개요: 배터리 셀은 선형 (CC/CV) 충전 및 펄스 충전을 포함한 여러 가지 방법을 통해 충전된다. 이 애플리케이션 노트에서는 각 충전 방법의 충전 효율 및 셀 에이징을 비교하고, 실험을 통해 펄스 충전 및 선형 충전의 영향에 대해 연구하였다. 그 결과 펄스 충전 방법이 선형 충전 방법보다 충전 속도가 더 빠르고 에이징 속도는 느린 것으로 나타났다.
머리말
펄스 충전 토폴로지는 단순성, 저가, 작은 사이즈, 적은 외부 부품 등의 측면에서 선형 충전과 유사한 장점을 지니고 있다. 선형 충전기에 비해 나은 점은 열이 충전기 자체가 아닌 월(wall) 어댑터에서 발생한다는 사실이다. Li+ 셀 펄스 충전의 단점으로 지적되는 것은 정전류 영역 및 최고 전압에 근접한 펄스 영역 중 동일 전류 소비로 인한 조기 에이징이다. 그러나 습득한 데이터는 이와 다르게 나타났다. 본문에서는 충전 시간, 충전 용량, 셀 에이징 측면의 효과에 초점을 맞춰 선형 (CC/CV) 충전기와 DS2770 배터리 모니터 및 펄스 충전기를 비교하였다.
충전 시간 및 셀 에이징 실험
DS2770 배터리 모니터 및 충전 컨트롤러는 Li+ 펄스 충전기로 실험용 펄스 충전기 및 쿨롱카운터로 사용되었다. 쿨롱 카운터는 셀의 사이클에 따른 용량 감소를 측정했다. 그림 1은 실험을 위해 사용된 테스트 설정을 보여준다.
그림 1. 선형 및 펄스 충전기 실험을 위한 테스트 설정
사용된 충전 소스는 Keithley Model 2304 전원이다. 6.0V의 개방 회로 전압 및 펄스 모드 사이클에 대한 750mA 전류 제한으로 설정되었다. Keithley는 그림 1에서 펄스 모드 사이클을 위한 노드 A에 연결하였다. DS2770은 셀이 4.2V에 도달할 때까지 전류 한계에서 셀을 충전한 후 펄스 위상으로 전환했다. 펄스 폭(tPULSE)은 875ms(typ)였고 충전은 6.25% 듀티 사이클인 tPULSE + tOFF = 14s(typ)일 때 종료되었다. 자세한 사양은 DS2770 데이터 시트를 참조한다.
선형 충전 사이클의 경우, 전원은 정전류 영역 동안 6.0V에서 750mA를 제공하도록 프로그래밍되었다. 전원은 선형 사이클을 위해 노드 B에 연결되어, DS2770의 펄스 충전기를 바이패스한다. DS2770은 정전류 단계에서 셀의 전압을 측정하고 정전압 영역 동안 셀의 전류를 측정했다. 전압 측정이 4.2V에 달하면, 전원은 노드 B에 항상 4.2V를 공급하도록 다시 프로그래밍되었다. DS2770이 측정한 배터리 전류가 50mA로 떨어지면 충전은 종료되고, 셀은 완전히 충전된 것으로 간주되었다.
방전 사이클의 부하를 시뮬레이션하기 위해 두 번째 Keithley 2304가 사용되었다. 모든 방전 사이클은 +25°C에서 수행되었으며, 셀을 충전하는데 사용된 모드에 관계 없이 동일한 프로파일을 나타냈다. 부하 전류는 셀 전압이 3.4V로 떨어질 때까지 750mA로 설정되었다. 그런 후에는 셀 전압이 3.4V로 떨어질 때까지 다시 250mA DC로 떨어졌다. 끝으로, 부하가 50mA로 줄어들고 셀은 셀 전압이 50mA 부하 아래에서 3.4V로 떨어졌을 때 완전히 방전된 것으로 간주되었다. DS2770의 전류 누적 레지스터(ACR)에서 방전 기간의 시작과 끝의 차이는 주어진 각 충전 사이클에 대한 셀의 가용 용량으로 기록되었다.
온도 변화에 따른 충전 시간 및 가용 용량
DS2770 펄스 충전기와 디스크리트 선형 충전기에 대해 온도 변화에 따른 충전 시간을 비교하기 위해 새 1400mAh Li-폴리머 셀이 사용되었다. 셀의 용량은 처음 몇 번의 충전/방전 사이클에서 크게 변할 수 있기 때문에, 이 셀은 측정 시행 이전에 10회의 충/방전 사이클을 반복함으로써 "길을 들였다".
