배터리 충전기 보호 기능

차량용 배터리 충전기를 사용하든 다른 용도로 배터리를 사용하든 배터리를 보호하는 방법을 이해하는 것이 중요합니다. 여기에는 과충전의 원인 인식, 열폭주 방지 방법 등이 포함됩니다.

과전류 보호는 모든 전기 회로의 중요한 부분입니다. 전류 과부하 및 지락으로부터 장비를 보호합니다.

보호 기능 외에도 과전류 장치를 사용하여 과충전 상황을 진단할 수 있습니다. 회로 차단기, 퓨즈 및 퓨저블 ​​링크는 가장 일반적인 과전류 보호 장치입니다. 이러한 장치는 보호하는 회로와 직렬로 연결됩니다.

퓨즈와 회로 차단기는 전류가 사전 설정된 임계값을 초과할 때 회로를 차단하도록 설계되었습니다. 그들은 일반적으로 저전압 시스템에 사용됩니다. 퓨즈는 절연체로 둘러싸인 두 개의 와이어 또는 스트립으로 구성됩니다. 퓨징 스트립의 녹은 연결부가 호를 그리며 녹을 수 있습니다.

퓨즈와 회로 차단기는 거의 모든 전자 제품에서 찾을 수 있습니다. 과전류 또는 단락으로부터 사람, 도체 및 장비를 보호하는 데 사용됩니다. 회로가 작동하지 않으면 퓨즈가 끊어지고 장치가 작동하지 않게 됩니다.

배터리는 과전류 및 과전압으로부터 보호되어야 합니다. 과충전 및 과전압 상태는 배터리 고장, 폭발 및 독성 연기를 유발할 수 있습니다. 특히 리튬 이온 배터리는 모니터링하고 보호해야 합니다.

배터리 충전 회로는 전원 과부하, 불일치 부하, 허용된 것보다 더 많은 전류를 소모하는 충전 회로와 같은 문제에 취약합니다. 이러한 위험으로부터 배터리와 장비를 보호하려면 배터리 팩에 과전류 보호 기능이 있어야 합니다.

리튬 폴리머 배터리 팩에는 일반적으로 과충전 및 과방전을 방지하도록 설계된 보호 회로가 장착되어 있습니다. 그러나 그들은 또한 오용에 취약합니다. 리튬 폴리머 배터리를 용량 이상으로 충전하면 열 폭주 및 기타 안전 문제가 발생할 수 있습니다. 이상적으로 배터리는 배터리의 과전류 충전 보호 전류의 1.5배 이상 충전되지 않아야 합니다.

배터리 팩의 과전류 보호 기능을 테스트하려면 과전류 및 과전압 조건에 대한 회로의 응답을 확인해야 합니다. 이러한 테스트는 실험실에서 수행해야 합니다.

과전류 충전 보호 기능은 DC 전원을 사용하여 테스트됩니다. 데이터는 충전이 중지된 후 1시간 동안 수집됩니다. 이 시간 동안 배터리의 온도와 SOC 수준이 측정됩니다. SOC 수준이 130% 이상에 도달하면 테스트가 종료됩니다. 이를 통해 과전류 및 과전압에 대한 배터리의 저항 능력을 보다 정확하게 평가할 수 있습니다.

과방전 보호는 리튬 이온 배터리 충전기의 안전 기능 중 하나입니다. 리튬 배터리의 전압이 특정 임계값 아래로 떨어질 때 발생합니다. 전압이 이 임계값 미만 수준에 도달하면 배터리 충전이 중지됩니다. 배터리는 결국 잠재적인 화재 위험이 됩니다.

과방전 보호는 과충전 보호 스위치의 형태로 구현됩니다. 스위치는 배터리의 양극과 배터리의 출력 단자 사이에 직렬로 연결됩니다.

스위치에는 배터리 전압이 특정 최소 설정점에 도달하면 스위치를 켜고 끄는 제어 회로가 수반됩니다. FET가 조기에 꺼지는 것을 방지하기 위해 지연 회로도 포함되어 있습니다.

과충전 보호 스위치 외에도 배터리 전압을 모니터링하는 전압 감지 회로도 있습니다. 이 회로는 3단자 집적 회로(IC) 컨트롤러로 구성됩니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 IC는 셀 전압이 과방전 임계값 아래로 떨어지면 출력 전압을 차단하여 과방전 보호 스위치를 제어합니다.

이 회로는 또한 기생 다이오드를 통합하여 역전류에 대해 FET를 온 상태로 유지합니다. FET의 게이트에서 전압 상승에 약간의 시간을 추가하는 커패시터 C21로 보완됩니다.

