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왜 적절한 셀 밸런싱이 건전지 팩에 필요한지 안톤 손짓, 배터리 제품 관리자, 엡텍에 의해 설명을 기여했습니다

June 21, 2022

배터리 제품 관리자인 Anton Beck의 논평 기고,에펙

여러 셀을 직렬로 사용하여 리튬 배터리 팩을 설계할 때 셀 전압의 균형을 지속적으로 유지하도록 전자 기능을 설계하는 것이 매우 중요합니다.이는 배터리 팩의 성능뿐만 아니라 최적의 수명 주기를 위한 것입니다.

셀 밸런싱을 사용하면 밸런싱을 통해 배터리가 더 높은 충전 상태(SOC)를 달성할 수 있기 때문에 애플리케이션에 더 큰 용량의 배터리를 설계할 수 있습니다.많은 회사들이 설계 초기에 셀 밸런싱을 사용하지 않기로 선택하여 비용을 절감하지만 셀 밸런싱 하드웨어 및 소프트웨어에 대한 투자 없이는 설계로 인해 SOC가 100%에 접근할 수 없습니다.

세포 불균형이란 무엇입니까?
리튬 전지가 과열되거나 과충전되면 전지 열화가 가속화되기 쉽습니다.리튬 이온 전지 전압이 수백 밀리볼트까지 4.2V를 초과하는 경우 열 폭주 상태가 발생할 수 있으므로 화재가 발생하거나 폭발할 수도 있습니다.

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셀 밸런싱을 사용한 배터리 팩

Epec에서 설계 및 제조하는 모든 팩에는 이러한 이벤트가 발생하지 않도록 하는 표준 셀 밸런싱과 함께 사용할 과전압 보호 회로(때로는 백업도 포함)가 있습니다.랩톱 컴퓨터 및 의료 장비에 일반적으로 사용되는 다중 셀 배터리 팩에서 셀을 직렬로 배치하면 배터리의 느리지만 지속적인 열화인 셀 불균형 가능성이 열립니다.

세포 균형이란 무엇입니까?
셀 밸런싱은 셀이 완전히 충전되었을 때 셀 간의 전압과 충전 상태를 균등화하는 프로세스입니다.두 개의 세포가 동일하지 않습니다.충전 상태, 자기 방전율, 용량, 임피던스 및 온도 특성에는 항상 약간의 차이가 있습니다.이는 셀이 동일한 모델, 동일한 제조업체, 동일한 생산 로트인 경우에도 마찬가지입니다.제조업체는 가능한 한 가깝게 일치하도록 유사한 전압별로 셀을 정렬하지만, 개별 셀 임피던스, 용량 및 자가 방전율에는 여전히 약간의 변동이 있어 결국 시간이 지남에 따라 전압이 발산할 수 있습니다.

대부분의 일반적인 배터리 충전기는 전체 셀 스트링의 전압이 전압 조정 지점에 도달했는지 여부를 확인하여 완전 충전을 감지합니다.개별 셀 전압은 과전압 보호 한계를 초과하지 않는 한 다양할 수 있습니다.그러나 약한 셀(낮은 용량/높은 내부 임피던스를 가진 셀)은 완전 충전 종료 시 나머지 직렬 셀보다 더 높은 전압을 나타내는 경향이 있습니다.이러한 전지는 연속적인 과충전 주기로 인해 더욱 약해집니다.충전 완료 시 더 약한 셀의 더 높은 전압은 가속화된 용량 저하를 유발합니다.최대 권장 충전 전압이 10%라도 초과되면 성능 저하율이 30% 증가합니다.

방전 측에서 약한 셀은 더 높은 내부 저항 또는 더 낮은 용량으로 인한 더 빠른 방전 속도 때문에 다른 셀보다 전압이 낮은 경향이 있습니다.즉, 팩 전압이 시스템에 전원을 공급하기에 충분한 상태에서 약한 셀이 전압 보호 한계 아래에 있는 셀에 도달하면 팩 보호기가 과방전을 방지하므로 배터리의 전체 용량이 사용되지 않습니다. 셀) 하나의 셀 전압이 낮은 전압 임계값(보통 약 2.7V) 아래로 내려가면 전체 팩의 방전을 중지합니다.

세포 균형 기술
셀 밸런싱의 기본 솔루션은 셀이 완전히 충전된 상태에 있을 때 셀 간의 전압과 충전 상태를 균등화합니다.셀 밸런싱은 일반적으로 두 가지 유형으로 분류됩니다.

  1. 수동적인
  2. 활동적인

패시브 셀 밸런싱
패시브 셀 밸런싱 방법은 다소 간단하고 간단합니다.소산 우회 경로를 통해 세포를 방전합니다.이 바이패스는 집적 회로(IC)에 통합되거나 외부에 있을 수 있습니다.이러한 접근 방식은 저비용 시스템 적용에 유리합니다.더 높은 에너지 셀에서 초과 에너지의 100%가 열로 소산된다는 사실은 배터리 작동 시간에 대한 명백한 영향으로 인해 방전 중에 수동 방법을 사용하는 것이 덜 바람직합니다.

활성 세포 균형
용량성 또는 유도성 전하 이동을 활용하여 배터리 셀 사이에서 전하를 전송하는 능동 셀 밸런싱은 에너지가 방출되는 대신 필요한 곳으로 전달되기 때문에 훨씬 더 효율적입니다.물론 이러한 개선된 효율성에 대한 절충안은 더 높은 비용으로 추가 구성 요소가 필요하다는 것입니다.

요약
셀 밸런싱은 배터리의 성능과 수명 주기를 개선하는 데 중요할 뿐만 아니라 배터리에 안전 요소를 추가합니다.배터리 안전성을 높이고 배터리 수명을 연장하기 위한 새로운 기술 중 하나는 고급 셀 밸런싱입니다.새로운 셀 밸런싱 기술이 개별 셀에 필요한 밸런싱 양을 추적하므로 배터리 팩의 사용 수명이 늘어나고 전반적인 배터리 안전성이 향상됩니다.

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