직렬 및 병렬 LiPo 배터리 팩: 전압, 용량 및 보호 요구 사항

직렬 및 병렬 연결을 통해 배터리 제조업체는 장치의 전압, 용량, 런타임 및 전력 요구 사항에 맞는 팩을 구축할 수 있습니다.

기본 규칙은 간단해 보입니다. 직렬 연결은 전압을 증가시키고 병렬 연결은 용량을 증가시킵니다. 그러나 실제로 구성 선택은 충전 전압, 전류 용량, 셀 밸런싱, 배선, 보호 회로, 물리적 레이아웃 및 오류 동작에도 영향을 미칩니다.

2S1P 리포 배터리 팩과 1S2P 리포 배터리 팩은 동일한 수의 셀을 포함하고 대략 동일한 총 에너지를 저장할 수 있지만 서로 바꿔 사용할 수는 없습니다. 하나는 더 높은 전압을 공급하는 반면, 다른 하나는 단일 셀 전압을 유지하고 더 큰 암페어시 용량을 제공합니다.

이 가이드에서는 직렬, 병렬 및 직렬 병렬 LiPo 배터리 팩의 작동 방식, 주요 전기 사양 계산 방법, 팩 구조를 선택하기 전에 고려해야 할 보호 요구 사항에 대해 설명합니다.

주요 시사점

• 직렬로 연결된 셀은 팩 전압을 높이지만 암페어시 용량을 추가하지는 않습니다.

• 병렬로 연결된 셀은 한 셀의 전압을 유지하면서 용량을 증가시킵니다.

• 직렬 병렬 구성은 전압과 용량을 모두 증가시킵니다.

• 문자 S는 직렬 연결된 셀 그룹의 수를 나타냅니다.

• 문자 P는 각 그룹 내에서 병렬로 연결된 셀 수를 나타냅니다.

• 2S2P 팩에는 2개의 직렬 그룹으로 배열된 4개의 셀이 포함되어 있으며 각 병렬 그룹에는 2개의 셀이 있습니다.

• 팩의 전압이 다를 경우 와트시는 mAh보다 더 나은 에너지 비교를 제공합니다.

• 직렬 연결된 그룹에는 개별 전압 모니터링이 필요하며 균형 조정이 필요할 수 있습니다.

• 병렬 그룹의 셀은 밀접하게 일치해야 하며 영구적으로 연결되기 전에 적절한 전압으로 설정되어야 합니다.

• 보호 보드는 셀 화학, 시리즈 수, 충전 전압, 연속 전류, 피크 전류 및 필수 기능과 일치해야 합니다.

• 병렬 셀을 추가한다고 해서 모든 작동 조건에서 안전 팩 전류가 자동으로 두 배가 되는 것은 아닙니다.

• 전압, 용량, 수명, 충전 상태가 서로 다른 팩을 공학적 설계 없이 결합해서는 안 됩니다.

• 배터리 구성, 충전기, BMS, 커넥터, 배선 및 장치 전원 시스템을 함께 평가해야 합니다.

1S, 2S, 2P 및 2S2P는 무엇을 의미합니까?

배터리 팩 구성은 일반적으로 문자 S 와 P를 사용하여 설명됩니다..

• S는 시리즈를 의미합니다.

• P는 병렬을 의미합니다.

• 각 문자 앞의 숫자는 해당 연결을 사용하는 셀 또는 셀 그룹 수를 나타냅니다.

일반적인 예는 다음과 같습니다.

총 세포 수는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

총 셀 = 시리즈 수 × 병렬 수

예를 들어:

3S2P = 3×2 = 6셀

대부분의 배터리 사양에서 '2S'로만 작성된 구성은 병렬 개수가 별도로 명시되지 않는 한 2S1P를 의미하는 것으로 이해됩니다. 그러나 OEM 프로젝트의 경우 모호함을 피하기 위해 두 값을 모두 문서화해야 합니다.

직렬 및 병렬 LiPo 배터리 팩 요약

다음 비교에서는 화학적 성질, 공칭 전압, 용량 및 방전 성능이 동일한 동일한 셀을 가정합니다.

이는 보장된 완제품 등급이 아닌 구성 원칙입니다. 실제 성능은 셀 사양, 상호 연결, 보호 보드, 커넥터, 케이블 크기, 온도 및 제품 설계에 따라 제한될 수 있습니다.

시리즈 LiPo 배터리 팩 작동 방식

셀은 한 셀의 양극 단자를 다음 셀의 음극 단자에 연결하여 직렬로 연결됩니다. 나머지 두 개의 외부 터미널은 팩 출력을 형성합니다.

동일한 전류가 직렬 경로의 모든 셀이나 병렬 그룹을 통과합니다.

직렬 연결이 전압에 미치는 영향

공칭 팩 전압은 직렬 연결된 셀의 공칭 전압의 합입니다.

팩 공칭 전압 = 셀 공칭 전압 × 시리즈 수

표준 3.7V 셀의 경우:

완전 충전 전압은 다음과 같이 계산됩니다.

최대 팩 전압 = 셀 충전 한계 × 시리즈 수

4.2V 값은 해당 충전 제한을 위해 설계된 기존 리튬 이온 폴리머 셀에 적용됩니다. 고전압 화학에는 4.35V, 4.4V 또는 셀당 다른 지정된 제한이 필요할 수 있습니다.

