배터리폭발과 셀발란서

[김영준]

1. 나레이션 흐르는 글
안녕하세요
오늘은 리튬이온 배터리의 폭발이나 화재의
요인중 하나인 셀발란서의 중요성과 배터리 수명연장을
고찰해볼건데요
리튬이온 배터리는 태생부터 약하디 약한
구조를 지니고 태어났고 양극과 음극 사이를
전해질로 채우고 그사이를 얇은 분리막으로
막고 분리막에 마이크로미터 단위의
작은 구멍을 통해 이온을 왔다갔다 하도록
만들어서 이 얇은 분리막에 손상이 오면
발열과 폭발이 일어나는 관계로
정해진 전류 정해진 전압규칙으로 충전하지
않으면 안되는데요..

(제미나이에 위의 제목을 치면 배터리폭발을
막는 필수 안전장치로 소개합니다)

그리하여 배터리전압이 일정하도록 해주는게
셀발란서입니다.
셀발란서가 제역할을 못하면 당연하게 배터리는
폭발할수밖에 없습니다.

그리하여 배터리 BMS가 왜 제역할을 해야 하는지
우선 설명하자면 벽돌 찍어내듯 만들어지는
배터리가 아니니 제각각의 용량과 특성차이가
발생하는데 이러한 배터리를 비슷한 용량과
특성을 지닌 애들끼리 묶어서 하나의
BMS내에 결합하여 하나의 모듈이나
팩을 이루게 되는데 효율 0%인 수동형 셀발란서를 적용하려면 배터리 용량편차가
적으면 적을수록 모듈이나 팩의 효율이
좋아지는데 동일한 특성을 만들어내려면
배터리 가격이 상승합니다.

만일 +-0.2% 특성차이의 배터리를 수동형
셀발란서가 해낸다면
제가 제시하는 능동형 셀발란서는
+- 1% 편차의 배터리들을 셀발란싱 할수있으니
위의 수동형이 0.2%를 벗어나는 배터리는
교체해야 되지만 능동형 셀발서는 성능
저하된 배터리가 있어도 더 사용할수 있는
장점이 있습니다.
또한 데이지체인으로 이루어진 셀발란서가
제기능을 다하지 못하고 고장이나고 이를
감지하지 못하여 어느하나의 배터리라도
과충전되면 사고가 나지요..

영상보시죠.

2.

좌측에만 5.1볼트 공급하여 양쪽의 전압이
5.1볼트로 발란싱을 이루고있는 장면이며
스코프상의 뽀족한 부분은 동기정류 컨버터의
데드타임 부분으로 그폭이 좁고 뽀족할수록
데드타임이 짧습니다.
이부분은 mosfet에 붙어있는 휠다이오드가
담당하며 이시간이 짧을수록 동기정류 컨버터의
효율이 좋습니다.
그렇다해도 수동형의 에너지를 태우는
방식에 비하면 셀발란서 자체의 추정효율
94~96% 는 어마마하다는걸 의미합니다.

3.

좌측채널의 전압을 3.2볼트로 내리니
우측채널의 전압도 3.2볼트로 추종제어가
되는걸 보여줍니다.

4.

우측채널의 전압을 1.8볼트까지 떨어트려도
동작하는 장면입니다.
리튬이온 배터리의 최저 동작전압이
NCM계열에선 2.5볼트 근방이니
동작마진은 여유가 있습니다.

5. 결론
개발초기에 동작영상을 찍어놓고
만들어놓은걸 찾지못해서 재촬영을
못하였습니다..
그후 6번째의 샘플기판 만들어놓고
부품을 기다리는데 시간이 걸릴듯하여
우선 올리게 되었습니다.

초기설계에 100개쯤의 부품인데
지금은 32개부품의 리비젼 6번이 만들어지면
실제 배터리로 5A쯤의 발란싱전류로
동작하며 셀전압이 1mV 이내의 정밀도로
동작함을 보여드리겠습니다.

(이 내용으로 유튜브에 올립니다.)


https://youtube.com/shorts/hT0RZZ6A1wI?si=DJM48JQbwp9vh4dA

이렇게 숏츠로도 올렸습니다.