리튬이온 배터리 팩은 용량만으로 정의되지 않습니다. 적합한 팩은 필요한 전압을 제공하고, 충분한 사용 가능한 에너지를 제공하고, 장치의 현재 수요를 지원하고, 사용 가능한 공간에 적합하고 올바른 보호 기능을 포함해야 합니다.
OEM 프로젝트의 경우 배터리 팩 설계에는 다음에 대한 결정도 포함됩니다.
셀 선택
직렬 및 병렬 구성
공칭 전압
용량
피크 및 연속 전류
BMS 또는 PCM
충전 방법
커넥터 및 케이블
기계적 통합
작동 온도
예상 런타임
테스트 및 생산 요구 사항
배터리 팩의 용량은 정확하지만 전압이 잘못되었을 수 있습니다. 충분한 에너지를 제공할 수 있지만 피크 전류 수요 중에는 실패할 수 있습니다. 인클로저에 맞을 수 있지만 호스트 장치에 필요한 보호 또는 통신 기능이 부족합니다.
이 가이드에서는 리튬 이온 배터리 팩 설계의 주요 원칙을 설명하고 OEM 팀이 세부 개발을 시작하기 전에 전기, 기계 및 시스템 요구 사항을 연결할 수 있는 방법을 보여줍니다.
상업용 배터리 팩 솔루션에 대해서는 ZERNE의 제품을 참조하세요. 리튬 배터리 팩 . 제품 페이지는 제품 및 솔루션 문의를 위한 것이며, 이 기사는 배터리 팩 설계에 대한 엔지니어링 결정에 중점을 둡니다.
리튬 이온 배터리 팩은 다음 요소를 일치시켜 설계해야 합니다.
필요한 작동 전압
목표 용량 및 사용 가능한 에너지
연속 및 피크 전류
직렬 및 병렬 셀 구성
BMS 또는 PCM 보호 기능
충전 전압 및 충전 전류
사용 가능한 배터리함
커넥터 및 케이블 요구 사항
작동 및 보관 온도
필수 런타임
테스트 및 규정 준수 요구 사항
예상 생산량
올바른 설계는 안전하고 반복 가능한 생산을 유지하면서 호스트 장치의 전기적, 기계적 요구 사항을 충족하는 설계입니다.
배터리 팩 설계는 배터리 모델이 아닌 기기부터 시작되어야 합니다.
셀을 선택하기 전에 OEM 팀은 다음을 정의해야 합니다.
장치 작동 전압
최대 입력 전압
최소 작동 전압
지속적인 전력수요
시동 또는 최대 전력 수요
예상 운영 시간
충전 방법
사용 가능한 배터리 공간
커넥터 및 케이블 위치
작동 온도
제품 수명주기
예상 생산량
배터리는 전체 전력 시스템의 일부로 평가되어야 합니다. 충전기, 전원 관리 회로, 모터, 컨트롤러, 디스플레이, 통신 모듈 및 기타 부하가 모두 배터리 사양에 영향을 미칠 수 있습니다.
예를 들어, 장치는 작은 평균 전류만 소비하지만 모터가 시동되거나 무선 모듈이 송신할 때 높은 전류 펄스가 필요할 수 있습니다. 평균 전력만 고려하면 배터리가 적합해 보이지만 실제 작동 중에는 배터리가 작동하지 않을 수 있습니다.
크기, 용량, 전압, BMS 및 커넥터와 같은 OEM 요구 사항에 대해 ZERNE의 맞춤형 배터리 솔루션은 관련 상업적 진입점을 제공합니다.
전압은 배터리가 장치의 전기 시스템에서 작동할 수 있는지 여부를 결정합니다.
많은 표준 리튬 이온 및 리튬 폴리머 셀의 경우 일반적인 공칭 전압은 약 3.6V 또는 3.7V인 반면, 완전 충전 전압은 일반적으로 약 4.2V입니다. 정확한 값은 셀 화학 및 사양에 따라 다릅니다.
셀을 직렬로 연결하면 전압이 증가합니다.
