-CV 집적 회로 (MAX1737)의 V-I 특성을 보여준다. 가전 제품에 사용되는 모든 Li+ 배터리 충전기의 핵심에는 이러한 종류의 IC가 있다. 그림에는 CC (2.6V ~ 4.2V 배터리 전압) 및 CV (4.2V) 영역이 잘 나타나 있다.
그림 1. MAX1737의 이 V-I 곡선은 Li+ 셀 충전기에서 일반적으로 볼 수 있는 모양이다.
2.6V 미만의 영역은 다른 충전 기법을 필요로 한다. 2.6V 미만으로 방전된 배터리에서 충전이 시도되면 충전기는 배터리가 2.6V 레벨에 도달할 때까지 저전압 ("컨디셔닝 전류") 충전 전류를 인가한다. 이것은 과방전 시 나타나는 Li+ 배터리의 특성으로 인해 도입된 안전 메커니즘으로 VBATT가 2.6V 미만일 때 고속 충전 전류가 인가될 경우 배터리가 회복 불가능한 단락 회로 상태에 놓일 수 있기 때문이다.
CC에서 CV 단계로 전환하는 천이 지점은 ±40mV의 임계 허용오차를 갖는다. 이와 같이 좁은 허용오차를 갖는 이유는 이보다 더 낮은 CV에서는 배터리가 완전한 충전을 할 수 없고 이보다 더 높은 값은 배터리의 수명을 감소시키기 때문이다.
충전 과정의 종료는 배터리가 완전 충전에 도달했는지 그리고 충전기가 연결 해제 또는 셧다운되어야 하는지를 감지하는 단계가 포함된다. 이것은 CV 단계에 있는 동안 충전 전류가 고속 충전 또는 최대 충전 전류의 아주 작은 부분(보통 10% 미만)으로 감소되는 지점을 검출함으로써 이루어진다.
Li+ 충전기 파라미터 테스트
Li+ 배터리 충전기 설계는 보통 두 가지 기본 빌딩 블록인 디지털 블록(제어 스테이트 머신)과 정확도가 높은 (1% 이상) 기준전압을 가지며 적절히 레귤레이트된 전류/전압 전원으로 구성되는 아날로그 블록을 갖는다. IC뿐 아니라 Li+ 충전기 제품에 대한 완전한 테스트는 단지 일정 전류나 전압 값을 검증하는 것 이상의 더 복잡하고 많은 시간이 소모되는 작업이다.
테스트에서 충전기는 CC 단계를 통과하여 CC-CV 천이를 거쳐 충전 종료까지 전체 동작 범위를 거쳐야 한다. 이러한 테스트에서 가장 실제와 같은 조건은 충전기에 자연 부하인 Li+ 배터리를 사용하는 것이지만 충전 과정이 한 시간 이상 걸릴 수 있기 때문에 Li+ 배터리로 Li+ 충전기를 테스트하는 작업은 많은 시간이 소요된다. 테스트 시간은 고용량 배터리에 느린 충전기, 저용량 배터리에 고속 충전기 또는 이 둘의 중간 형태 등 어떤 조합을 사용하는지에 따라 크게 달라진다.
더욱이 충전 과정은 배터리에 손상을 주지 않으면서 배터리의 최대 충전율(또는 고속 충전 전류)에 의해 결정된 제한 이상으로 높일 수 없다. 가전 제품에 사용되는 일반 배터리에서 이 전류가 1C (1시간에 배터리를 완전 방전하는 데 필요한 전류) 이상으로 지정되는 경우는 거의 없다. 따라서 충전기가 전체 사이클을 통과하는 데 필요한 시간은 대부분의 경우 2시간이 넘는다.
테스트를 반복해야 할 경우에는 충전과 거의 맞먹는 시간으로 배터리를 완전히 방전해야 하거나 지속적으로 방전된 배터리를 공급해야 한다.
실제 배터리를 사용하는 부하 테스트를 대체하는 방법은 시뮬레이트되는 실제와 같은 부하를 사용하여 충전기를 테스트하는 것이다. 이러한 시뮬레이션은 회로의 DC 응답과 동적 안정성을 모두 검증해야 하지만 전원 테스트에 사용되는 표준 부하로 배터리 시뮬레이션을 구현하기는 어렵다. 전원 테스트를 위한 대부분의 벤치 부하와 달리 배터리는 저항 또는 정전류 싱크로서 동작하지 않는다. 앞에서 언급했듯이 테스트에서 충전기는 전체 동작 범위를 거쳐야 한다. 아래에 설명할 Li+ 충전기 테스트 회로는 이러한 모든 요구사항을 만족한다.
배터리 모델링 부하 선택
잠시 주제에서 벗어나 고려해야 할 두 가지 모델링 방법을 살펴본 다음 우리의 논의에서 이 방법들은 제외하기로 한다.
배터리 부하를 모델링하는 한 가지 방법은 전류 소싱(방전)과 싱킹(충전)이 가능한 전압 소스를 배터리의 내부 저항을 나타내는 저항과 직렬로 연결하여 사용하는 것이다. Li+ 배터리는 전압 종료와 충전 전류에 대한 정밀한 제한을 요구하므로 최근에 나오는 모든 Li+ 충전기는 실제로 레귤레이트된 전력 컨버터이다.
