리튬 계열 전지의 PCM 과 BMS
전압에 대해 설명한 글에서 볼트라는 단위는 화학작용에 의한 전류를 처음으로 만들어낸
알레산드로 볼타의 이름에서 따온 것이라고 설명했었습니다.
볼타가 개발한 전류를 만들어내는 장치는 볼타 전지라고 불리며, 배터리의 시초가 되었습니다.
이번 시간에는 우리가 매일같이 사용하고 있는 배터리에 대해서
좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.
1차 전지와 2차 전지
우리가 흔히 배터리라고 부르는 전지는 크게 재사용의 가능 여부로
1차 전지와 2차 전지로 나눌 수 있습니다.
일반적으로 건전지라고 부르는 재사용이 불가능한 일회용 전지를 1차 전지라고 하는데,
건전지라고 부르는 이유는 말그대로 건조하다는 뜻의 'Dry Cell' 이기 때문입니다.
건전지 외에도 습전지(Wet Cell)도 있으며, 아연-이산화망간 전지(알칼리 전지),
아연-산화은 전지, 리튬-산화크롬 전지, 리튬-이산화망간 전지 등이 주로 사용됩니다.
반대로 2차 전지는 재사용이 가능한 전지로,
화확 에너지를 전기 에너지로 변환하여 방출하는 방식은 1차 전지의 방전 방식과 똑같지만
역으로 방전된 상태에서 전기 에너지를 공급받으면 이 에너지를 다시 화학 에너지로
저장하는, 즉 충전과 방전을 반복할 수 있는 전지를 말합니다.
2차 전지는 휴대폰이나 노트북과 같은 휴대용 전자기기에서 많이 사용하며,
리튬-이온, 리튬-망간, 리튬-니켈, 리튬-코발트 등, 리튬 계열의 전지가
밀도와 생산성이 높아 많이 상용화 되어 사용되고 있습니다.
리튬-이온 전지와 리튬-폴리머 전지
위에서 설명한 여러가지 리튬 계열의 2차 전지 중, 가장 보편적으로 사용되고 있는 방식은
저렴하고, 에너지 밀도가 높은 리튬-이온 전지와 리튬-이온-폴리머(리튬-폴리머) 전지가 있습니다.
리튬-이온과 리튬-폴리머 전지는 같은 특성의 전지지만, 주로 전해질의 종류에 따라 구분합니다.
리튬-이온 전지의 경우 리튬-이온이 자유롭게 이동할 수 있도록
액체인 겔 상태의 전해질을 사용하였습니다.
하지만 이로 인해 겔 상태의 전해질이 배터리 밖으로 새어나오거나,
폭발의 위험성이 있는 단점이 있었는데, 이를 해결하기 위해 나온 것이
리튬-이온-폴리머 전지입니다.
리튬-폴리머 전지는 반 고체 형태인 폴리머를 전해질로 사용하기 때문에
용액이 새어나오지 않으며, 종이처럼 얇고 가벼우며,
다양한 모양과 두께로 제작할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.
하지만 과충전을 방치할 경우 내부 과열과 화학반응으로 내부에서 기체가 발생해
전지가 풍선처럼 부푸는 현상인 스웰링(Swelling) 현상이 생길수 있고,
내부의 압력 증가로 인한 폭발 위험성 역시 가지고 있습니다.
리튬 계열 전지의 보호 회로장치(Protection Circuit Module)
리튬-이온 계열의 전지는 과충전 뿐 아니라 전지의 방전이 용량 이상으로 일어나는
과방전 현상도 문제가 될 수 있습니다.
과방전 현상이 지속적으로 일어나면 황산화 현상으로 인해 전극이 영구적으로 손상되어
재사용이 불가능해지게 되기 때문에 이를 사전에 방지하고 위험요소를 제거하기 위한
보호 회로 장치(Protection Circuit Module)가 필요합니다.
리튬-이온 계열 전지의 보호 회로 장치는 4가지의 기능과 규격이 있습니다.
1. 과충전 보호기능(Over Charge Protection Voltage - 4.25 ~ 4.35 volt Max)
전지가 보호 전압 이상 과충전될 경우, 전지 내부에서 화학반응이 시작되어
가스와 열이 발생하고 스웰링 현상이 발생하는데, 이를 방지하기 위해
전압을 사전 차단하는 기능입니다.
2. 과방전 보호기능(Over Discharge Protection Voltage - 2.40 ~ 3.00 volt Min)
전지가 2 volt 이하로 방전되면 앞서 설명한 것처럼 전극이 회복 불능으로 손상되기 때문에
이를 방지하기 위해 전압을 사전 차단하는 기능입니다.
3. 과전류 차단기능(Over Current Protection / Detection Current - 1.5 ~ 3 A 소형셀 기준)
외부 기기의 오작동이나 실수로 인한 과전류로 전지나 보호회로가 손상되는 것을 방지하기 위해
일정 이상의 전류가 흐르면 차단하는 기능입니다.
4. 단락 보호기능(Short Protection / Detection Condition - 외부회로 단락)
단락 사고로 인해 큰 전류가 흐르는 경우 전지나 보호회로가 손상되고,
화재가 일어날 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해 전로를 차단하는 기능입니다.
리튬 계열 전지의 베터리 관리 시스템(Battery Management System)
PCM(Protection Circuit Module)의 기본 보호기능 외에
전지(Battery) 관리에 필요한 많은 기능을 수행하는 것을 배터리 관리 시스템 이라고 합니다.
흔히 셀 밸런싱 기능을 BMS 라고 부르지만 그 외에도 많은 기능이 있습니다.
1. 통신 기능
유무선 통신을 이용해 모니터링한 전지의 정보를 전송하거나 제어합니다.
2. 모니터 기능
전지의 모든 정보, 충전과 방전 상태, 전압, 온도, 내부 압력, 입출력 상태 등을 감시합니다.
3. 계산 기능
전지 잔량, 시간, 총 에너지량, 사용 충전과 방전 이력 등을 계산하며
충전과 방전 제어에 사용합니다.
4. 기본 보호 및 셀 밸런싱 기능
전지의 전압과 전류의 밸런싱을 담당하며, 전압을 일정하게 맞추고
한쪽 전지에 과도한 전류가 몰리지 않도록 전류를 제한하는 기능을 합니다.
참고
위키피디아 : https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery
https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_polymer_battery
Naver 지식백과 : http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1982087&cid=42331&categoryId=42334
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1524140&cid=47341&categoryId=47341