구성 |
공칭 전압 |
일반적인 완전 충전 전압 |
|---|---|---|
1S |
3.7V |
4.2V |
2S |
7.4V |
8.4V |
3S |
11.1V |
12.6V |
4S |
14.8V |
16.8V |
이러한 값은 표준 리튬 이온 또는 LiPo 구성에 대한 일반적인 기준점입니다. 실제 배터리 설계는 선택한 셀 데이터시트와 충전 시스템 요구 사항을 따라야 합니다.
장치의 입력 전압 범위를 주의 깊게 확인해야 합니다. 7.4V라고 표시된 배터리는 작동 중에 정확히 7.4V를 유지하지 않습니다. 충전 및 방전 중에 전압이 변경됩니다.
OEM 엔지니어는 다음을 구별해야 합니다.
공칭 전압
완전 충전 전압
일반적인 작동 전압
컷오프 전압
장치 최소 입력 전압
장치 최대 입력 전압
좁은 전압 범위만 수용하는 장치에는 DC-DC 변환기, 전압 조정기 또는 특정 배터리 관리 전략이 필요할 수 있습니다.
OEM 장치에 약 7.4V의 공칭 배터리 전압이 필요한 경우 일반적인 솔루션은 2S 구성으로 알려진 두 개의 3.7V 셀을 직렬로 사용할 수 있습니다.
그러나 디자인 팀은 다음 사항을 계속 확인해야 합니다.
장치가 완전 충전 전압을 수용하는지 여부
충전기가 2S 팩을 지원하는지 여부
셀 밸런싱이 필요한지 여부
BMS가 두 개의 직렬 셀을 지원하는지 여부
장치가 최소 팩 전압에서 작동할 수 있는지 여부
직렬 구성과 병렬 구성을 보다 집중적으로 비교하려면 다음을 참조하세요. 직렬 및 병렬 배터리 팩.
용량은 배터리가 저장할 수 있는 전하량을 나타내며 일반적으로 밀리암페어-시간 또는 암페어-시간으로 표시됩니다.
그러나 용량만으로는 사용 가능한 에너지를 완전히 설명할 수 없습니다. 에너지는 전압과 용량에 따라 달라집니다.
기본 관계는 다음과 같습니다.
와트시 단위의 에너지 = 볼트 단위의 전압 × 암페어시 단위의 용량
예를 들어:
3.7V × 1Ah = 3.7Wh
7.4V × 2Ah = 14.8Wh
14.8V × 3Ah = 44.4Wh
다양한 배터리 구성을 비교할 때 전압이 다를 수 있으므로 와트시가 밀리암페어시보다 더 유용한 경우가 많습니다.
각 셀에 다음이 있다고 가정합니다.
공칭 전압: 3.7V
용량: 1000mAh 또는 1Ah
구성이 다르면 결과도 달라집니다.
구성 |
공칭 전압 |
용량 |
대략. 에너지 |
|---|---|---|---|
1S1P |
3.7V |
1000mAh |
3.7Wh |
2S1P |
7.4V |
1000mAh |
7.4Wh |
1S2P |
3.7V |
2000mAh |
7.4Wh |
2S2P |
7.4V |
2000mAh |
14.8Wh |
직렬 연결은 전압을 증가시킵니다. 병렬 연결은 용량을 증가시킵니다. 직렬 병렬 구성은 두 가지를 모두 늘릴 수 있습니다.
셀 수, 직렬 연결 및 병렬 연결에 대한 자세한 계산은 다음에서 처리해야 합니다. 리튬 이온 배터리 팩 용량을 계산하는 방법.
배터리 팩은 정상 작동과 임시 피크 수요 모두에 충분한 전류를 제공해야 합니다.
OEM 구매자는 다음을 확인해야 합니다.
평균 작동 전류
연속 전류
피크 전류
피크 기간
시동 전류
듀티 사이클
피크 부하 시 최소 배터리 전압
배터리 셀, BMS, 전선, 용접 지점 및 커넥터는 모두 필요한 전류를 지원해야 합니다. 팩에는 충분한 에너지가 저장되어 있을 수 있지만 방전 경로가 장치의 전류 수요를 지원할 수 없으면 여전히 작동하지 않습니다.
연속 전류는 정상 작동 중에 배터리가 전달해야 하는 전류입니다. 이는 셀 선택, 도체 크기, BMS 등급 및 열 설계에 영향을 미칩니다.