을 중심으로 디자인된 제품 따라서 고전압 LiPo 배터리에는 호환 가능한 충전기와 보호 시스템이 필요합니다. 공칭 전압만으로 더 높은 셀당 충전 제한을 가정해서는 안 됩니다.

직렬 연결이 용량에 미치는 영향

동일한 1000mAh 셀을 직렬로 연결해도 mAh 등급이 추가되지 않습니다.

예를 들어:

• 3.7V 1000mAh 셀 1개: 3.7V, 1000mAh

• 직렬로 연결된 2개 셀: 7.4V, 1000mAh

• 직렬 셀 3개: 11.1V, 1000mAh

Ah 값은 그대로 유지되지만 전압이 증가했기 때문에 팩에 더 많은 에너지가 포함됩니다.

직렬 연결이 전류에 미치는 영향

2S1P 팩에서는 동일한 전류가 두 셀을 모두 통과합니다. 셀의 정격 연속 전류가 지정된 경우 다른 동일한 셀을 직렬로 추가해도 자동으로 해당 전류 정격이 두 배가 되지 않습니다.

완성된 팩 전류는 다음 중 적용 가능한 가장 낮은 값으로 제한됩니다.

• 셀 연속 방전 전류

• 셀 피크 전류 성능

• PCM 또는 BMS 전류 정격

• MOSFET 및 전류 감지 설계

• 니켈 스트립, 탭, 버스바 또는 PCB 용량

• 와이어 크기

• 커넥터 등급

• 퓨즈 또는 전류 제한 구성 요소

• 열적 조건

팩 전압이 높을수록 장치는 더 낮은 전류에서 동일한 전력을 얻을 수 있지만 이는 부하 및 전력 변환 아키텍처에 따라 달라집니다.

시리즈 팩에 셀 그룹 모니터링이 필요한 이유

직렬 연결된 셀은 서비스 수명 내내 완벽하게 동일하게 유지되지 않습니다. 용량, 내부 저항, 자체 방전, 온도 및 노화의 작은 차이로 인해 충전 상태가 달라질 수 있습니다.

충전하는 동안 한 시리즈 그룹이 다른 그룹보다 먼저 상한 전압 한계에 도달할 수 있습니다. 방전 중에는 가장 약한 그룹이 먼저 하한선에 도달할 수 있습니다.

따라서 보호 및 모니터링 시스템은 전체 팩 전압에만 의존하기보다는 개별 직렬 그룹 전압에 응답해야 합니다.

예를 들어, 8.0V의 총 팩 판독값은 2S 팩이 균형을 이룬다는 것을 증명하지 않습니다. 이는 다음으로 구성될 수 있습니다:

• 4.0V 및 4.0V

• 4.15V 및 3.85V

• 4.25V 및 3.75V

마지막 예는 총 전압이 동일하지만 이미 한 그룹이 허용 한계를 초과했을 수 있습니다.

병렬 LiPo 배터리 팩 작동 방식

병렬 연결에서는 양극 단자가 함께 연결되고 음극 단자가 함께 연결됩니다.

따라서 그룹의 모든 셀은 동일한 단자 전압을 공유합니다.

병렬 연결이 전압에 미치는 영향

전압은 한 셀의 전압과 동일하게 유지됩니다.

팩 전압 = 셀 전압

병렬로 연결된 두 개의 표준 3.7V 셀의 경우:

• 공칭 전압: 3.7V

• 일반 완전 충전 전압: 4.2V

• 구성: 1S2P

더 많은 병렬 셀을 추가해도 7.4V 또는 11.1V가 생성되지 않습니다. 계속해서 단일 전압 그룹을 형성합니다.

병렬 연결이 용량에 미치는 영향

밀접하게 일치하는 병렬 셀의 용량이 추가됩니다.

팩 용량 = 셀 용량 × 병렬 개수

동일한 1000mAh 셀의 경우:

이는 애플리케이션에 더 긴 작동 시간이 필요하지만 단일 셀 전압 플랫폼을 유지해야 하는 경우 병렬 구성을 유용하게 만듭니다.

병렬 연결이 현재 성능에 미치는 영향

이론적으로 균형 잡힌 전류 경로를 통해 연결된 동일한 셀은 부하를 공유할 수 있습니다. 따라서 병렬로 연결된 두 개의 적합한 셀은 하나의 셀보다 더 많은 전류를 제공할 수 있습니다.

그러나 추가 평가 없이 셀 정격을 곱하여 안전한 팩 전류를 계산해서는 안 됩니다.

현재 공유는 다음의 영향을 받을 수 있습니다.

• 셀 내부 저항

• 용량 변동

• 온도차

• 탭 및 인터커넥트 저항

• 팩 내 셀 위치

• 케이블 라우팅 대칭

• 충전 상태의 차이

• 노화

• 커넥터 저항

• 보호 보드 제한

하나의 셀은 저항이 낮거나 전류 경로가 더 짧은 경우 부하의 더 큰 부분을 전달할 수 있습니다. 그러면 총 전류가 단순한 이론적 한계 내에 있는 것처럼 보일 때에도 팩은 국지적인 가열을 일으킬 수 있습니다.

