개요: 충전 방법 및 현행 배터리 기술에 대한 이 개요는 휴대용 장치에 사용되는 배터리에 대한 더 나은 이해를 제공한다. 니켈 카드뮴 (NiCd), 니켈 금속 수산화물 (NiMH) 및 리튬 이온 (Li+) 배터리 화학물질이 논의된다. 이 글에서는 또한 단일 셀 리튬 이온 및 리튬 폴리머 배터리를 보호하는 제품을 설명한다. 개요 배터리 사용이 지금처럼 중요해진 적이 없었다. 배터리는 단위 체적 당 더 많은 에너지를 담고도 점점 더 작아지고 가벼워지고 있다. 배터리 개발의 주요 원동력은 이동 전화, 랩탑, 캠코더 및 MP3 플레이어와 같은 휴대용 장비의 엄청난 성장이었다. 충전 방식 및 현재 배터리 기술을 다룬 이 애플리케이션 노트에서는 이러한 휴대용 장치에 사용되는 배터리에 대한 더 나은 이해를 제공해 줄 것이다. 배터리의 정의 배터리를 단순히 에너지 저장 시스템으로 정의한다면 플라이휠이나 클록 스프링과 같은 요소를 포함시켜야 한다. 그러나 현대 기술의 맥락에서 좀더 정확히 정의하자면, 배터리는 전기 에너지를 생산하는 독립된 휴대용 화학 시스템으로 정의된다. 비충전 또는 1차 셀이라고 부르는 단방향 배터리는 셀을 영구히 변형시키는 화학 반응으로부터 전기를 생성한다. 1차 셀을 방전하면 셀 화학물질은 영구적이고 돌이킬 수 없는 변화를 겪는다. 그러나 2차 전지라는 재충전 가능 배터리는 애플리케이션에 의해 방전될 뿐 아니라 충전기를 통해 충전될 수 있다. 따라서 2차 셀은 에너지를 발생시키기보다 저장한다. 충전 또는 방전 전류는 일반적으로 C 레이트라는 정격 용량의 배수로서 암페어로 표현된다. 예를 들어, 1 암페어-시간 (1Ah)의 정격을 가진 배터리의 C/10 방전 전류는 1Ah/10 = 100mA이다. 셀 또는 배터리의 정격 용량(Ah 또는 mAh로 표시)은 지정된 조건에서 완전히 충전되었을 때 저장(생산)할 수 있는 전기의 양이다. 따라서 배터리의 총 에너지는 배터리의 용량이고 전압을 곱하고, 와트-시간으로 측정된다. 배터리 성능 측정 배터리 셀의 화학물질과 설계에 따라 배터리가 소스할 수 있는 전류가 제한된다. 성능을 제한하는 실제 요인을 제외하면, 배터리는 잠시 동안만 무한 전류를 생산할 수 있을 것이다. 무한 전류의 주요 장애는 화학물질의 기본 반응율, 셀 설계 및 반응이 일어나는 영역이다. 일부 셀들은 본질적으로 높은 전류를 생성한다. 예를 들어, 니켈 카드뮴 셀을 단락시키면 금속을 녹이고 화재를 일으킬 정도로 높은 전류를 생성한다. 다른 배터리는 약한 전류를 생산할 수 있을 뿐이다. 배터리 내 모든 화학물질과 기계적 요인의 순수 효과는 등가 내부 저항이라는 단 하나의 수학적 인수로 표현될 수 있다. 이 내부 저항을 낮추면 더 높은 전류가 가능하다. 에너지를 영원히 저장하는 배터리는 없다. 셀 화학물질들이 반응하고 서서히 저하되는 것이 불가피하고 배터리가 저장한 충전의 저하가 초래된다. 배터리 용량 대 무게 (또는 크기)의 비율을 배터리의 저장 밀도라고 한다. 높은 저장 밀도는 특정 크기 또는 무게의 셀에서 더 많은 에너지의 저장을 가능하게 해준다. 다음 표는 개인용 컴퓨터 및 휴대 전화를 위한 저장 배터리에 사용된 주요 화학물질의 공칭 전압 및 저장 밀도(킬로그램 무게 당 와트-시간, Wh/kg)를 나열한 것이다. 표 1. 주요 저장장치 배터리 화학물질의 저장 밀도 CELL TYPE NOMINAL VOLTAGE (V) STORAGE DENSITY (Wh/kg) Lead acid 2.1 30 Nickel cadmium (NiCd) 1.2 40 to 60 Nickel metal hydride (NiMH) 1.2 60 to 80 Circular lithium ion (Li+) 3.6 90 to 100 Prismatic lithium ion 3.6 100 to 110 Polymer lithium ion 3.6 130 to 150 표 2. 