과방전 보호 스위치가 꺼지면 스위치 출력측의 전압이 충전단의 전압까지 상승합니다. 열 회로 차단기는 배터리 입력을 비활성화하는 데에도 사용됩니다.

앞서 언급한 또 다른 구성 요소는 과열 보호 기능입니다. 이 장치는 과방전 보호 기능만큼 정교하지 않습니다.

과방전 보호 기능을 위한 대체 설계는 배터리 온도를 읽고 출력을 비활성화하는 마이크로컨트롤러입니다. 그러나 이 옵션에는 많은 프로그래밍이 필요하므로 일부 응용 프로그램에서는 비실용적일 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 유용하고 특정 응용 프로그램을 충족하도록 사용자 정의할 수 있는 일부 과방전 보호 옵션이 있습니다. 예를 들어 다중 셀 리튬 이온 배터리 충전기에서 과방전 감지 메커니즘은 배터리 팩의 모든 셀을 모니터링하도록 설정할 수 있습니다.

배터리 충전기의 과열 보호 기능은 배터리 전원 관리 시스템의 성능과 신뢰성에 매우 중요합니다. 과열 상태는 안전상 위험할 뿐만 아니라 배터리 수명에도 해로울 수 있습니다. 열 폭주 발생을 방지하기 위해 온도가 실행 불가능한 수준에 도달하기 전에 배터리를 차단해야 합니다.

배터리 보호 체계는 일반적으로 두 가지 보호 수준을 제공합니다. 하나는 온도 퓨즈이고 다른 하나는 열 차단 기능입니다.

온도 퓨즈는 축전지의 온도가 미리 정해진 임계값을 초과하면 충전기를 자동으로 끄는 장치입니다. 배터리 충전기의 다른 기능으로는 과전압 및 역극성 보호 기능이 있습니다.

열 차단 기능을 제공하는 다른 배터리 충전기가 있습니다. 그러나 이러한 장치는 표준 충전기에 통합하기에는 너무 비싸고 열 차단을 방지하기 위해 신중한 설계가 필요합니다. 대신 NTC 서미스터를 전용 연결 핀에 연결하여 과열 차단 기능을 구현할 수 있습니다. 그러면 전압 감지 회로가 서미스터의 저항을 모니터링하여 온도가 배터리를 차단할 만큼 충분히 높은지 판단할 수 있습니다.

배터리는 온도 범위가 큽니다. 축전지와 충전기의 온도차가 클 수 있습니다. 이 차이로 인해 과충전 또는 과충전이 발생할 수 있습니다. 이 두 가지 모두 배터리를 손상시킬 수 있습니다.

온도 퓨즈 외에도 충전기에는 전압 조정기가 포함될 수 있습니다. 이를 통해 충전기는 일정한 전압을 유지하면서 배터리로 흐르는 전류를 최대 허용 값 미만으로 유지할 수 있습니다.

배터리 충전기는 일반적으로 빠른 열 방출을 특징으로 하는 특허 받은 플라스틱 프로필 디자인을 통합합니다. 또한 표시등, 충전 속도 표시 및 6가지 보호 기능이 내장되어 있습니다.

배터리는 시작 환경이 너무 뜨거워서 배터리가 전하를 흡수할 수 없는지 판단하기 위해 서미스터를 통합할 수도 있습니다. 이 온도 측정은 회로를 모니터링하고 냉각 팬을 켜거나 충전을 차단하는 작업을 트리거하는 데 유용합니다.

배터리 기술과 축전지의 화학적 특성에 따라 여러 보호 기능이 있습니다. 일부는 배터리 전원 관리 시스템의 일부로 구현되고 나머지는 충전기 자체에 통합됩니다.

열 폭주는 배터리에서 발생할 수 있는 위험한 상태입니다. 배터리의 전해액이 과열되어 꺼지지 않는 화재로 이어질 수 있습니다. 이 상태는 내부 단락 또는 외부 단락의 결과일 수 있습니다. 다행히 배터리 충전기에는 열 폭주에 대한 보호 기능이 내장되어 있습니다.

시스템이 배터리 충전을 시작하면 먼저 배터리 전압 모니터링을 시작합니다. 전압이 증가하지 않으면 시스템은 배터리가 열 폭주 모드에 있다고 가정합니다. 그런 다음 배터리가 미리 정해진 충전 전압에 도달할 때까지 충전 전류가 증가합니다.

충전 전류가 미리 정해진 수준에 도달하면 시스템이 충전 속도를 줄이기 시작합니다. 이렇게 하면 충전 전류가 배터리에 안전한 양으로 감소합니다. 현재 수준이 특정 임계값에 도달하면 배터리가 완전히 충전됩니다.