방전율의 의미와 용량과의 관계는 다음에서 자세히 설명됩니다. 리튬 폴리머 배터리의 C 등급이 의미하는 것.

병렬 셀에는 균형 조정이 필요합니까?

직접 연결된 병렬 셀은 동일한 단자 전압을 공유하므로 BMS는 일반적으로 전체 병렬 그룹을 하나의 전압 노드로 처리합니다.

이는 셀 매칭이 불필요하다는 의미는 아닙니다. 동일한 단자 전압은 동일한 용량, 저항, 온도 또는 전류 기여를 보장하지 않습니다.

하나의 병렬 그룹에 대해 선택된 셀은 일반적으로 다음과 호환되어야 합니다.

• 화학

• 충전 전압 제한

• 용량

• 내부저항

• 방전 특성

• 생산 이력

• 연령 및 주기 상태

• 물리적 디자인

• 조립 시 충전 상태

손상되거나 심각하게 성능이 저하된 셀은 나머지 셀에 추가 부하를 가하고 전체 그룹의 신뢰성을 감소시킬 수 있습니다.

병렬 연결 전에 전압을 확인해야 하는 이유

서로 다른 전압의 셀을 단순히 서로 연결해서는 안 됩니다.

일단 연결되면 고전압 셀이 저전압 셀로 빠르게 방전될 수 있습니다. 결과적인 균등화 전류는 주로 셀 및 연결 저항에 의해 제한될 수 있으며 일반 충전 전류보다 훨씬 높아질 수 있습니다.

이러한 이유로 병렬 그룹은 적격하고 밀접하게 일치하는 셀을 사용하여 통제된 제조 공정을 통해 조립되어야 합니다. 최종 사용자는 검증된 설계와 적절한 장비 없이 오래된 팩에 새 셀을 추가하거나 두 개의 느슨한 파우치 셀을 병렬로 연결해서는 안 됩니다.

직렬-병렬 LiPo 팩 작동 방식

직렬 병렬 팩은 두 가지 연결 방법을 결합합니다.

4개의 동일한 3.7V, 1000mAh 셀로 구성된 2S2P 설계를 생각해 보십시오.

1. 두 개의 셀이 병렬로 연결되어 첫 번째 3.7V, 2000mAh 그룹을 형성합니다.

2. 두 개의 추가 셀이 두 번째 3.7V, 2000mAh 그룹을 형성합니다.

3. 두 개의 병렬 그룹은 직렬로 연결됩니다.

결과적인 이론적 사양은 다음과 같습니다.

• 공칭 전압: 7.4V

• 용량: 2000mAh

• 에너지: 14.8Wh

• 구성: 2S2P

• 총 셀: 4

공식은 다음과 같습니다:

팩 전압 = 셀 공칭 전압 × S

팩 용량 = 셀 용량 × P

총 세포 수 = S × P

공칭 에너지 = 팩 전압 × 팩 용량(Ah)

이 설계에서 BMS는 두 개의 직렬 그룹 전압을 모니터링합니다. 모니터링되는 각 그룹에는 두 개의 병렬 셀이 포함되어 있습니다.

따라서 2S2P 팩은 4S 팩으로 모니터링되지 않습니다. 시리즈 수 대신 개별 셀의 총 수에 따라 보호 보드를 선택하는 것은 올바르지 않습니다.

전압, 용량, 와트시 비교

동일한 3.7V, 1000mAh 셀을 사용하여 팩을 비교할 때 직렬 구성과 병렬 구성의 차이가 더욱 분명해집니다.

2S1P 및 1S2P 예제 모두 2개의 셀을 포함하고 약 7.4Wh를 저장합니다. 전압과 용량 등급은 다르지만 이론적 공칭 에너지는 비슷합니다.

장치가 다른 입력 전압을 인식하기 때문에 여전히 서로 대체할 수 없습니다.

mAh만으로는 다른 배터리 팩을 비교할 수 없는 이유

3.7V 2000mAh 팩과 7.4V 1000mAh 팩은 모두 약 7.4Wh를 포함합니다.

3.7V × 2.0Ah = 7.4Wh

7.4V × 1.0Ah = 7.4Wh

mAh만 보면 첫 번째 팩의 용량이 두 배인 것처럼 보입니다. 에너지 측면에서는 비슷합니다.

따라서 전력량은 전압이 다른 팩을 비교할 때 더 유용합니다.

그러나 Wh가 동일하다고 해서 동일한 장치 런타임이 보장되는 것은 아닙니다. 실제 작동 시간은 다음에 따라 달라집니다.

• 전압 변환 효율

• 다양한 입력 전압에서의 장치 전류

• 배터리 내부 저항

• 컷오프 전압

• 방전율

• 온도

• 세포 노화

• 보호 보드 전압 강하

• 실제 부하 시 사용 가능한 용량

런타임은 mAh만으로 예측하기보다는 최종적으로 완성된 장치에서 검증되어야 합니다.

시리즈 수가 많을수록 더 많은 전력을 제공합니까?

전압을 높이면 더 많은 전력을 사용할 수 있지만 셀, 보호 시스템, 배선 및 장치가 필요한 전류를 공급하고 수용할 수 있는 경우에만 가능합니다.