더욱이 레귤레이트된 전력 컨버터(충전기)의 안정성은 연결된 부하(배터리)의 동적 특성에 의해 결정되므로 모델의 특성과 매우 유사한 부하를 선택해야 한다. 그렇지 않을 경우 테스트가 충전기 자체의 V-I 제한만 검증하는 것으로 끝날 수 있다.
직렬 저항을 갖는 션트 전압 레귤레이터를 사용하여 배터리의 내부 저항을 시뮬레이트하는 이 방법은 테스트가 1회로 끝나고 가장 단순한 배터리 모델로도 테스트 요구사항을 만족하는 경우 적합할 수 있다. 이 방법은 충전기 자체에 의해 전력이 공급된다는 장점도 있다.
그러나 보다 엄격한 테스트는 더 정교한 모델을 필요로 한다. 이 모델은 충전 과정 동안 배터리에 인가되는 전체 전기 충전에 의해 그 값이 결정되는 내부 전압 소스를 사용한다.
정전류에서 충전되는 배터리 단자 간의 전압은 포지티브 슬로프를 그리면서 지속적으로 변화한다. 이러한 특성은 방전 및 기타 배터리에 존재하는 다른 화학적 과정 동안 배터리의 캐소드 주변에 축적된 감극화 이온이 점차 줄어들면서 발생한다. 그 결과 충전기의 동작 지점은 배터리의 과거 히스토리뿐 아니라 배터리에 연결되어 있는 시간의 길이에 따라 달라진다. 이러한 보다 복잡한 모델을 시뮬레이트하는 부하는 대부분의 전자 랩에 사용되는 범용 기기를 사용하여 구성하기는 어렵다.
충전 회로를 자주 테스트하거나 회로 성능을 상세히 특성화해야 하는 경우 충전 중의 배터리를 유사하게 시뮬레이트하는 회로는 유용한 벤치 액세서리가 될 수 있다. 시뮬레이션은 충전기에 대한 가능한 모든 DC 동작 지점을 연속적으로 빠르게 통과해야 한다. 회로는 또한 사용자가 문제, 글리치, 발진 등을 찾아낼 수 있도록 결과를 표시해야 하다. 시뮬레이터에서 배터리 전압과 신호에 대한 출력이 제공되는 경우에는 이러한 결과를 직접 스코프 화면으로 나타낼 수 있다.
이 테스트는 몇 시간에서부터 몇 십 초까지 시간을 단축시킬 수 있고 필요한 만큼 반복할 수 있어 실제 배터리를 사용하는 테스트보다 훨씬 더 간편하다. 그러나 이러한 가속 테스트는 충전기 회로에 미치는 전력 스트레스의 열 효과를 결정하는 데에는 적합하지 않다. 따라서 충전기의 전원 및 레귤레이션 회로에 열 시간 상수를 도입하기 위해 더 긴 시간 동안 추가 테스트가 필요할 수 있다.
배터리 모델링 부하 구성
그림 2의 회로는 단일 셀 Li+ 배터리를 시뮬레이트한다. 종료 전압과 충전기의 CC 단계 동안 소싱되는 고속 전류는 충전기의 설정에 의해 결정된다. 시뮬레이터가 완전 방전 조건으로 초기화되어 있는 경우 내부 배터리 전압은 3V로 설정되지만 과전압 조건을 테스트하기 위해 레벨을 4.3V로 증가시킬 수 있다. 3V 초기화는 Li+ 배터리의 방전을 종료하기 위해 사용되는 저전압 셧다운 회로를 위한 일반 값이다. 이 설계는 4.2V에서 충전을 종료하는 표준, CC-CV 유형 Li+ 배터리 충전기에 사용하도록 되어 있지만 비표준적인 종료 전압 레벨과 완전 방전 전압을 받아들이기 위해 간편하게 조정할 수 있다.
그림 2. 이 회로는 충전 중의 단일 Li+ 셀을 시뮬레이트함으로써 실제 배터리를 사용하지 않아도 Li+ 배터리 충전기를 테스트할 수 있다.
테스트되는 충전기는 3A의 높은 충전 전류로 시뮬레이트를 구동하며, 이 값은 전력 트랜지스터의 소비 전력에 의해 설정된 제한이다. 그림 2 회로에 의해 시뮬레이트되는 배터리 전압의 증가는 시뮬레이터가 완전 방전 상태로 설정된 순간부터 회로에 의해 통합된 모든 충전 전류의 함수이다.
그림에 보이는 값과 1A 충전 전류를 사용할 경우 적분 시간 상수는 시뮬레이터가 6 ~ 7초 안에 충전기의 4.2V 제한에 도달할 수 있게 한다. 이러한 전류 범위, 내부 저항, 충전 종료 전압 및 완전 방전 전압에 대한 시뮬레이션은 일반적인 Li+ 셀의 규격을 기준으로 한다(이 경우 Sony® US18650G3). 시뮬레이트되는 전압에는 주변 온도 영향에 대한 시뮬레이션은 포함되지 않는다.