주요 저장 배터리 화학물질의 특성 Attribute Nickel Cadmium Nickel Metal Hydride Lithium Ion Energy density Low Medium High Energy storage Low Medium Medium Cycle life High High High Cost Low Medium High Safety High High Medium Environment Low Medium Medium 1차 및 2차 셀이 동일한 목적을 달성한다면 왜 항상 2차 셀을 선택하지 않는가 하는 의문이 들 수 있다. 그 이유는 2차 셀이 다음과 같은 단점이 있기 때문이다. 모든 실제 2차 셀들은 자체 방전을 통해 비교적 빨리 전기 전하를 상실한다. 2차 셀들은 사용하기 전에 충전되어야 한다. 배터리 충전 새 재충전 배터리 또는 배터리 팩(여러 개의 배터리가 하나의 패키지에 들어 있음)은 완전 충전이 보증되지 않는다. 실제로 배터리는 거의 방전되어 있을 것이다. 따라서 제일 먼저 할 일은 제조회사의 화학물질 관련 지침에 따라 배터리/팩을 충전하는 것이다. 모든 충전 동작은 배터리 화학물질에 따라 다른 순서로 전압 및 전류를 적용한다. 따라서 배터리 셀 화학물질은 충전기 및 충전 알고리즘에 의해 만족되어야 하는 요구사항이 서로 다르다. 배터리 충전에서 가장 일반적으로 발견되는 용어는 NiCd와 NiMH 셀에서 사용되는 정전류 (CC), 그리고 Li+ 및 리튬 폴리머 셀에 적용되는 정전류/정전압 (CC/CV)이다 (그림 1-6). 그림 1. 면도기, 디지털 무선 전화기 및 장난감과 같은 애플리케이션에서 주로 사용되는 반 정전류(Semi-constant current) 충전. 그림 2. 타이머로 제어되는 충전은 주로 노트북, 데이터 단말기, 무선 장비 및 휴대전화와 같은 애플리케이션에서 주로 사용된다. 그림 3. 충전은 노트북, 데이터 단말기, 캠코더, 무선 장비 및 휴대전화와 같은 애플리케이션에서 -DV 차단을 통해 종료된다. 그림 4. 충전은 전동 도구 및 전기 도구와 같은 애플리케이션에서 -dT/dt 차단을 통해 종료된다. 그림 5. 트리클 충전은 비상등, 안내등 및 메모리 백업과 같은 애플리케이션에서 주로 사용된다. 표 3. 충전 방식 Chemistry Charging Method Feature No. of Terminals Charge Time(hours) Charge Current (CmA) Trickle Current(CmA) Charge Level at End of Charge (%) Figure Reference Nickel Based (NiCl and NiMH) Semi-constant current charging Most typical system; simple and low cost 2 15 0,1 ---- ---- 1 Timer-controlled charging More reliable than semiconstant current system; relatively simple and low cost 2 6 to 8 0,2 1/20-1/30 Approx. 120 2 -V cut-off charging Most popular; more complex 2 1 to 2 0,5-1 1/20-1/30 Approx. 110 to 120 3 T/t cut-off charging More costly, but overcharge can be avoided enabling longer life cycle that the others 3 or 4 1 to 2 >1 1/20-1/30 Approx. 100 to 110 4 Trickle-charging Simple and low cost; applicable for continuous long charging 2 15 0,1 ---- ---- 5 Lithium Based Constant current-constant voltage (CC-CV) Not recommended for the main charge-control system for Ni-Cd /NiMH batteries. Prevailing charge method for Li+ and Li- Polymer batteries.Relatively complex charger design. 