현재 리튬이온 배터리의 안전사고는 대부분 보호회로의 고장으로 발생하고 있으며, 이로 인해 배터리의 열폭주가 발생하여 화재 및 폭발이 발생하고 있습니다. 따라서 리튬 배터리의 안전한 사용을 실현하기 위해서는 특히 보호 회로의 설계가 중요하며, 리튬 배터리의 고장을 일으키는 모든 요인을 고려해야 합니다. 고장은 기본적으로 생산 공정 외에도 과충전, 과방전, 고온 등 외부 극한 조건의 변화로 인해 발생합니다. 이러한 매개변수를 실시간으로 모니터링하고 변경 시 해당 보호 조치를 취하면 열폭주 발생을 방지할 수 있습니다. 리튬 배터리의 안전 설계에는 BMS의 셀 선택, 구조 설계 및 기능 안전 설계 등 여러 측면이 포함됩니다.

셀 선택

셀 재료의 선택이 기초가 되는 셀 안전성에 영향을 미치는 많은 요소가 있습니다. 화학적 특성이 다르기 때문에 리튬 배터리의 음극 재료에 따라 안전성이 다릅니다. 예를 들어 인산 철 리튬은 감람석 모양으로 비교적 안정하고 쉽게 붕괴되지 않습니다. 그러나 코발트산리튬과 삼원리튬은 층상구조로 붕괴되기 쉽다. 분리막의 성능은 전지의 안전성과 직결되기 때문에 분리막 선택도 매우 중요합니다. 따라서 셀 선택 시 검출 보고서뿐만 아니라 제조업체의 생산 공정, 재료 및 해당 매개변수도 고려해야 합니다.

구조설계

배터리의 구조 설계는 주로 절연 및 방열 요구 사항을 고려합니다.

• 절연 요구 사항에는 일반적으로 다음과 같은 측면이 포함됩니다. 양극과 음극 사이의 절연; 셀과 인클로저 사이의 절연; 폴 탭과 인클로저 사이의 절연; PCB 전기적 간격 및 연면거리, 내부 배선 설계, 접지 설계 등
• 열 방출은 주로 일부 대형 에너지 저장 또는 견인 배터리에 사용됩니다. 이들 배터리는 에너지가 높기 때문에 충전 및 방전 시 발생하는 열이 엄청납니다. 열을 제때 방출하지 못하면 열이 축적되어 사고가 발생할 수 있습니다. 따라서 인클로저 재료의 선택 및 설계(특정 기계적 강도와 방진 및 방수 요구 사항이 있어야 함), 냉각 시스템 및 기타 내부 단열재 선택, 방열 및 소화 시스템을 모두 고려해야 합니다.

배터리 냉각 시스템의 선정 및 적용에 대해서는 지난호를 참고하시기 바랍니다.

기능적 안전성 설계

물리적, 화학적 특성으로 인해 재료가 충전 및 방전 전압을 제한할 수 없는 것으로 결정됩니다. 충전 및 방전 전압이 정격 범위를 초과하면 리튬 배터리에 돌이킬 수 없는 손상이 발생합니다. 따라서 리튬 배터리가 작동할 때 내부 셀의 전압과 전류를 정상 상태로 유지하기 위한 보호 회로를 추가해야 합니다. 배터리 BMS에는 다음 기능이 필요합니다.