전력은 다음과 같이 계산됩니다.

전력 = 전압 × 전류

2A를 제공하는 7.4V 팩은 약 14.8W를 제공합니다. 3.7V 팩은 변환 손실을 고려하기 전에 동일한 입력 전력을 제공하기 위해 약 4A를 제공해야 합니다.

이것이 설계자가 모터, 히터, 펌프, 로봇공학 또는 기타 전력을 요구하는 제품에 대해 더 높은 전압 팩을 선택하는 이유 중 하나입니다. 동일한 전력에 대해 전류를 낮추면 도체 손실을 줄일 수 있지만, 직렬 수가 많을수록 충전기 전압, BMS 복잡성, 구성 요소 전압 요구 사항 및 절연 고려 사항도 증가합니다.

선택은 직렬 셀이 많을수록 자동으로 더 좋다는 가정보다는 장치의 입력 전압 범위 및 부하 프로필에서 시작되어야 합니다.

1S 팩에 대한 보호 요구 사항

단일 직렬 팩에는 하나의 전압 그룹만 있으므로 직렬 셀 간의 균형이 필요하지 않습니다.

PCM은 여전히 ​​다음을 제공해야 할 수 있습니다.

• 과충전 보호

• 과방 전 보호

• 과전류 보호

• 단락 보호

• 충전 및 방전 제어

• 온도 모니터링

• NTC 출력

• 배터리 식별

• 연료 측정 또는 통신

충전기는 셀 화학 및 최대 충전 전압과 일치해야 합니다. PCM은 비정상적인 상황을 차단하지만 적절하게 제어되는 충전기를 대체할 수는 없습니다.

1S2P 또는 1S3P 설계에서 보호 회로는 병렬 그룹을 하나의 대용량 전압 노드로 간주합니다. 전류 정격은 셀 하나의 용량이 아닌 전체 팩 부하를 기준으로 해야 합니다.

다중 시리즈 팩에 대한 보호 요구 사항

2S, 3S 또는 그 이상의 시리즈 설계에는 정확한 시리즈 수에 적합한 보호 회로가 필요합니다.

다중 셀 BMS 또는 PCM은 다음을 수행해야 할 수 있습니다.

• 개별 직렬 그룹 전압 모니터링

• 팩 전류 모니터링

• 충전 과전류 보호

• 방전 과전류 보호

• 단락 보호

• 과충전 차단

• 과방 전 차단

• 셀 그룹 밸런싱

• 온도 모니터링

• MOSFET 제어

• 충전 상태 추정

• 오류 기록

• 호스트 장치와의 통신

또한 구성 요소의 전압 정격은 적절한 설계 마진을 포함하여 최대 팩 전압을 수용해야 합니다.

총 팩 전압이 충분하지 않은 이유

총 전압만 모니터링하는 것만으로는 과충전 또는 과방전된 개별 그룹을 확실하게 식별할 수 없습니다.

이러한 이유로 3S 보호 회로는 일반적으로 다음에 대한 액세스가 필요합니다.

• 네거티브 팩

• 시리즈 그룹 1 이후의 연결

• 시리즈 그룹 2 이후의 연결

• 시리즈 그룹 3 이후 포지티브 팩

따라서 기존 모니터링 하네스에는 시리즈 수보다 하나 더 많은 전압 연결이 있습니다.

전압 감지 연결 = S + 1

통합 BMS가 포함된 팩은 이러한 연결을 외부에 노출할 수 없지만 개별 시리즈 그룹 모니터링을 위해 내부적으로는 여전히 필요합니다.

셀 밸런싱이 하는 일

밸런싱은 직렬로 연결된 그룹 간의 차이를 제한하는 데 도움이 됩니다.

패시브 밸런싱 시스템은 일반적으로 더 낮은 그룹이 계속 충전할 수 있도록 더 높은 전압 그룹에서 소량의 에너지를 제거합니다. 보다 발전된 능동 균형 시스템은 그룹 간에 에너지를 재분배할 수 있습니다.

밸런싱으로 완전히 수정할 수 없는 경우:

• 손상된 세포

• 심각한 용량 손실

• 높은 자체 방전

• 전기 연결 불량

• 주요 내부 저항 차이

• 잘못 일치하는 셀

• 부적합한 팩 레이아웃

근본적인 문제를 숨기기 위해 밸런싱 회로에 의존하기보다는 큰 불균형을 반복적으로 발생시키는 팩을 검사해야 합니다.

병렬 그룹에 대한 보호 요구 사항

병렬 구성은 다양한 설계 우선순위를 생성합니다.

셀 매칭

셀은 호환 가능한 생산 및 성능 그룹에서 선택되어야 합니다. 용량, 화학적 특성, 전압 제한, 수명 또는 내부 저항이 서로 다른 셀을 혼합하면 전류 공유가 고르지 않게 될 수 있습니다.

세포 변이의 실질적인 효과는 다음에서 더 자세히 논의됩니다. 리튬 이온 배터리 팩이 일관성이 없는 이유.

전류 경로 설계

상호 연결 저항은 낮게 유지되고 합리적으로 균형을 유지해야 합니다. 레이아웃은 하나의 셀이나 탭이 현재의 불균형한 공유를 수행하도록 강요하지 않아야 합니다.