피크 전류는 다음과 같은 동안 발생할 수 있습니다.
모터 시동
무선 전송
난방
펌프 작동
조명 활성화
신속한 프로세서 활동
임시 고전력 출력
피크 기간이 중요합니다. 짧은 펄스를 지원하는 배터리는 동일한 전류를 지속적으로 지원하지 못할 수 있습니다.
장치 전력을 알면 다음을 사용하여 전류를 추정할 수 있습니다.
전류 = 전력 ¼ 전압
예를 들어, 7.4V 배터리에서 공급되는 20W 부하에는 대략 다음이 필요합니다.
20W ¼ 7.4V ≒ 2.7A
실제 설계에서는 변환 손실, 전압 변동, 피크 수요 및 온도도 고려해야 합니다.
직렬 병렬 구성은 배터리 팩의 전기적 구조를 정의합니다.
직렬로 연결된 셀은 전압을 증가시키는 반면 암페어 시간 용량은 한 셀의 용량과 거의 동일하게 유지됩니다.
3.7V, 1000mAh 셀로 제작된 2S1P 팩은 대략 다음을 제공합니다.
7.4V 공칭 전압
1000mAh 용량
병렬로 연결된 셀은 용량과 전류 용량을 증가시키는 동시에 전압은 한 셀의 전압과 거의 동일하게 유지됩니다.
동일한 셀로 만든 1S2P 팩은 대략 다음을 제공합니다.
3.7V 공칭 전압
2000mAh 용량
2S2P 팩은 대략 다음을 제공합니다.
7.4V 공칭 전압
2000mAh 용량
설계에서는 다음 사항도 고려해야 합니다.
셀 매칭
밸런싱
보호
용접 또는 연결 방법
팩 크기
발열
BMS 아키텍처
원리는 간단하지만 실제 장치 및 생산 공정과 비교하여 최종 설계를 확인해야 합니다. 기사 직렬 및 병렬 배터리 팩은 더 좁은 비교를 제공합니다.
셀의 물리적, 전기적 특성은 전체 팩 설계에 영향을 미칩니다.
중요한 셀 매개변수는 다음과 같습니다.
셀 형식
치수
공칭 용량
방전율
내부 저항
사이클 성능
작동 온도
충전 조건
무게
유효성
생산 일관성
파우치 셀은 얇거나 모양이 있는 디자인을 지원할 수 있습니다. 원통형 셀은 표준화된 치수와 기계적 일관성을 제공할 수 있습니다. 최상의 형식은 호스트 장치와 필요한 성능에 따라 다릅니다.
셀 선택은 용량만을 기준으로 해서는 안 됩니다. 더 높은 용량의 셀은 필요한 전류를 제공할 수 없거나 사용 가능한 공간에 맞지 않으면 적합하지 않을 수 있습니다.
원통형 셀 형식에 대한 구체적인 비교는 다음을 참조하세요. 26650 대 18650 배터리: 크기, 전압 및 용량.
다중 셀 팩의 경우 다음과 같은 관련 매개변수에 따라 셀을 일치시켜야 합니다.
용량
전압
내부 저항
생산 배치
노화 상태
셀 불일치는 밸런싱, 사용 가능한 용량, 온도 및 서비스 수명에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 문제에 대한 자세한 논의는 다음에서 확인할 수 있습니다. 리튬 이온 배터리 팩이 일관성이 없는 이유와 해결 방법.
보호 전자 장치는 대부분의 충전식 리튬 배터리 팩의 필수 부분입니다.
보다 단순한 배터리 구성에는 보호 회로 모듈이 적합할 수 있습니다. 다음과 같은 기본 기능을 제공할 수 있습니다.
과충전 보호
과방 전 보호
과전류 보호
단락 보호
팩에 여러 셀이 포함되어 있거나 추가적인 제어 및 통신 기능이 필요한 경우에는 더욱 발전된 배터리 관리 시스템이 필요할 수 있습니다.
BMS는 다음을 지원할 수 있습니다.
셀 전압 모니터링
셀 밸런싱
전류 모니터링
온도 모니터링
충전 상태 추정
결함 감지
호스트 장치와의 통신
충전 및 방전 제어
이벤트 또는 오류 기록
BMS는 일반적으로 다음과 같은 경우에 더 관련성이 높습니다.