• 과전압 보호 충전: 과충전은 열 폭주의 주요 원인 중 하나입니다. 과충전 후에는 과도한 리튬 이온 방출로 인해 양극재가 붕괴되고 음극에도 리튬 석출이 발생하여 열 안정성이 감소하고 부반응이 증가하여 열 폭주 위험이 발생할 수 있습니다. 따라서, 충전이 셀의 상한 전압에 도달한 후 적시에 전류를 차단하는 것이 특히 중요하다. 이를 위해서는 BMS에 과전압 보호 충전 기능이 있어야 하므로 셀의 전압이 항상 작동 한계 내에서 유지됩니다. 보호전압은 범위값이 아니고 크게 변하는 것이 좋습니다. 배터리가 완충되었을 때 전류를 차단하지 못해 과충전이 발생할 수 있기 때문입니다. BMS의 보호 전압은 일반적으로 셀의 상위 전압과 같거나 약간 낮게 설계됩니다.
• 과전류 보호 충전: 충전 또는 방전 한계보다 높은 전류로 배터리를 충전하면 열이 축적될 수 있습니다. 다이어프램이 녹을 만큼 열이 축적되면 내부 단락이 발생할 수 있습니다. 따라서 과전류 보호를 적시에 충전하는 것도 필수적입니다. 과전류 보호는 설계 시 셀 전류 허용 오차보다 높을 수 없다는 점에 주의해야 합니다.
• 전압 보호 하에서의 방전: 전압이 너무 크거나 너무 작으면 배터리 성능이 손상됩니다. 전압 하에서 연속 방전하면 구리가 석출되고 음극이 붕괴되므로 일반적으로 배터리는 전압 하에서 방전 보호 기능을 갖습니다.
• 과전류 보호: 대부분의 PCB 충전 및 방전은 동일한 인터페이스를 통해 이루어지며, 이 경우 충전 및 방전 보호 전류는 일관됩니다. 그러나 일부 배터리, 특히 전동공구용 배터리, 고속 충전 및 기타 유형의 배터리는 대전류 방전 또는 충전을 사용해야 하며, 이때 전류는 일정하지 않으므로 2루프 제어로 충전 및 방전하는 것이 가장 좋습니다.
• 단락 보호: 배터리 단락은 가장 일반적인 결함 중 하나입니다. 일부 충돌, 오용, 압착, 니들링, 물 유입 등은 단락을 유발하기 쉽습니다. 단락되면 즉시 큰 방전 전류가 발생하여 배터리 온도가 급격히 상승합니다. 동시에, 일련의 전기화학 반응은 일반적으로 외부 단락 후 전지에서 발생하며, 이는 일련의 발열 반응으로 이어집니다. 단락 보호는 또한 일종의 과전류 보호입니다. 그러나 단락 전류는 무한하고 열과 피해도 무한하므로 보호 기능은 매우 민감해야 하며 자동으로 트리거될 수 있습니다. 일반적인 단락 보호 조치에는 접촉기, 퓨즈, Mos 등이 포함됩니다.
• 과열 보호: 배터리는 주변 온도에 민감합니다. 온도가 너무 높거나 낮으면 성능에 영향을 미칩니다. 따라서 배터리를 한계 온도 내에서 작동하도록 유지하는 것이 중요합니다. BMS에는 온도가 너무 높거나 낮을 때 배터리를 정지시키는 온도 보호 기능이 있어야 합니다. 충전 온도 보호, 방전 온도 보호 등으로 세분화할 수도 있습니다.
• 밸런싱 기능: 노트북 및 기타 다중 시리즈 배터리의 경우 생산 공정의 차이로 인해 셀 간 불일치가 있습니다. 예를 들어 일부 셀의 내부 저항은 다른 셀의 내부 저항보다 큽니다. 이러한 불일치는 외부 환경의 영향으로 점차 악화됩니다. 따라서 셀의 밸런스를 구현하기 위해서는 밸런스 관리 기능이 필요합니다. 일반적으로 두 가지 종류의 균형이 있습니다.

1. 패시브 밸런싱: 전압 비교기와 같은 하드웨어를 사용한 다음 저항 열 방출을 사용하여 고용량 배터리의 과잉 전력을 방출합니다. 그러나 에너지 소비가 크고 균등화 속도가 느리며 효율성이 낮습니다.

2. 능동 밸런싱: 커패시터를 사용하여 전압이 더 높은 셀의 전력을 저장하고 전압이 더 낮은 셀에 이를 방출합니다. 그러나 인접한 셀 간의 압력 차이가 작을 경우 균등화 시간이 길어지고 균등화 전압 임계값을 보다 유연하게 설정할 수 있습니다.

표준 검증

마지막으로, 배터리가 해외 또는 국내 시장에 성공적으로 진출하려면 리튬 이온 배터리의 안전성을 보장하기 위해 관련 표준도 충족해야 합니다. 셀부터 배터리, 호스트 제품까지 해당 테스트 표준을 충족해야 합니다. 이 기사에서는 전자 IT 제품에 대한 국내 배터리 보호 요구 사항에 중점을 둘 것입니다.