설계 요소에는 다음이 포함됩니다.

• 탭 기하학

• 니켈 스트립 또는 부스바 치수

• PCB 구리 두께

• 연결 위치

• 리드 배치

• 용접 품질

• 셀 간격

• 열 방출

• 커넥터 위치

결함 억제

영구적으로 연결된 병렬 그룹에서는 정상 셀이 고장난 셀이나 고장난 분기에 전류를 공급할 수 있습니다.

포장 크기 및 위험 평가에 따라 설계에 다음이 필요할 수 있습니다.

• 가용성 상호 연결

• 분기 전류 제한

• 열 분리

• 온도 센서

• 난연성 재료

• 기계적 장벽

• 팩 수준 융합

• 통제된 환기 공간

• 추가 오류 감지 기능

필요한 접근 방식은 팩 에너지, 셀 유형, 애플리케이션, 인클로저, 규정 준수 요구 사항 및 예측 가능한 오류 조건에 따라 다릅니다.

보호 보드 전류 정격

BMS는 다음을 포함하여 총 예상 팩 전류를 지원해야 합니다.

• 정상 작동 전류

• 최대 연속 전류

• 스타트업 급증

• 모터 실속 전류

• 히터 돌입

• 통신 송신기 피크

• 충전 전류

• 결함 감지 임계값

보드의 광고된 전류는 MOSFET 손실, 온도 상승, 냉각 조건, 도체 크기 및 차단 타이밍을 확인하지 않고 사용 가능한 장치 전류로 취급되어서는 안 됩니다.

직렬 및 병렬 팩의 충전기 요구 사항

충전기는 팩 화학, 시리즈 수, 충전 전압 제한 및 허용 충전 전류와 일치해야 합니다.

기존 4.2V 셀의 경우:

2S 팩은 1S 충전기로 충전하면 안 됩니다. 마찬가지로, 표준 4.2V 셀용 충전기는 충전 제한이 다른 고전압 화학 물질에 적합하지 않을 수 있습니다.

병렬 용량은 충전 전류 계산에 영향을 미칩니다. 두 개의 동일한 셀이 병렬로 배치된 경우 적합한 팩은 하나의 셀보다 더 많은 총 전류를 수용할 수 있지만 올바른 값은 다음에 따라 달라집니다.

• 셀 충전 속도 제한

• 팩 용량

• 온도

• 병렬 전류 공유

• 보호 보드 등급

• 커넥터 및 와이어 등급

• 충전 시간 목표

• 주기 수명 요구 사항

충전기와 BMS는 서로 다른 기능을 수행합니다. 충전기는 충전 프로필을 조절하고, 보호 시스템은 정의된 비정상적인 조건에 대응합니다. 하나를 다른 것의 대체물로 사용해서는 안 됩니다.

셀 일치 요구 사항

안정적인 다중 셀 팩은 적합한 셀 선택에서 시작됩니다.

동일한 어셈블리에 사용되는 셀은 다음과 일치해야 할 수 있습니다.

• 셀 모델

• 화학

• 공칭 용량

• 측정된 용량

• 개방 회로 전압

• 내부저항

• 두께 및 치수

• 자가 방전

• 생산 배치

• 나이

• 사이클 이력

직렬 구조와 병렬 구조 모두에서 매칭이 중요합니다.

직렬 스트링에서는 용량이 가장 낮거나 저항이 가장 높은 그룹이 먼저 전압 제한에 도달하여 사용 가능한 팩 용량을 제한할 수 있습니다.

병렬 그룹에서는 저항과 연결 차이가 전류 공유 방식에 영향을 미칩니다. 한 세포는 다른 세포보다 더 열심히 일하고 더 빨리 노화될 수 있습니다.

배터리 제조업체는 단순히 인쇄된 사양이 동일하다는 이유로 셀을 결합하기보다는 제품에 적합한 셀 스크리닝 기준을 설정해야 합니다.

완성된 LiPo 팩을 직렬로 연결할 수 있습니까?

전체 시스템이 해당 배열에 맞게 설계 및 검증되지 않은 한 두 개의 완성된 팩을 직렬로 연결해서는 안 됩니다.

잠재적인 문제는 다음과 같습니다.

• 다양한 충전 상태

• 다양한 용량이나 연령

• 호환되지 않는 보호 회로

• 잘못된 접지

• 충전기 비호환성

• 균형 모니터링 격차

• 커넥터 전압 제한

• 예기치 않은 BMS 차단 동작

• 한 팩이 다른 팩에 의해 역충전됨

• 안전하지 않은 서비스 또는 교체 절차

일부 보호 팩은 외부 직렬 연결을 부적합하게 만드는 로우사이드 스위칭 또는 통신 인터페이스를 사용합니다. 독립형 제품으로 안전한 배터리는 다른 팩과 결합해도 자동으로 안전하지 않습니다.

애플리케이션에 더 높은 전압이 필요한 경우, 특정 목적으로 설계된 다중 시리즈 어셈블리를 사용하는 것이 일반적으로 생산 후 독립적으로 보호되는 배터리를 연결하는 것보다 더 안정적입니다.

완성된 LiPo 팩을 병렬로 연결할 수 있습니까?