션트 전압 레귤레이터는 MAX8515 션트 레귤레이터와 한 쌍의 바이폴라 전력 트랜지스터를 중심으로 설계되었다. (내부 기준전압의 정확성을 위해 이 레귤레이터가 선택되었다.) 또 대전류 TIP35 트랜지스터가 약 25W를 방출할 수 있는 히트 싱크에 부착되었다.
MAX4163 듀얼 op 앰프의 반쪽은 충전 전류를 통합하며 다른 반쪽은 전류 측정 신호를 증폭하고 레벨을 변환한다. op 앰프의 높은 PSRR과 rail-to-rail 입/출력 범위는 두 기능에 대한 회로를 간소화한다. 0.100Ω 전류 감지 저항은 배터리 시뮬레이터의 포지티브 측과 직렬로 연결되어 배터리의 내부 저항 역할을 한다.
시뮬레이터는 시스템이 자동 테스트 데이터 수집 모드로 동작할 때 외부 신호에 의해 완전 방전 상태로 리셋할 수 있다. 또는 테스트 셋업이 수동으로 동작하는 경우에는 푸시버튼에 의해 리셋할 수 있다.
SPST (single-pole/single-throw) 스위치를 사용하여 시뮬레이터에 대한 두 가지 동작 모드로부터 선택할 수 있다. A 위치에서 스위치는 앞에서 설명한 것처럼 통합 충전 시뮬레이터로 동작한다. B 위치에서는 설정된 출력 전압을 사용하여 전류를 싱킹한다. 이는 고정 DC 동작 지점에서 충전기의 스팟 테스트에 필요하다. 이 목적을 위해 "설정된" 전압은 50kΩ 가변 저항으로 2.75V ~ 5.75V 사이에서 수동으로 조정할 수 있다. 이러한 설정된 전압 값은 내부 싱킹 소스를 가리킨다. 시뮬레이터 단자 간에 실제로 측정된 전압(VBATT)은 설정된 전압에 시뮬레이터의 내부 저항(0.100Ω 저항)을 흐르는 싱킹 전류에 의해 발생하는 전압 강하를 더한 값이다. 시뮬레이터 동작에 필요한 모든 전력은 배터리 충전기의 출력에서 나온다.
시뮬레이터 성능
그림 3은 최대 4.2V까지 Li+ 배터리 충전을 시뮬레이트하는 동안 얻은 일반적인 V-I 파형을 보여준다. 두 가지 테스트가 실행된 것을 볼 수 있는데, 하나는 1A의 초기 고속 충전 전류에 대한 테스트이고(곡선 B와 D), 다른 하나는 2A의 고속 충전 전류에 대한 테스트이다(곡선 A와 C). 두 테스트에서 모두 CC 단계는 종료 전압이 4.2V에 도달할 때까지 계속되며, 이 지점 이후로 전류는 기하급수적으로 감소하지만 시뮬레이트되는 배터리 전압은 일정한 상태를 유지한다. 2A의 경우 종료까지 더 짧은 시간이 걸리는데, 이는 단지 실제 배터리에 대한 충전 전류를 두 배로 한 경우에만 기대할 수 있다. 그러나 전류를 두 배로 증가시켜도 전체 충전 시간은 절반으로 줄지 않는다. 단지 실제 배터리 경우와 같이 CV 모드에 도달하는 데 필요한 시간이 절반으로 줄어들 뿐이다.
그림 3. 그림 2의 셀 시뮬레이터 회로에서 얻은 이들 고속 충전 파형은 CC 단계 동안 1A를(곡선 B와 D), 그런 다음 2A를 (곡선 A와 C) 공급하는 배터리 충전기의 특성을 보여준다.
그림 4는 두 가지 다른 설정 전압 3V와 4.1V에서 전류를 싱킹할 때 얻은 V-I 곡선을 보여준다. 두 곡선에서 모두 동적 저항(기울기로 표시)은 0.100Ω 저항에 의해 시뮬레이트되는 내부 저항을 간소화한다.
그림 4. 이들 그래프의 기울기는 4.1V (상단 곡선) 및 3V(하단 곡선)에서 그림 2의 회로 싱킹 전류를 나타내며 두 경우 모두 0.1Ω 내부 저항을 보여준다.
요약
Li+ 배터리의 충전 과정은 한 시간 이상이 걸릴 수 있으므로 자연 부하를 사용하여 Li+ 배터리 충전기를 테스트하는 것은 많은 시간이 소요되고 흔히 비실용적이다. 이 글에서는 배터리 충전기 테스트 시간을 단축할 수 있도록 Li+ 배터리 특성을 시뮬레이트하는 간단한 회로를 소개하였다. 이 회로는 실제 배터리를 사용하지 않으면서 Li+ 충전기를 테스트하는 효율적인 방법을 제공한다.
참고자료
Linden, D., and Reddy, T.B., Handbook of Batteries, 3rd ed. (New York: McGraw-Hill, 2002).
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