2 1 to 3 1 ---- Approx 100 6 표 4. 상이한 셀 화학물질의 만충전(Full charge) 판단 Chemistry NiCl NiMH Li+ Charging Constant current Constant current Constant current/constant voltage Full charge detect -V/dt and/or T/dt V/dt = 0 and/or T/dt Icharge = eg 0.03C and/or time 위에서 알 수 있듯이, 충전 끝 결정은 화학물질 및 충전 기술에 따라 다르다. 니켈 카드뮴 셀 충전 NiCd 셀들은 0.05C ~ 1C 이상 범위에서 정전류를 적용하여 충전된다. 일부 저가 충전기는 절대 온도를 통해 충전을 종료한다. 이 충전 종료 방식은 간단하고 저렴하지만 정확하지 않다. 더 나은 방식은 전압 강하가 만충전 조건을 나타낼 때 충전을 종료한다. -V 현상은 0.5C 이상의 NiCd 셀을 충전하기 위해 가장 유용하다. 노후화되는 셀과 부정합 셀들은 전압 델타를 감소시킬 수 있기 때문에 -V 충전 끝 탐지는 배터리 온도 측정과도 결합되어야 한다. 용자는 온도 증가율 (dT/dt)을 감지하여 더욱 정밀한 만충전 탐지를 달성할 수 있다. 이 충전 탐지 방식은 고정 온도 차단에 비해 배터리에 가해지는 부담이 적다. 과충전을 피함으로써 T/dt 및 -V 차단을 조합하여 사용하는 충전 종료 방식은 더 긴 수명을 가능하게 한다. 빠른 충전은 충전 효율을 개선한다. 1C에서 효율은 1.1 (91%)에 가까우며, 비어 있는 팩의 충전 시간은 1시간보다 약간 더 길어질 것이다. 0.1C 충전을 적용할 때, 효율은 1.4 (71%)로 떨어지고 충전 시간은 약 14시간이다. NiCd 배터리의 전하 수용은 100%에 가깝기 때문에 거의 모든 에너지는 충전 중 초기 70% 동안 흡수되고, 배터리는 차가운 상태로 남는다. 초고속 충전기는 이 현상을 이용하여 몇 분만에 배터리를 70% 레벨까지 충전하고, 열 상승 없이 C 정격의 몇 배에 해당하는 전류를 적용한다. 충전 용량이 70%를 초과하면 충전은 배터리가 만충전될 때까지 이보다 낮은 비율로 계속된다. 결국 사용자는 0.02C ~ 0.1C 범위에서 트리클 충전을 적용하여 배터리를 마무리한다(top off). 니켈-금속-수산화물(Nickel-Metal-Hybrid) 셀 충전 NiCd 충전기와 유사하지만 NiMH 충전기는 단연 NiMH 셀을 충전하기 위한 최상의 방식인 ΔT/dt 방식을 적용한다. NiMH 배터리를 위한 충전 끝 전압 강하는 더 작고, 충전율이 작은 경우 (온도에 따라 0.5C 미만) 전압 강하가 전혀 없을 수 있다. 새로운 NiMH 배터리는 충전 사이클의 초기에 잘못된 최대값을 보여줄 수 있으며, 이로 인해 충전기가 일찍 종료될 수 있다. 더욱이 -V 탐지에 의해서만 수행되는 충전 끝 종료는 거의 확실히 과충전을 보장하며, 과충전은 다시 배터리 실패 이전에 가능한 충전/방전 주기의 수를 제한한다. 모든 조건에서, 즉 신형 또는 구형, 온 또는 냉, 완전 방전 또는 부분 방전 조건에서 NiMH 배터리의 충전을 위해 제대로 작동하는 -dV/dt 알고리즘은 없는 것 같다. 이러한 이유 때문에 NiMH 배터리가 충전 끝 종료를 위해 dT/dt 방식을 이용하지 않는 한 NiCad 충전기를 사용하여 NiMH 배터리를 충전하지 말아야 한다. 더욱이 NiMH 셀은 과충전을 제대로 흡수하지 않으므로 트리클 충전은 NiCd 셀을 위해 권장되는 것보다 더 낮아야 한다 (약 0.05C). 0.1C ~ 0.3C의 C 레이트와 관련된 전압 및 온도 프로파일은 만충전 상태를 충분히 정확하고 분명하게 표시하지 않기 때문에 NiMH 배터리의 저속 충전은 불가능하지는 않지만 어렵다. 따라서 저속 충전기는 충전 사이클이 종료되어야 할 시점을 알려주는 타이머에 의존해야만 한다. 그러므로 NiMH 배터리를 만충전하려면 1C (또는 배터리 제조업체가 지정한 비율로)의 급속 충전을 적용해야 하는 한편, 충전이 종료되어야 하는 시점을 결정하기 위해 전압 (V=0) 및 온도 (dT/dt)를 모두 감시해야 한다. 