기성품 팩은 라벨에 동일한 공칭 전압이 표시되어 있다는 이유만으로 병렬로 연결해서는 안 됩니다.

병렬 작동 전에 설계에서는 다음 사항을 해결해야 합니다.

• 팩 전압 차이

• 충전 상태 차이

• 용량 및 연령

• 내부저항

• BMS 상호작용

• 역전류

• 충전 전류 분포

• 커넥터 순서

• 통전 중 팩 제거

• 지점 보호

• 결함 격리

한 팩의 전압이 더 높으면 커넥터가 접촉하자마자 큰 균등화 전류가 흐를 수 있습니다.

병렬 배터리 모듈은 안전하게 설계할 수 있지만 정의된 연결 방법, 호환 가능한 보호 아키텍처, 필요한 경우 사전 충전 제어 및 검증된 오류 동작이 필요합니다.

구성이 배터리 크기 및 레이아웃에 미치는 영향

셀을 추가하면 에너지가 증가하지만 기계 설계도 변경됩니다.

직렬 및 병렬 어셈블리는 다음에 영향을 미칠 수 있습니다.

• 총 두께

• 폭과 길이

• 무게

• 무게중심

• 케이블 라우팅 공간

• 굴곡 반경

• 열 방출

• 세포 확장 수당

• 낙하 방지

• 진동 저항

• 서비스 접속

• 인클로저 어셈블리

두 개의 파우치 셀을 나란히 배치하면 넓고 얇은 팩을 만들 수 있습니다. 쌓아 올리면 더 큰 두께로 더 작은 설치 공간을 만들 수 있습니다.

직렬 병렬 구조에는 다음이 필요할 수도 있습니다.

• 추가 단열

• 더 많은 용접점

• 더 큰 BMS

• 전압 감지 배선

• 온도 센서

• 더욱 강력한 지지 프레임

• 더욱 복잡한 팩 포장

• 탭 및 보호 구성 요소 주변의 간격 증가

따라서 전기 구성은 인클로저를 완성한 이후보다는 사용 가능한 배터리실과 함께 선택해야 합니다.

직렬 대 병렬: 어떤 구성을 선택해야 합니까?

장치에 필요한 전압에 따라 시리즈 수를 선택하십시오.

필요한 에너지, 런타임, 전류 용량, 공간 및 무게에 따라 병렬 수를 선택하십시오.

시리즈 중심 설계는 다음과 같은 경우에 적합할 수 있습니다.

• 장치에 더 높은 입력 전압이 필요합니다.

• 모터나 히터는 더 높은 전압에서 더 효율적으로 작동합니다.

• 시스템은 1S 팩 범위 이상의 전압 레일을 사용합니다.

• 주어진 전력 수준에서는 더 낮은 전류가 선호됩니다.

• 장치에는 이미 호환되는 다중 셀 충전기가 포함되어 있습니다.

• 이 제품은 멀티 시리즈 BMS를 수용할 수 있습니다.

병렬 중심 설계는 다음과 같은 경우에 적합할 수 있습니다.

• 제품은 3.7V 공칭 플랫폼을 유지해야 합니다.

• 더 긴 런타임이 필요합니다.

• 단일 셀로는 충분한 용량을 제공할 수 없습니다.

• 셀의 검증된 작동 조건 내에서는 더 많은 출력 전류가 필요합니다.

• 인클로저는 여러 셀을 수용할 수 있습니다.

• 충전기 및 보호 시스템은 결과적인 용량과 전류를 지원합니다.

직렬 병렬 설계는 다음과 같은 경우에 적합할 수 있습니다.

• 장치에는 더 높은 전압과 더 긴 런타임이 모두 필요합니다.

• 단일 직렬 스트링은 필요한 전류를 제공할 수 없습니다.

• 에너지 요구 사항은 실제 단일 스트링의 용량을 초과합니다.

• 공간은 여러 셀 위치에 분산되어야 합니다.

• 애플리케이션은 추가적인 BMS 및 어셈블리 복잡성을 정당화합니다.

ZERNE의 맞춤형 리튬 폴리머 배터리 솔루션은 장치 전압, 용량, 크기, 전류, 커넥터 및 보호 요구 사항을 기반으로 단일 셀, 다중 직렬, 병렬 및 직렬 병렬 구조를 지원합니다.

실용적인 배터리 구성 선택 프로세스

1. 장치 전압 범위 확인

식별하다:

• 최소 작동 전압

• 정상 작동 전압

• 최대 안전 입력 전압

• 시동 전압 요구 사항

• 차단 전압

• 전압 조정기 입력 범위

• 모터, 히터 또는 액추에이터 전압

• 충전기 입력 및 출력 전압

완전히 충전된 최대 팩 전압은 연결된 모든 구성 요소의 안전 범위 내에 유지되어야 합니다.

2. 로드 프로필 정의

기록:

• 대기 전류

• 일반적인 작동 전류

• 최대 연속 전류

• 피크 전류

• 피크 기간

• 시동 또는 실속 전류

• 일일 운영 시간

• 충전당 필요한 런타임

평균 전류만으로는 셀, BMS 및 커넥터가 짧은 고전류 이벤트를 지원할 수 있는지 여부를 알 수 없습니다.

3. 필요한 에너지 계산

첫 번째 추정치는 다음을 사용하여 계산할 수 있습니다.