GB 31241-2022

이 표준은 휴대용 전자기기의 배터리에 관한 것입니다. 주로 용어 5.2 안전 작동 매개변수, PCM에 대한 10.1~10.5 안전 요구 사항, 시스템 보호 회로에 대한 11.1~11.5 안전 요구 사항(배터리 자체가 보호되지 않는 경우), 12.1 및 12.2 일관성 요구 사항 및 부록 A(문서용)를 고려합니다. .

u 5.2항의 셀 요구사항과 배터리 매개변수가 일치해야 합니다. 이는 배터리의 작동 매개변수가 셀 범위를 초과해서는 안 된다는 것으로 이해될 수 있습니다. 그러나 배터리 작동 매개변수가 셀 범위를 초과하지 않도록 배터리 보호 매개변수를 보장해야 합니까? 서로 다른 이해가 있지만 배터리 설계 안전성의 관점에서 대답은 '그렇다'입니다. 예를 들어, 셀(또는 셀 블록)의 최대 충전 전류는 3000mA이고, 배터리의 최대 작동 전류는 3000mA를 초과해서는 안 되며, 배터리의 보호 전류는 충전 과정의 전류가 초과하지 않도록 해야 합니다. 3000mA. 이런 방법으로만 우리는 위험을 효과적으로 보호하고 피할 수 있습니다. 보호 매개변수 설계에 대해서는 부록 A를 참조하십시오. 사용 중인 셀-배터리-호스트의 매개변수 설계를 고려하며 이는 비교적 포괄적입니다.

u 보호 회로가 있는 배터리의 경우 10.1~10.5 배터리 보호 회로 안전 테스트가 필요합니다. 이 장에서는 주로 과전압 보호, 과전류 충전, 저전압 보호, 방전 과전류 보호 및 단락 보호에 대해 조사합니다. 이들은 위에서 언급한기능 안전 설계그리고 기본 요구 사항. GB 31241은 500번의 확인이 필요합니다.

u 보호 회로가 없는 배터리가 충전기나 최종 장치로 보호되는 경우 11.1~11.5 시스템 보호 회로의 안전성 테스트는 외부 보호 장치를 사용하여 수행되어야 합니다. 주로 충전 및 방전의 전압, 전류 및 온도 제어를 연구합니다. 보호 회로가 있는 배터리와 비교하여 보호 회로가 없는 배터리는 실제 사용 시 장비 보호에만 의존할 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 위험이 높으므로 정상 작동 및 단일 결함 조건을 별도로 테스트합니다. 이로 인해 최종 장치는 이중 보호 기능을 갖게 됩니다. 그렇지 않으면 11장의 테스트를 통과할 수 없습니다.

u 마지막으로 배터리에 여러 개의 직렬 셀이 있는 경우 불균형 충전 현상을 고려해야 합니다. 12장의 적합성 테스트가 필요합니다. 여기서는 PCB의 균형 및 차압 보호 기능을 주로 조사합니다. 단일 셀 배터리에는 이 기능이 필요하지 않습니다.

GB 4943.1-2022

이 표준은 AV 제품에 대한 것입니다. 배터리로 구동되는 전자 제품의 사용이 증가함에 따라 GB 4943.1-2022의 새 버전은 배터리 및 보호 회로가 있는 장비를 평가하는 부록 M의 배터리에 대한 특정 요구 사항을 제공합니다. 배터리 보호 회로 평가를 바탕으로 리튬 2차 배터리를 포함하는 장비에 대한 추가 안전 요구 사항도 추가되었습니다.

u 2차 ​​리튬 배터리 보호 회로는 주로 과충전, 과방전, 역충전, 충전 안전 보호(온도), 단락 보호 등을 조사합니다. 이러한 테스트에는 모두 보호 회로의 단일 오류가 필요하다는 점에 유의해야 합니다. 이 요구 사항은 배터리 표준 GB 31241에 언급되어 있지 않습니다. 따라서 배터리 보호 기능 설계에서는 배터리와 호스트의 표준 요구 사항을 결합해야 합니다. 배터리에 보호 기능이 하나만 있고 중복 구성 요소가 없거나 배터리에 보호 회로가 없고 보호 회로가 호스트에 의해서만 제공되는 경우 호스트는 테스트의 이 부분에 포함되어야 합니다.

결론

결론적으로 안전한 배터리를 설계하기 위해서는 소재 자체의 선택뿐만 아니라 그에 따른 구조적 설계와 기능적 안전성 설계도 똑같이 중요하다. 표준마다 제품에 대한 요구 사항이 다르지만, 배터리 설계의 안전성을 충분히 고려하여 다양한 시장의 요구 사항을 충족할 수 있다면 리드 타임을 크게 단축하고 제품 출시를 가속화할 수 있습니다. 다양한 국가 및 지역의 법률, 규정, 표준을 결합하는 것 외에도 단말기 제품에 사용되는 배터리의 실제 사용을 기반으로 제품을 설계하는 것도 필요합니다.