리튬 이온 및 리튬 폴리머 셀 충전 니켈 기반 배터리용 충전기는 전류 제한 소자이지만, Li+ 배터리용 충전기는 전압과 전류를 모두 제한한다. 초기 Li+ 셀은 4.10V/셀의 충전 전압 제한을 요구했다. 이보다 높은 전압은 더 큰 용량을 의미하며, 4.2V의 높은 전압은 화학 첨가제를 추가하여 달성되었다. 최신 Li+ 셀은 일반적으로 4.20V로 충전되며 허용오차는 ±0.05V/셀이다. 만충전은 단자 전압이 전압 임계값에 도달한 후 그리고 충전 전류가 0.03C 미만 (약 3%의 Icharge임)으로 떨어진 후 얻어진다 (그림 6). 대부분의 충전기가 만충전을 달성하기 위해 필요한 시간은 약 3시간이며, 일부 선형 충전기는 Li+ 배터리를 약 1시간만에 충전한다고 주장한다. 이러한 충전기는 일반적으로 배터리의 단자 전압이 4.2V에 도달할 때 충전을 종료한다. 그러나 이 충전 결정 방식은 배터리 용량의 70%까지만 배터리를 충전한다. 그림 6. 정전류, 정전압 충전은 휴대전화, 무선 장비 및 노트북 PC와 같은 애플리케이션에서 사용된다. 더 높은 충전 전류는 충전 시간을 크게 단축시키지 않는다. 더 높은 전류는 전압 최고치에 더 일찍 도달하지만, 충전 종료 시간이 길어진다. 대체로 충전 종료는 초기 충전 시간의 2배가 소요된다. 리튬 이온 안전 Li+ 셀을 과충전 또는 과방전하면 셀이 폭발하거나 상해를 입힐 수 있기 때문에 이러한 유형의 저장 셀을 취급할 때 안전이 주요 고려사항이다. 따라서, 상용 Li+ 배터리 팩은 DS2720과 같은 보호 회로를 포함하고 있다 (그림 7). DS2720은 충전 중 배터리 보호, 과도한 전류 흐름으로부터 회로 보호, 셀 고갈 수준을 제한하여 배터리 수명 극대화 등 재충전 가능 Li+ 배터리를 포함하는 애플리케이션에 필요한 모든 전자 안전 기능을 제공한다. 그림 7. DS2720 리튬 셀 보호 IC의 기본 애플리케이션 다이어그램. DS2720 IC는 저가 n채널 전력 MOSFET과 같은 외부 스위칭 장치를 사용하여 충전 및 방전 전류를 위한 전도 경로를 제어한다. 회로의 내부 9V 차지 펌프는 외부 n채널 MOSFET에 하이 사이드 구동을 제공하여 좀더 일반적인 로우 사이드 보호 회로에서 동작하는 동일한 FET에 비해 더 낮은 온 저항을 발생시킨다. FET 온 저항은 실제로 배터리가 방전되면서 감소한다 (그림 8). DS2720의 레귤레이트된 하이 사이드 n-FET 구동은 방전이 끝난 지점에서도 더 낮은 스위치 저항을 초래한다. 그 결과 휴대용 제품을 위한 실행 시간이 더 길어진다. 셀의 과전압/저전압, 과전류 및 과온 여부를 감시 레귤레이트된 차지 펌프는 하이 사이드 n채널 MOFET을 지원 통합된 다중 배터리 셀렉터 8바이트의 잠금 가능 사용자 EEPROM 64비트 고유 전자식 시리얼 넘버 저전력: 15µA 활성, 1µA 대기 소형 8핀 MSPO 패키지로 제공 1-Wire® 데이터 통신 인터페이스 DS2720은 전용 입력이나 데이터 인터페이스로부터 외부 FET에 의해 제어된다. 그러므로 여분의 파워 스위치를 제거하거나 재충전 가능한 리튬 배터리 시스템이 필요하다. 1-Wire 인터페이스를 통해 DS2720은 호스트 시스템에 상태 및 제어 레지스터, 계측 레지스터 및 범용 데이터 저장장치에 대한 읽기/쓰기 액세스를 제공한다. 공장에서 프로그래밍된 64비트 넷 어드레스가 있어 각 소자는 호스트 시스템에 의해 개별적으로 주소 지정이 가능하다 (그림 9 참조). 그림 9. DS2720에 의해 보호되는 Li+ 예제 파형 보기. DS2720은 배터리 정보 저장을 위해 EEPROM 및 잠금 가능한 EEPROM을 위한 두 가지 유형의 사용자 메모리를 제공한다. EEPROM은 심각한 배터리 소진, 우발적 단락 또는 ESD 이벤트에 의해 그 내용 (중요한 베터리 데이터)이 영향을 받지 않는 완전 비휘발성 메모리이다. 잠금 시, 잠금 가능한 EEPROM은 배터리 데이터 변경을 방지하기 위해 추가적인 안전을 제공하는 읽기 전용 메모리 (ROM)가 된다. 