열 폭주 가능성을 방지하기 위해 배터리 충전기는 충전 전류의 전압 및 듀티 사이클을 모니터링합니다. 충전 특성에 편차가 있는 경우 시스템은 이상 현상을 문제로 처리하고 충전 속도를 낮춥니다.

배터리 충전기의 소프트웨어는 배터리의 전기 충전 매개변수도 모니터링합니다. 배터리 전압이 미리 설정된 값에 도달하면 열 폭주 조건이 있는지 확인하기 위해 확인됩니다.

정전류 모드에서 듀티 사이클은 3개 또는 4개의 연속 값마다 확인됩니다. 듀티 사이클이 감소하면 di/dt 카운터가 감소하고 DTlimit가 증가합니다.

정전압 작동 모드에서 di/dt 카운터는 공칭 값으로 설정됩니다. 전압 곡선은 양의 기울기를 갖습니다. 전압 상승에 실패하고 di/dt 카운터가 음수 값에 도달하면 열 폭주 조건이 고려됩니다.

정전압 배터리 충전기에서 듀티 사이클은 고정된 간격으로 점검됩니다. 미리 설정된 시간에 시스템은 충전 전류를 줄인 다음 듀티 사이클이 감소했는지 다시 확인합니다.

열 폭주는 리튬 배터리에서 발생할 수 있습니다. 매우 효율적인 에너지 저장 장치이지만 따뜻한 환경에 방치하면 용량이 줄어들 수 있습니다. 또한 수산화 리튬에 노출되면 발화하는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 이유로 리튬 이온 배터리는 배터리에 안전한 온도에서 보관해야 합니다.

배터리 충전기 출력 과전압 보호는 ​​배터리로 흐르는 전류가 미리 정해진 한계 내에서 유지되도록 하는 기능입니다. 이는 충전 회로가 일정 시간 동안 출력을 차단하여 폭발을 일으킬 수 있는 오작동을 방지할 수 있음을 의미합니다.

배터리는 매우 민감할 수 있으며 충전 회로의 고장은 폭발로 이어질 수 있습니다. 다행히도 이러한 일이 발생하지 않도록 방지할 수 있는 여러 가지 방법이 있습니다. 첫째, 배터리는 일정한 속도로 충전되어야 합니다. 속도는 배터리 화학 성분과 얼마나 많이 고갈되었는지에 따라 달라집니다. 둘째, 비정상적인 작동 조건을 견딜 수 있도록 회로를 설계해야 합니다.

일반적인 배터리 관리 시스템은 배터리 모니터링 블록과 과전압 보호 회로로 구성됩니다. 보호 메커니즘은 충전 과정 중 배터리 손상과 전원 공급 문제로부터 배터리를 보호합니다. 충전 회로와 통합하거나 배터리 관리 시스템의 일부로 구현할 수 있습니다. 일반적으로 이러한 유형의 배터리 충전기는 배터리 단자 전압 포락선 범위 내에서 전류를 유지하는 것을 목표로 하는 선형 조정기 설계를 사용합니다.

또 다른 옵션은 연속 제어 및 제한 제어 기능을 통합하는 배터리 관리 시스템입니다. 이를 통해 부하가 USB 전류 제한을 초과할 때 충전 전류가 다시 축소될 수 있습니다. 또한 조정된 3.3V 출력 전원을 사용하여 활성 저전압 감지 신호를 제공할 수 있습니다.

과전압 보호를 위한 또 다른 옵션은 비교기 회로입니다. 마이크로컨트롤러 코드에서 비교 연산자를 사용하면 인가된 전압이 최대 허용 전압보다 낮은지 확인할 수 있습니다. INA300 23 전류 감지 비교기는 최대 1mA 미만에서 충분히 소비할 수 있습니다.

출력 전압이 지정된 수준 아래로 떨어지면 아이디얼 다이오드 기능을 사용하여 충전 프로세스를 일시 중지할 수도 있습니다. 이 경우 아이디얼 다이오드는 두 번째 외부 PFET가 OUT과 BAT 사이를 연결할 수 있도록 하는 고성능 다이오드입니다. OUT 전압이 BAT 전압 아래로 떨어지면 아이디얼 다이오드가 활성화됩니다.