배터리에는 여러 개의 셀이 직렬로 포함되어 있습니다.
셀 밸런싱이 필요합니다
장치에 배터리 상태 정보가 필요합니다.
배터리는 고전류에서 작동합니다.
애플리케이션에 자세한 오류 모니터링이 필요합니다.
호스트 장치는 배터리와 통신합니다.
이 프로젝트에는 스마트 배터리 기능이 필요합니다.
설계에서는 프로토타입이 생산되기 전에 BMS 요구 사항을 정의해야 합니다. 나중에 기본 보호 보드에서 스마트 BMS로 변경하면 배터리 크기, 커넥터, 펌웨어, 테스트 및 비용에 영향을 미칠 수 있습니다.
배터리 관리가 충전 상태와 배터리 동작에 미치는 영향에 대한 추가 배경 정보는 다음을 참조하세요. 리튬 이온 배터리의 마지막 1%가 생각보다 잘 견디는 이유.
런타임은 배터리의 사용 가능한 에너지와 장치의 실제 전력 수요에 따라 달라집니다.
기본 추정치는 다음과 같습니다.
예상 런타임 = 배터리 에너지 × 사용 가능한 효율성 ¼ 장치 전력
전압과 용량으로 지정된 배터리의 경우:
배터리 에너지 = 공칭 전압 × 용량(암페어 시간)
추정하다:
배터리 팩: 7.4V, 2000mAh
공칭 에너지: 7.4V × 2Ah = 14.8Wh
예상 사용 가능한 시스템 효율성: 85%
장치 전력: 5W
사용 가능한 에너지:
14.8Wh × 0.85 = 12.58Wh
예상 런타임:
12.58Wh ¼ 5W ≒ 2.5시간
이는 보장된 작동 시간이 아닌 엔지니어링 추정치입니다.
실제 런타임은 다음의 영향을 받을 수 있습니다.
가변 장치 부하
전압 변환 효율
배터리 차단 설정
온도
배터리 수명
방전율
세포 저항
BMS 보호 제한
장치 대기 소비
전체 런타임 계산 방법은 다음을 참조하세요. 리튬 배터리 팩의 런타임을 계산하는 방법.
전기적 성능은 배터리 팩 설계의 한 부분일 뿐입니다. 또한 배터리는 호스트 제품에 안전하게 맞아야 합니다.
디자인은 다음을 정의해야 합니다.
최대 길이
최대 너비
최대 두께
설치 방향
장착 방법
커넥터 액세스
케이블 출구
압축 한계
진동 노출
열원
서비스 및 교체 요구 사항
파우치 배터리는 날카로운 모서리나 집중적인 압력으로 인해 압축되어서는 안 됩니다. 원통형 팩에는 홀더, 스페이서 또는 구조적 보호 장치가 필요할 수 있습니다. 배터리함은 제조 허용 오차와 예상 작동 환경을 고려해야 합니다.
자세한 구획 설계, 간격, 열 및 부기 허용량은 다음에서 별도로 다룹니다. LiPo 배터리실 디자인: 간극 및 팽창.
이 기사에서 주요 설계 원칙은 다음과 같습니다.
배터리함은 배터리를 이미 선택한 후에 설계하는 것이 아니라 배터리 팩과 함께 설계해야 합니다.
커넥터와 케이블은 배터리 인터페이스의 일부입니다.
OEM 팀은 다음을 지정해야 합니다.
커넥터 유형
핀 수
현재 등급
정격 전압
극성
잠금 방식
케이블 길이
와이어 게이지
와이어 출구 위치
스트레인 릴리프
설치공간
필요한 신호 또는 통신 회선
전원 커넥터는 통신 커넥터와 다를 수 있습니다. 스마트 BMS에는 데이터 통신, 온도 감지 또는 식별을 위해 추가 신호 핀이 필요할 수 있습니다.
커넥터 선택 시에는 조립, 결합 주기, 진동 및 현장 유지 관리도 고려해야 합니다.
자세한 커넥터 선택은 이 설계 개요의 범위를 벗어나며 다음에서 설명합니다. 맞춤형 리튬 배터리 팩용 커넥터를 선택하는 방법.
