리튬배터리 보호회로(PCM or BMS)의 종류와 기능

[열정잔차]

PCM(Protection Circuit Module)

충방전이 가능한 배터리를 2차전지라 부르고 그 중에너지 밀도와 생산성이 높아 상용화된 리튬계열 전지로는

리튬이온, 리튬망간, 리튬니켈, 리튬코발트, 리튬인산철 등이 있습니다.

이들 리튬 게열의 배터리는 과충전을 방치 할 경우 내부 과열과 화학반응이 일어나는 스웰링 현상으로

용기의 내부압력 증가로 인해 폭발이 일어나기도 합니다, 또는 과방전으로 방전 종지전압 이하로 내려가면 전극이

영구 손상되어 사용할 수 없게 됩니다. 이를 사전에 방지하고 위험 요소를 제거하기위해 보호회로는 필수입니다

우리가 통상 보호회로 라고 부르는 PCM은 Protection Circuit Module(보호회로장치) 의 약자 입니다.

리튬이온 계열 배터리의 보호회로(PCM)는 기본적인 4가지의 기능과 규격이 있습니다.

1. 과충전보호기능 ( Over Charge Protection Voltage ---4.25~4.35V Max)

    보호 전압이상 과충전시 화학반응이 시작되어 가스와 열이 발생 배부름과 폭발로 이여집니다

    이를보호하기 위하여 사전 차단을하는 기능과 전압입니다 

2. 과방전보호기능 ( Over Discharge Protection Voltage ---2.40~3.00V Min)

    2V 이하로 방전되면 회복불능으로 전지가 손상되어 이를 방지하기 위하여 사전 차단하는 기능과 전압입니다. 

3. 과전류차단기능 ( Over Current Protection /Detection current----1.5A~3A 소형셀기준)

    외부의 기기의 오동작이나 실수로 인한 과전류로 전지나 보호회로가  손상되는 것을 방지하기 위해 일정

    이상의 전류가 흐르면 차단되는 기능입니다

4. 단락보호기능 ( Short Protection /Detection Condition---외부회로 단락)

   외부의 부하가 단락되면 배터리나 보호회로가 손상되고, 단락으로 인한 화재로 부터 보호하기 위한 기능입니다

부수적인 검출시간. 내부저항, 동작온도, 해제조건, 동작전류 등의 전기적 규격도 있습니다.

단셀과 직렬연결된 2S,3S,4S---nS의 경우 모두 각직렬단의 개별전압을 검출하여 보호기능을 수행합니다.

따라서 직렬연결단의 한 셀이라도 과충전과 과방전상태가(전압이) 검출되면 전체의 입출력이 차단됩니다.

배터리특성상 또는 회사별로 약간의 스팩의 차이가 있습니다 

단셀 PCM의 경우 배터리의 단자와 연결되는 쪽을 B+, B- 로 표기하고 외부로 연결되는 입출력은 P+, P-로

표시하며 방전시는 출력, 충전시는 입력으로 사용합니다

전기적으로 대부분 B+와 P+는 쇼트되어 있거나 사이에 PTC Fuse ( Poly Switch 라고도 함)를 톻해 연결하고

B-와 P- 사이에 Dual N-ch FET가 과충전과 과방전을 검출하는IC의 On/Off 신호에의해 차단또는 해제 됩니다 

또한 방전시 FET 내부저항에 의한 전위차를 검출하여 과전류차단 및 단락보호 기능을 수행합니다.

 

2S (2직렬)이상의 다직렬 연결일 경우는 전용 검출제어 IC가 과충전과 과방전 상태를 각단 별로 검출하여

하나로 모아 차단합니다. IC 종류에 따라 - 제어 방식이 아닌 P-ch FET로 B+와 P+를 제어하는 방식도 있습니다.  

단셀과 달리 직렬단 전체를 차단 하기위하여 하나가 아닌 수개의  FET를 병렬로 연결하여 전류용량을 늘림니다.