일부 배터리 화학 물질은 인가된 전압에 매우 민감합니다. 예를 들어, 리튬 이온 재충전 가능 배터리는 1degC에서만 충전하도록 설계되었습니다. 단자 전압이 이 수준 아래로 떨어지면 충전 회로를 분리해야 합니다. 마찬가지로 다른 화학 물질은 매우 작은 플로트 전압을 예상합니다. 그러나 전압이 너무 낮아지면 자체 방전율이 증가합니다. 이러한 화학은 또한 단자 전압에 도달하면 충전 회로를 분리해야 합니다.

규제되지 않은 AC/DC 어댑터를 사용하면 다른 문제가 발생할 수 있습니다. 비행기, 유리 패널, 심지어 충전 IC를 포함한 많은 전자 장치는 규제되지 않은 공급 장치에 연결될 때 손상되기 쉽습니다.

한 가지 해결책은 스위치 모드 전원 공급 장치를 사용하는 것입니다. 이러한 유형의 전원 공급 장치는 스위치를 사용하여 전압을 모니터링합니다. 전압이 너무 빨리 상승하면 스위치가 전압을 다시 확인합니다. 그러나 전원 공급 장치에 결함이 있으면 스위칭 전원 공급 장치가 손상될 수 있습니다.

배터리 충전기 입력 저전압 및 과전압 보호

배터리 충전기 입력 저전압 및 과전압 보호는 ​​다양한 애플리케이션에서 중요한 기능입니다. 입력 전압이 특정 임계값을 초과하면 충전기 IC가 전원 공급을 비활성화합니다. 이렇게 하면 부하, 장치 또는 시스템 마이크로컨트롤러가 손상되지 않도록 보호할 수 있습니다. 충전기 IC의 설계에 따라 온도 임계값도 구현될 수 있습니다.

과전압 보호는 ​​저전압 보호보다 덜 일반적입니다. 그러나 경우에 따라 회로의 오작동이 발생할 수 있습니다. 이러한 유형의 보호를 주의하여 구현하는 것이 가장 좋습니다. 배터리 충전 전류 및 온도, 배터리 전압을 유지하는 데 필요한 전력량, 사용 중인 장치 유형 등 고려해야 할 여러 요소가 있습니다. 이상적으로는 충전기 IC가 과전압 상황에 대해 구성 가능한 응답을 구현합니다. 충전기 IC는 또한 작동 범위를 조절할 수 있어야 합니다.

저전압 보호는 ​​종종 과전압 보호보다 덜 복잡합니다. 대부분의 디자이너는 디자인의 이러한 측면에 관심을 두지 않습니다. 오히려 그들은 프로젝트의 다른 측면에 집중합니다. 대부분의 경우 저전압 상태는 손상을 일으키지 않습니다. 그러나 일부 조건에서는 더 많은 주의가 필요할 수 있습니다.

저전압 보호를 구현하기 위해 전원 공급 장치에 회로가 ​​배치됩니다. 그런 다음 타이머가 사용됩니다. 이 타이머는 배터리가 설정된 임계값 아래로 떨어지면 자동으로 부하를 차단합니다. 회로가 간단하고 구현하기 쉽습니다. 타이머는 다양한 전압 값을 수용하도록 조정할 수 있습니다.

또 다른 옵션은 지렛대 회로를 사용하는 것입니다. 지렛대 회로는 드롭 지렛대와 유사합니다. 그러나 지렛대는 전원 공급 장치의 손상 가능성을 고려하지 않습니다. 오히려 크로우바의 기능은 과전압 상황이 발생하는 것을 방지하는 것입니다.

일반적으로 배터리 충전기의 과전압 보호 기능은 JEITA 배터리 표준을 기반으로 합니다. 결과적으로 배터리 팩 제조업체는 다양한 충전 전류 수준에 대해 지정된 임계값을 갖게 됩니다. 예를 들어, 충전 IC는 최소 입력 전압을 4.5V로, 최대 입력 전압을 20V로, 저전압 임계값을 3V로 설정할 수 있다.

다른 과전압 보호 기능에는 열 조절 및 배터리 누락 감지가 포함됩니다. 충전 IC는 충전 전류를 조절하여 과열을 방지할 수도 있습니다. 이러한 안전 기능은 충전 중에 배터리가 손상되지 않도록 합니다.

벅, 부스트 및 벅-부스트 충전기를 포함하여 여러 유형의 충전기 IC가 있습니다. 벅 부스트 충전기는 최대 충전 전류를 특정 임계값으로 제한하면서 연속 충전이 가능합니다. 벅 및 부스트 충전기 모두 벅 충전기보다 작동 전압이 더 높습니다. 따라서 더 큰 IC 패키지가 필요합니다. 그들은 휴대용 응용 프로그램에서 사용할 수 있습니다.