배터리 팩은 충전기 및 충전 시스템과 호환되어야 합니다.
OEM 구매자는 다음을 정의해야 합니다.
충전 전압
충전 전류
충전시간
충전 방법
충전기 출력 허용 오차
온도 제한
충전 종료 방법
균형 요구 사항
배터리가 장치 내부에서 충전되는지 외부에서 충전되는지 여부
2S 배터리 팩은 단일 셀용으로 설계된 충전기를 사용하여 충전할 수 없습니다. 충전 시스템은 팩 구성 및 보호 전자 장치와 일치해야 합니다.
BMS나 PCM도 충전기의 작동 조건과 호환되어야 합니다. 충전 동작은 배터리 수명, 온도, 안전에 영향을 미칠 수 있으므로 실제 기기와 충전기를 사용하여 테스트해야 합니다.
프로토타입을 요청하기 전에 OEM 팀은 전기, 기계 및 인터페이스 요구 사항을 하나의 제어 사양으로 결합해야 합니다.
유용한 사양에는 다음이 포함되어야 합니다.
범주 |
필수정보 |
|---|---|
애플리케이션 |
장치 유형 및 작동 환경 |
전압 |
공칭, 최소 및 최대 전압 |
용량 |
목표 용량 및 사용 가능한 에너지 |
현재의 |
연속 및 피크 전류 |
구성 |
직렬 및 병렬 셀 배열 |
셀 |
형식, 모델 및 성능 요구 사항 |
보호 |
PCM, BMS, NTC 및 보호 기능 |
충전 중 |
전압, 전류 및 충전 방법 |
치수 |
최대 길이, 너비 및 두께 |
커넥터 |
유형, 핀, 케이블 및 와이어 출구 위치 |
온도 |
작동 및 보관 범위 |
실행 시간 |
목표 작동 시간 및 듀티 사이클 |
테스트 |
전기, 기계 및 응용 테스트 |
용량 |
프로토타입, 파일럿 및 연간 생산 수량 |
상세한 요구 사항 패키지를 통해 재설계가 줄어들고 공급업체 견적을 더 쉽게 비교할 수 있습니다.
OEM 장치에 다음이 필요하다고 가정합니다.
공칭 전압: 약 7.4V
목표 용량: 2000mAh
평균 전력: 5W
피크 전류: 정상 작동 전류보다 높음
컴팩트한 직사각형 설치 공간
충전식 작동
배터리 상태 모니터링
가능한 예비 설계 방향은 다음과 같습니다.
2S 구성을 위한 직렬 셀 2개
필요한 용량을 위한 2개의 병렬 셀 경로
셀 밸런싱 기능을 갖춘 BMS
온도 모니터링
맞춤형 커넥터
호스트 장치 인클로저를 중심으로 설계된 팩
실제 5W 부하에서 런타임 검증
각 시리즈 그룹에 대해 두 개의 1000mAh 셀을 병렬로 사용하면 대략 7.4V, 2000mAh 팩이 생성됩니다.
공칭 에너지는 다음과 같습니다.
7.4V × 2Ah = 14.8Wh
약 85%의 사용 가능한 시스템 효율성을 사용하면 예상되는 사용 가능한 에너지는 대략 다음과 같습니다.
14.8Wh × 0.85 = 12.58Wh
연속 5W 부하에서 초기 런타임 추정치는 대략 다음과 같습니다.
12.58Wh ¼ 5W = 2.5시간
승인 전에 설계 팀은 다음 사항을 확인해야 합니다.
실제 현재 수요
피크 전류 응답
충전기 호환성
BMS 설정
열적 거동
기계적 적합성
커넥터 신뢰성
실제 장치 조건에서의 런타임
이 예에서는 설계 논리를 보여줍니다. 애플리케이션별 배터리 엔지니어링 검토를 대체해서는 안 됩니다.
mAh가 충분한 배터리라도 전압 범위가 잘못된 경우 장치와 호환되지 않을 수 있습니다.
피크 수요는 평균 소비량이 허용 가능한 것처럼 보일 때에도 전압 강하, BMS 차단 또는 커넥터 과열을 유발할 수 있습니다.