필요한 에너지(Wh) = 평균 전력(W) × 작동 시간(시간)

실용적인 디자인에서는 다음 사항도 고려해야 합니다.

• 전압 변환 손실

• 배터리 노화

• 저온 용량 손실

• 고부하 전압 강하

• 예비 용량

• BMS 소비

• 장치 대기 소비

• 허용 토출 깊이

4. 시리즈 수를 선택하세요

장치 전압을 충족하는 데 필요한 시리즈 그룹 수를 선택합니다.

공칭 전압만 사용하지 마십시오. 확인하다:

• 최대 충전 전압

• 일반적인 작동 범위

• BMS 컷오프 전압

• 장치 저전압 임계값

• 충전기 전압

• 구성요소 전압 정격

5. 병렬 개수를 선택합니다.

하나의 시리즈 스트링이 제공할 수 있는 용량과 전류량을 결정합니다. 에너지, 런타임, 전류 또는 패키징에 필요한 경우에만 병렬 셀을 추가하십시오.

병렬 셀이 많을수록 무게, 부피, 비용, 용접점 및 결함 에너지가 추가됩니다.

6. 보호 시스템 설계

정의하다:

• 화학

• 시리즈 수

• 팩 용량

• 충전 전류 제한

• 연속 방전 전류

• 피크 전류 및 지속 시간

• 과충전 임계값

• 과방 전 임계 값

• 과전류 임계값

• 단락 응답

• 온도 제한

• 균형 전략

• 통신 요구 사항

7. 충전기 및 커넥터 확인

충전기는 전체 팩과 일치해야 하며, 메인 커넥터와 전선은 실제 전류를 지원해야 합니다.

샘플을 생산하기 전에 커넥터 시리즈, 극성, 핀아웃, 와이어 게이지, 케이블 길이 및 밸런스 연결을 문서화해야 합니다.

8. 샘플 구축 및 테스트

검증은 실제 장치 내부에서 완료되어야 합니다.

관련 테스트에는 다음이 포함될 수 있습니다.

• 충전 호환성

• 완전 충전 전압

• 개별 직렬 그룹 전압

• 셀 밸런싱

• 실행 시간

• 최대 부하 전압 강하

• 피크 전류 응답

• 온도 상승

• BMS 차단 동작

• 단락 보호

• 커넥터 가열

• 케이블 라우팅

• 인클로저 적합성

• 낙하 및 진동 성능

• 반복되는 사이클링

• 보관 및 자가 방전

그만큼 리튬 폴리머 배터리 품질 관리 시스템은 셀 테스트, 조립 검사, 전기 검증 및 완성된 팩 제어에 대한 추가 정보를 제공합니다.

작업된 구성 예

예 1: 소형 추적 장치

추적기가 단일 셀 전압 플랫폼에서 작동하고 하나의 1000mAh 셀이 제공할 수 있는 것보다 더 많은 런타임이 필요하다고 가정해 보겠습니다.

가능한 구성은 다음과 같습니다.

• 셀: 3.7V, 1000mAh

• 구조: 1S2P

• 팩 전압: 공칭 3.7V

• 팩 용량: 2000mAh

• 공칭 에너지: 7.4Wh

이 설계에서는 단일 셀 충전 전압을 유지하지만 결합된 전류와 용량에 적합한 보호 회로와 커넥터가 필요합니다.

예 2: 7.4V가 필요한 휴대용 장치

휴대용 제품에 약 7.4V 및 2000mAh가 필요하다고 가정해 보겠습니다.

3.7V, 2000mAh 셀 사용:

• 구조: 2S1P

• 팩 전압: 공칭 7.4V

• 팩 용량: 2000mAh

• 공칭 에너지: 14.8Wh

• 일반 완전 충전 전압: 8.4V

팩에는 2S 보호 시스템과 8.4V 리튬 이온 충전 프로필이 필요합니다.

예 3: 더 높은 전압과 용량이 필요한 로봇

로봇에 공칭 11.1V 및 4000mAh가 필요하다고 가정합니다. 2000mAh 셀 사용:

• 구조: 3S2P

• 총 셀: 6

• 팩 전압: 공칭 11.1V

• 팩 용량: 4000mAh

• 공칭 에너지: 44.4Wh

• 일반 완전 충전 전압: 12.6V

BMS는 로봇의 정상 전류, 시동 서지 및 가능한 모터 정지 전류를 지원하면서 세 가지 시리즈 그룹을 모니터링해야 합니다.

일반적인 직렬 및 병렬 배터리 설계 실수

맞춤형 배터리 팩 제공 정보

제조업체는 다음 정보를 사용할 수 있으면 직렬 및 병렬 구성을 보다 정확하게 평가할 수 있습니다.