일부 충전기 IC에는 통합 I2C 인터페이스가 있습니다. 이를 통해 장치는 다양한 안전 기능을 쉽게 구성할 수 있습니다. 이러한 기능 중 하나는 감시 타이머입니다. 충전 프로세스 동안 MCU는 정기적으로 타이머를 재설정해야 합니다. 타이머가 작동하지 않으면 시스템 마이크로컨트롤러가 응답할 수 없습니다.

또 다른 유형의 배터리 충전기 IC는 스위칭 충전기입니다. 스위칭 충전기는 일반적으로 더 효율적이고 더 높은 전류를 처리할 수 있습니다. 이러한 유형의 충전기는 비용이 더 많이 들 수 있지만 일부 응용 분야에서는 더 편리한 선택이 될 수도 있습니다.

배터리 충전기 단락 회로 및 역 연결 보호

역극성 배터리 연결은 배터리 및 휴대용 전자 장비에 심각한 손상을 줄 수 있습니다. 스파크, 수소 가스를 발생시키거나 배터리를 완전히 방전시킬 수 있습니다. 이것들은 모두 건강과 장비에 위험할 수 있습니다. 배터리 역 연결을 방지하는 방법과 배터리 충전기를 이러한 영향으로부터 보호하는 방법은 다음과 같습니다.

역극성 배터리 연결을 방지하려면 양극을 배터리의 음극 단자에 연결하는 것이 중요합니다. 이는 배터리가 과열되지 않도록 하기 위한 것입니다. 또한 배터리의 음극 쪽에서 전압이 점차적으로 배터리를 방전하여 축전기에서 발생하는 것과 유사한 방전 주기가 발생합니다.

사용 중인 장치 유형에 따라 배터리 반전 스위치 또는 기계적 보호 장치가 필요할 수 있습니다. 여기에는 극성 커넥터 또는 단방향 커넥터가 포함될 수 있습니다. 또한 보호 안경이나 고무 장갑을 착용해야 할 수도 있습니다.

배터리 반전을 방지하는 또 다른 간단한 방법은 병렬 다이오드 회로를 사용하는 것입니다. 제작하기 쉽고 고출력 임피던스 배터리를 역설치로부터 보호할 수 있습니다. 그러나 높은 전류를 처리할 수 있어야 합니다. 충전 펌프는 또한 부하를 보호하는 데 도움이 되는 유용한 추가 기능이 될 수 있습니다.

역 극성 배터리 연결은 전자가 배터리의 음극에서 양극으로 당겨지기 때문에 위험합니다. 이로 인해 배터리가 방전되어 배터리가 타버릴 수 있습니다. 다른 배터리와 마찬가지로 배터리도 빨리 소모되고 수명이 짧아질 수 있습니다. 배터리 반전 스위치를 사용하면 배터리 충전기와 휴대용 전자 장치를 배터리 반전 연결의 영향으로부터 보호할 수 있습니다.

리버스 배터리가 연결되면 MP1이 이를 감지합니다. MP1이 연결을 감지하지 못하면 MP2 기본 패스 장치를 비활성화합니다. 리버스 배터리 연결 중에 MN1은 많은 전력을 생성합니다. 이로 인해 MP2가 비활성화되고 MP1이 해제됩니다. 마찬가지로 배터리가 연결되어 있고 MP2가 비활성화된 경우 MP1은 충전기 실행을 중지합니다.

또 다른 접근 방식은 NMOS 기반 회로를 사용하는 것입니다. NMOS는 래칭 메모리 소자를 사용하여 리버스 배터리가 부착되었는지 여부를 결정합니다. 이 방법은 PMOS 기반 접근 방식보다 간단하지만 항상 배터리에 연결되는 것은 아닙니다. 그렇다 하더라도 MN1이 활성화되는 것을 방지할 만큼 항상 빠르지는 않습니다.

또는 PMOS 보호 회로를 사용해 볼 수 있습니다. 이 방법에서는 충전기가 꺼져 있는 동안 배터리가 일시적으로 충전기의 출력에 연결됩니다. 배터리 단자의 전압과 충전기 출력의 전압을 비교하여 연결이 영구적인지 여부를 확인할 수 있습니다.

마지막으로 배터리가 너무 뜨거워 분리하기 전에 MN1을 배터리에서 분리하는 것이 중요합니다. 빠른 프로세스는 아니지만 매우 중요합니다. 이 작업을 지원하기 위해 여러 회로가 개발되었습니다. 최고의 회로 중 하나는 R3 및 R4를 포함합니다. 저전압 리튬 이온 배터리 애플리케이션에 가장 효과적입니다.