충전 및 방전 중에 배터리 전압이 변경됩니다. 장치는 전체 작동 범위를 견뎌야 합니다.
BMS 치수, 배선, 통신 및 테스트는 전체 팩 설계에 영향을 미칠 수 있습니다.
전기적으로 작동하는 배터리는 인클로저에 맞지 않거나 유해한 압축이 발생할 수 있습니다.
정격 용량은 모든 부하 및 온도 조건에서 사용 가능한 에너지와 동일하지 않습니다.
동일한 용량의 두 팩이라도 셀 품질, 방전 용량, BMS 기능, 크기 및 테스트가 다를 수 있습니다.
디자인을 승인하기 전에 다음을 확인하세요.
장치 전압 범위가 정의됩니다.
공칭, 최소 및 최대 배터리 전압이 식별됩니다.
용량과 사용 가능한 에너지가 정의됩니다.
연속 및 피크 전류가 알려져 있습니다.
직렬 및 병렬 구성이 선택되었습니다.
셀 모델 및 성능 등급 식별
셀 일치 요구 사항이 정의되었습니다.
PCM 또는 BMS 기능이 지정됩니다.
충전 조건이 확인되었습니다
배터리 크기가 제어됩니다.
커넥터 및 케이블 요구 사항이 문서화되어 있습니다.
작동 온도가 정의됩니다.
런타임 목표가 명시됨
호스트 장치 통합 테스트가 계획되어 있습니다.
프로토타입 승인 기준이 정의됩니다.
생산 및 변경 제어 요구 사항을 이해합니다.
더 광범위한 OEM 구매 기준은 다음을 참조하세요. OEM 장치용 충전식 리튬 이온 배터리 팩을 선택하는 방법.
가장 중요한 요소는 배터리를 호스트 장치의 전체 전기적 및 기계적 요구 사항에 맞추는 것입니다. 전압, 용량, 전류, BMS, 크기, 충전 등을 함께 평가해야 합니다.
공칭 전압에 용량(암페어 시간)을 곱합니다. 예를 들어, 7.4V, 2Ah 배터리 팩의 공칭 에너지는 약 14.8Wh입니다.
아니요. 직렬 연결은 주로 전압을 증가시킵니다. 병렬 연결은 용량과 전류 용량을 증가시킵니다. 직렬 병렬 구성은 전압과 용량을 모두 증가시킬 수 있습니다.
필요한 보호 시스템은 팩 구성 및 용도에 따라 다릅니다. 간단한 단일 셀 팩에는 PCM을 사용할 수 있는 반면, 다중 셀 팩에는 균형 조정 및 모니터링 기능을 갖춘 BMS가 필요할 수 있습니다.
런타임은 배터리 에너지, 장치 전력, 변환 효율, 차단 설정, 온도 및 부하 변화에 따라 달라집니다. 기본 추정치는 배터리 와트시를 장치 전력으로 나눈 값으로, 사용 가능한 효율성에 맞게 조정됩니다.
맞춤형 배터리 팩은 OEM 제품의 전압, 용량, 전류, 크기, 커넥터, BMS 및 애플리케이션 요구 사항을 중심으로 설계되었습니다. 표준 팩은 일반적으로 사전 정의된 구성을 사용합니다.
일반적으로 장치의 전압 범위를 먼저 설정해야 합니다. 그런 다음 런타임, 사용 가능한 공간, 현재 수요 및 무게 제한에 따라 용량을 선택할 수 있습니다.
리튬 이온 배터리 팩 설계는 시스템 수준 프로세스입니다. 신뢰할 수 있는 설계는 다음을 연결해야 합니다.
전압
용량
에너지
현재 수요
직렬 및 병렬 구성
셀 선택
PCM 또는 BMS
충전 중
실행 시간
기계적 통합
커넥터 요구 사항
테스트 및 생산 요구 사항
3.7V 셀은 필요한 전압과 용량에 따라 다양한 배터리 팩으로 구성될 수 있습니다. 그러나 전기 구성은 설계의 한 부분일 뿐입니다. 또한 배터리는 충전기, 호스트 장치, 보호 시스템 및 기계적 인클로저와 함께 올바르게 작동해야 합니다.