보호 모드 과전압 VDD에서 탐지된 셀 전압이 과전압 지연 tOVD보다 긴 시간 동안 과전압 임계값 VOV를 초과할 경우, DS2720은 외부 충전 FET를 중단하고 보호 레지스터에 OV 플래그를 설정한다. 과전압 시 방전 경로는 오픈 상태로 남아 있다. 다른 보호 조건에 의해 잠기지 않는 한, 충전 FET는 셀 전압이 충전 인에이블 임계값 VCE 미만으로 떨어질 때 또는 방전으로 인해 VDD - VPLS > VOC일 때 다시 활성화된다. 저전압 VDD에서 감지된 셀 전압이 저전압 지연 tUVD보다 긴 시간 동안 임계값 VUV 미만으로 떨어질 경우, DS2720은 충전을 중단하고 FET를 방전하며, 보호 레지스터에서 UV 플래그를 설정하고 슬립 모드에 진입한다. 셀 전압이 VUV를 초과하여 상승하고 충전기가 존재하면 IC는 충전 및 방전 FET를 켠다. 단락 회로 VDD에서 감지된 셀 전압이 tSCD 동안 고갈 임계값 VSC 미만으로 떨어질 경우, DS2720은 충전을 중단하고 FET를 방전하며 보호 레지스터에 DOC 플래그를 설정한다. 충전 및 방전 FET를 통한 전류 경로는 PLS에서의 전압이 VDD - VOC 이상 상승할 때까지 재구축되지 않는다. DS2720은 VDD가 VSC를 초과하여 상승할 때 PLS를 풀 업하기 위해 내부 저항 RTST (VDD ~ PLS)를 통해 시험 전류를 제공한다. 이 시험 전류를 통해 DS2720은 로우 임피던스 부하의 제거를 탐지할 수 있다. 또한 시험 전류는 PLS에서 VDD까지 RTST를 통해 복구 충전 경로를 인에이블한다. 과전류 보호 FET에서의 전압 (VDD - VPLS)이 tOCD보다 긴 시간 동안 VOC보다 클 경우, DS2720은 외부 충전을 중단하고 FET를 방전하며 보호 레지스터에 DOC 플래그를 설정한다. 전류 경로는 PLS에서의 전압이 VDD - VOC를 초과하여 상승할 때까지 재구축되지 않는다. DS2720은 로우 임피던스 부하의 제거를 탐지하기 위해 내부 저항 RTST (VDD ~ PLS)를 통해 시험 전류를 제공한다. 과온 DS2720 온도가 TMAX를 초과할 경우, 소자는 즉시 외부 충전을 중단하고 FET를 방전한다. FET는 2개의 조건이 충족될 때까지, 즉 셀 온도가 TMAX 미만으로 떨어지고 호스트가 OT 비트를 재설정할 때까지 다시 켜지지 않는다. 고온 및 저온 충전 실온에서 충전하려면 노력이 필요하다. 니켈 기반 배터리는 10°C ~ 30°C (50°F ~ 86°F) 사이에서만 고속 충전되어야 한다. 5°C (41°F) 미만에서, 그리고 45°C (113°F)를 초과하면, 니켈 기반 배터리의 충전 수용은 대폭 감소된다. Li+ 배터리는 이 온도 범위 전체에서 상당히 양호한 충전 성능을 제공하지만 5°C (41°F) 미만에서는 충전율이 1°C 미만이어야 한다. 요약 NiMH 충전기는 NiCd 배터리를 수용할 수 있지만 그 반대는 성립되지 않는다. NiCd 배터리 전용 충전기는 NiMH 배터리를 과충전한다. 고속 충전은 내부 크리스털의 형성으로 인해 메모리 효과를 감소시키기 때문에 니켈 기반 배터리의 사이클 수명과 성능은 고속 충전에 의해 향상된다. 니켈 및 리튬 기반 배터리들은 서로 다른 충전 알고리즘을 요구한다. Li+ 배터리는 과전류, 단락 회로, 과전압 및 저전압, 과온을 감시하고 이러한 상태로부터 모니터하고 보호하기 위한 보호 회로가 필요하다. 배터리를 정기적으로 사용하지 않을 경우에는 반드시 충전기에서 배터리를 제거하고 사용하기 전에 충전 마무리(topping)를 적용한다. We Want Your Feedback! 의견을 보내주세요! 위 내용이 도움이 되셨나요? 여러분의 의견을 기다립니다 — Maxim은 보내주신 정정이나 제안사항을 반영하고 있습니다. 이 페이지를 평가하고 의견을 보내주십시오. 자동 업데이트 관심있는 분야의 애플리케이션 노트가 나올 때 자동으로 업데이트 받고 싶으세요? 그렇다면 EE-Mail™을 신청하십시오.   다운로드, PDF 형식 (117kB)  AN3501, AN 3501, APP3501, Appnote3501, Appnote 3501