또한 별도의 전류검출용 정밀저항을 달아 전위차를 검출을 하여 과전류및 단락보호 기능을 수행합니다.

다직렬일경우 어느 한 단이라도 이상이 검출되면 전체가 차단되기 때문에 셀밸런싱이 매우 중요합니다.

 

또한 부하상태에서 보호회로 차단시 배터리 전압이 다시 상승하기 때문에 일정 히스테리시스 전압을 주어 On/Off가 

계속 반복 되는 현상을 막아줍니다. 그렇기 떄문에 차단전압과 해지전압이 별도 규격으로 표시되어 있습니다.

단셀일 경우 본체와 결합상태를 인식하는 ID 단자나 온도검출용 써미스터(NTC) 단자가 있기도 합니다

BMS (Battery Management System)

PCM의 기본 보호기능 외에 배터리 관리에 필요한 많은 기능들을 수행하는 것을 배터리관리시스템( BMS)이라 합니다 

흔히 셀밸런싱기능이 있는 것을 BMS라고 부르지만 넓은 의미에서는 가장 초보적인 BMS 기능의 일부분입니다

스마트그리드의 구성요소인 ESS(에너지저장장치)나 전기자동차의 BMS는 다음의 여러 기능들이 확장되어 있습니다.

1. 통신기능--- 유무선 통신을이용해 모니터링한 배터리의 정보를 전송하거나 제어합니다

2. 모니터기능---배터리의 모든정보, 충방전상태, 전압, 온도, 내부압력, 입출력상태등을 감시합니다 

3, 계산기능---배터리스스로 잔량, 시간, 총에너지량, 사용충방전이력, 등을 계산 충방전 제어에 사용합니다. 

4. 기본보호 및 셀밸런싱기능 

우리가 흔히 DIY에 사용하는 BMS는 하드웨어 만으로 구성한 최소기능의 BMS 입니다.

메이커에서는 셀밸런싱기능이 있는  PCM이라고 분류하기도 합니다

 

14,8V 4S 12A BMS 사진  (100//100 = 50 Ohm 밸런싱저항  85mA 밸런싱전류 @ 4.20V )

다직렬 셀 밸런싱의 기본 동작 원리와 이해

많은 종류의 BMS 대부분은 충전시 직렬단(셀)별로 만충전압(대부분 4.2V)을 검출하여 그단에 저항을 병렬로 연결시켜서

만충된 단(셀)의 더이상의 충전 전압 상승을 억제 하고 일부 전류를 저항을 통해 소비 시켜 아직 만충전전압에 도달하지 못한 다른 단(셀)의 충전이 좀더 빠르게 이루어지도록 도와 줍니다. 이때 그단에서 소비되는 전류를 밸런싱전류라고 합니다

대부분의 셀밸런스 충전기 역시도 위와 같은 방법으로 충전을 하기 때문에 셀의 용량이 크면클수록 상대적으로 

많은 시간이 걸려야 셀밸런싱이 이루어짐니다. 또한 밸런싱 전류에 비해 큰 충전 전류를 공급하면 미처 밸런싱이

마치지 않은 상태로 충전기가 차단하거나 과충전 차단이 되어 충전이 종료 됩니다. 

이와 같은 이유로 모든 배터리의 직병렬 연결시에는 무조건 사전에 수동으로 셀밸런싱을 해야만 시간과 노력을 줄이고

주어진 용량을 십분 활용힐 수 있습니다

파워 뱅크의 만충전 전압이 3S의 경우 12.6V 입니다. 만충직후 전압이 12.4V 이하일 경우 대부분은 셀밸런싱이 틀어진

직렬단중 어느 한 단이 먼저 과충전차단을 한 경우가 대부분 입니다.

아래표의 16.8V는 4S 용의 규격입니다.

끝까지 앍어 주신 분들과  덧글 달아주신 분들께 미리 감사 드립니다 ^^jo

보람있고 즐겁고 안전한 DIY가 되시기 바랍니다. 하하jo

혹시 틀린점 지적도 대환영 입니다