실험은 +40°C에서 DS2770 펄스 충전기를 사용하여 완전히 방전된 셀을 충전하는 것으로 시작하였고, 충전 시작과 끝 사이의 시간을 기록하였다(PC 시계 사용). 챔버는 다시 +25°C로 돌아오고, 셀은 프로파일 및 앞에서 설명한 "텅 빈(empty)" 기준을 사용해 완전히 방전되었다. 방전 시작에서부터 끝까지의 ACR 차이를 해당 온도에서의 해당 충전 프로파일 하의 가용 셀 용량으로 기록하였다. 셀은 다시 충전 시간을 기록하며 +40°C에서 선형 프로파일을 사용해 충전되었다. 셀은 델타 ACR을 기록하며 +25°C에서 방전되었다. 이 과정을 0°C ~ +40°C의 범위에서 5°C 간격으로 각 충전 사이클 온도에서 반복 시행했다. 그 결과는 그림 2 및 그림 3에서 보는 바와 같다.
그림 2. 충전 온도 변화에 따른 펄스 및 선형 충전기의 충전 시간
그림 3. 충전 온도 변화에 따른 펄스 및 선형 충전기의 가용 셀 용량
주어진 온도에서 두 개의 충전 토폴로지에 대한 가용 용량은 거의 동일하며, 펄스 충전기가 높은 온도에서 성능이 약간 더 좋았고 선형 충전기는 성능이 약간 떨어졌다. 그러나 충전 시간의 차이는 중요하다. 낮은 온도에서 정전압 탑오프(top-off)의 경우는 펄스 모드 탑오프 경우에 비해 충전 시간이 37% 더 길었다. +40°C에서 펄스 충전기는 14% 더 빨랐다. 이 결과는 펄스 모드 충전기가 셀을 훨씬 더 빨리 충전한다는 것을 보여준다. 하지만 짧은 시간에도 불구하고 펄스 충전기는 선형 충전기와 거의 동일한 가용 용량으로 셀을 충전시킨다.
선형 충전기와 펄스 충전기의 셀 에이징 비교
펄스 충전기의 충전 시간이 빠르다는 점은 입증되었으므로, 다음으로 선형 모드 충전에 대비 셀의 에이징 효과에 대해 알아보았다. 셀을 길들이기 위해 1400mAh Li-폴리머 셀 2개를 10회 사이클씩 반복시켰다. 하나는 +25°C의 선형 프로파일 하에서 500회의 충전/방전 사이클을 거쳤고, 다른 하나는 DS2770 펄스 충전기를 사용해 충전했다. 방전 프로파일은 충전 시간 실험에서 기술한 것과 동일하다. 셀 에이징은 감소하는 가용 용량에 기초했으며, 이는 각 방전 사이클 이전 및 이후의 DS2770 ACR 차이를 통해 측정했다. 그림 4는 이 실험의 결과를 첫 번째 방전에서의 가용 용량 비율로 보여준다.
그림 4. 선형 및 펄스 충전기의 셀 에이징
이 실험은 펄스 모드 충전에서의 에이징 효과가 선형 모드의 에이징 효과보다 적었다는 것을 입증한다. CC/CV 프로파일을 이용해 사이클링한 셀은 +25°C에서 500회의 충전/방전 사이클 후, 펄스 충전기에 비해 가용 용량이 4.6% 더 적었다.
결론
선형 충전기와 펄스 모드 Li+ 충전기는 단순성, 저가, 소형, 소수의 외부 부품 등의 측면에서 많은 장점을 공유한다. 선형 충전기는 배터리 팩의 패스 소자에서 전력을 방전하여, 팩 설계자들에게 이 열의 처리를 요구한다. 펄스 충전기는 전류 제한 충전 소스를 요구하지만 이는 배터리 팩이 아닌 충전 소스에서의 전력 소모를 허용한다. 펄스 충전 프로파일의 단점으로는 VCV에서의 셀에 대한 1C 충전 전류 펄스로 인한 셀의 에이징이 자주 언급된다. DS2770 배터리 모니터와 충전 컨트롤러를 사용해, 본 실험은 다음 사항을 입증했다. 1) 펄스 충전기는 +25°C에서 대등한 가용 용량을 가진 선형 충전기에 비해 충전 속도가 16% 더 빠르다. 2) 펄스 충전기는 +25°C에서 500회의 충전/방전 사이클을 수행한 결과 선형 충전기에 비해 셀 에이징 비율이 4.6% 더 적었다.
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