장치 요구 사항

• 제품 유형

• 필수 입력 전압 범위

• 최대 안전 입력 전압

• 일반적인 작동 전류

• 최대 연속 전류

• 피크 전류 및 지속 시간

• 필수 런타임

• 충전 방법

• 작동 온도

• 사용 가능한 배터리 공간

• 목표 팩 무게

배터리 요구 사항

• 선호하는 화학

• 공칭 팩 전압

• 필요용량

• 에너지 요구량

• 예상되는 직렬 및 병렬 구성

• 사이클 수명 목표

• 충전시간

• 필수 방전율

• 저온 또는 고온 요구 사항

• 고전압 셀 요구 사항

보호 요구 사항

• PCM 또는 BMS

• 과충전 및 과방 전 보호

• 과전류 및 단락 보호

• 온도 센서의 수와 위치

• 셀 밸런싱

• 연료 게이지

• 충전 상태 표시

• SMBus, CAN 또는 기타 통신 프로토콜

• 인증 또는 배터리 식별

• 퓨즈 또는 분기 보호 요구 사항

기계적 및 연결 요구 사항

• 최대 두께, 너비 및 길이

• 셀 배열

• 인클로저 또는 포장

• 커넥터 제조업체 및 부품 번호

• 극성 및 핀아웃

• 와이어 게이지

• 케이블 길이

• 잔액 리드

• NTC 또는 통신선

• 장착 및 스트레인 릴리프

• 진동 및 낙하 요구 사항

그만큼 리튬 배터리 팩은 전압 및 mAh 값만으로 지정하기보다는 완전한 시스템으로 지정해야 합니다.

결론

직렬 및 병렬 연결은 LiPo 배터리 팩에서 다양한 용도로 사용됩니다.

직렬 연결은 하나의 직렬 경로의 Ah 용량을 유지하면서 팩 전압을 높입니다. 병렬 연결은 용량을 추가하고 잠재적으로 전류 용량을 증가시키면서 한 셀의 전압을 유지합니다. 직렬 병렬 구조는 두 가지 효과를 모두 결합합니다.

이러한 전기 규칙은 단지 시작점일 뿐입니다. 완성된 팩은 최대 충전 전압, 와트시, 장치 부하, 셀 매칭, 전류 공유, 밸런싱, BMS 전류, 온도, 배선, 커넥터, 충전기 호환성 및 기계적 보호도 고려해야 합니다.

다중 시리즈 팩의 경우 보호 시스템은 개별 시리즈 그룹 전압을 모니터링하고 정확한 시리즈 수와 일치해야 합니다. 병렬 설계의 경우 밀접하게 일치하는 셀과 제어된 전류 경로가 필수적입니다. 두 경우 모두 생산 전 팩 수준 및 장치 수준 테스트를 통해 이론적인 값을 확인해야 합니다.

자주 묻는 질문

LiPo 배터리를 직렬로 연결하면 용량이 늘어나나요?

총 저장 에너지와 팩 전압은 증가하지만 Ah 또는 mAh 정격은 한 직렬 경로의 용량과 동일하게 유지됩니다. 3.7V, 1000mAh 셀 2개가 직렬로 연결되어 7.4V, 1000mAh 팩을 구성합니다.

LiPo 배터리를 병렬로 연결하면 전압이 증가합니까?

아니요. 병렬 셀은 용량이 추가되는 동안 한 셀의 전압을 유지합니다. 3.7V, 1000mAh 셀 2개가 병렬로 3.7V, 2000mAh 팩을 형성합니다.

2S2P와 4S1P의 차이점은 무엇입니까?

2S2P 팩에는 각 그룹에 2개의 병렬 셀이 있는 2개의 시리즈 그룹이 있습니다. 4S1P 팩에는 직렬로 4개의 셀이 있으므로 동일한 셀을 사용할 때 공칭 전압은 두 배이지만 Ah 용량은 절반입니다.

2S2P 팩에는 2S 또는 4S BMS가 필요합니까?

보호 시스템이 두 개의 직렬 전압 그룹을 모니터링하기 때문에 일반적으로 2S BMS가 필요합니다. BMS는 또한 두 병렬 그룹의 총 용량, 충전 전류, 방전 전류 및 밸런싱 요구 사항을 지원해야 합니다.

용량이 다른 LiPo 셀을 병렬로 연결할 수 있습니까?

전체 설계가 구체적으로 평가되지 않는 한 일반적으로 OEM 팩에 결합해서는 안 됩니다. 용량, 저항, 수명 또는 상태의 차이로 인해 전류 공유가 고르지 않고 성능 저하가 가속화될 수 있습니다.

두 개의 보호된 LiPo 배터리 팩을 병렬로 연결할 수 있습니까?

배터리 시스템이 병렬 모듈 작동을 위해 설계된 경우에만 해당됩니다. 팩 전압 차이, 역전류, BMS 상호 작용, 연결 순서 및 분기 보호를 모두 해결해야 합니다.

병렬 셀을 추가하면 방전 전류가 두 배로 늘어나나요?

동일한 셀과 균형 잡힌 전류 경로를 사용하면 사용 가능한 전류가 증가할 수 있지만 안전한 완성 팩 전류는 여전히 BMS, 탭, 상호 연결, 배선, 커넥터, 온도 및 전류 공유 동작에 의해 제한됩니다.

직렬 또는 병렬 중 어떤 구성이 더 긴 런타임을 제공합니까?

S 또는 P 개수만으로는 런타임을 결정할 수 없습니다. 입력 전압, 변환 효율, 부하 동작, 차단 전압, 온도 및 방전 속도도 사용 가능한 런타임에 영향을 미치므로 총 와트시를 비교하고 전체 장치를 테스트하십시오.