18650 배터리를 USB로 충전할 수 있나요?
대답은 '그렇다'입니다. 하지만 USB가 적합한 리튬 이온 충전 회로의 입력 전원으로 사용되는 경우에만 해당됩니다. USB 케이블, 휴대폰 어댑터 또는 USB-C 포트는 18650 셀에 필요한 제어된 충전 프로필을 자동으로 제공하지 않습니다.
18650 배터리에는 화학적 성질, 전압 범위, 전류 요구 사항 및 보호 아키텍처에 맞는 충전 조건이 필요합니다. 충전 시스템에는 USB 입력, 충전 IC, 전력 변환 단계, PCM 또는 BMS, 온도 센서, 커넥터 및 배터리 팩이 포함될 수 있습니다.
소비자의 주요 질문은 특정 USB 충전 모듈이 배터리와 호환되는지 여부입니다. OEM 엔지니어에게 더 중요한 질문은 완전한 USB 전원 충전 아키텍처가 완성된 장치 내부에서 안전하고 안정적이며 반복 가능한 상태로 유지되는지 여부입니다.
리튬이온 충전의 기본 원리는 다음과 같습니다. 안전한 18650 배터리 충전 과정 . 이 기사에서는 USB 전원 18650 충전에 대한 시스템 설계 결정에 중점을 둡니다.
예, 하지만 USB는 배터리에 직접 연결하기보다는 호환 가능한 충전 회로를 제공해야 합니다.
올바른 USB 전원 18650 충전 시스템은 다음을 충족해야 합니다.
USB를 입력 전원으로 사용하십시오.
충전 전류 및 전압을 조절합니다.
일련의 셀 수와 일치합니다.
올바른 리튬 이온 화학을 지원합니다.
적절한 보호 또는 배터리 관리 기능을 포함합니다.
충전 온도 제어;
올바른 충전 종료를 제공합니다.
호환 가능한 커넥터, 케이블 및 인클로저 디자인을 사용하십시오.
베어 18650 셀을 다음 장치에 직접 연결하지 마십시오.
USB 케이블;
휴대폰 충전기;
USB-C 전원 어댑터;
컴퓨터 USB 포트;
구성되지 않은 전원 공급 장치;
사양을 알 수 없는 일반 배터리 모듈.
실질적인 차이점은 간단합니다.
요소 |
주요 기능 |
|---|---|
USB 어댑터 또는 USB 포트 |
입력 전원 공급 |
충전 IC |
배터리 충전 프로세스를 제어합니다. |
DC-DC 컨버터 |
필요할 때 전압이나 전류를 조정합니다. |
PCM 또는 BMS |
보호 및 관리 기능 제공 |
18650 셀 또는 팩 |
전기 에너지를 저장합니다 |
USB는 안전한 18650 충전 시스템의 일부가 될 수 있지만 USB만으로는 충전기가 될 수 없습니다.
일반적인 USB 전원 18650 시스템은 다음 구조를 따릅니다.
USB 전원 ↓ 입력 보호 및 전원 관리 ↓ 리튬 이온 충전 IC ↓ PCM 또는 BMS ↓ 18650 셀 또는 배터리 팩정확한 배열은 배터리가 다음과 같은지 여부에 따라 다릅니다.
표준 18650 셀 1개;
병렬로 연결된 여러 셀;
다중 셀 시리즈 팩;
탈착식 배터리;
통합 OEM 배터리 팩;
통신 기능을 갖춘 스마트 배터리.
소형 소비자 장치는 USB 커넥터, 충전 IC 및 보호 회로를 하나의 PCB에 결합할 수 있습니다. 더 큰 OEM 배터리는 별도의 충전기 보드, 배터리 관리 시스템 및 맞춤형 커넥터를 사용할 수 있습니다.
충전 회로는 전체 시스템의 일부로 평가되어야 합니다. 하나의 보호된 18650 셀과 함께 작동하는 모듈은 2S 또는 3S 배터리 팩에 적합하지 않을 수 있습니다.
USB 전원은 일반적으로 정의된 출력 전압과 최대 사용 가능한 전류를 제공합니다. 다음 사항은 자동으로 인식되지 않습니다.
배터리 충전 상태;
배터리의 화학적 성질;
필요한 충전 전압;
올바른 충전 전류;
충전이 언제 중단되어야 하는지;
셀 온도가 허용 가능한지 여부;
배터리 상태가 비정상인지 여부.
리튬 이온 충전 IC는 이러한 조건을 제어하는 역할을 합니다. 회로에 따라 다음을 관리할 수 있습니다.
심하게 방전된 셀을 사전 충전하는 단계;
정전류 충전;
정전압 충전;
충전 전류 조절;
충전 종료;
열 조절;
입력 전류 제한;
충전 상태 표시.
따라서 USB 어댑터는 업스트림 전원입니다. 충전 회로는 해당 입력을 제어된 배터리 충전 프로세스로 변환하는 장치입니다.
이러한 구별은 휴대폰 충전기를 사용할 때 특히 중요합니다. 휴대폰 충전기는 호환되는 충전 회로에 전원을 공급할 수 있지만 기본 18650 셀용 범용 충전기로 취급해서는 안 됩니다.
첫 번째 전기 관련 질문은 배터리에 '18650' 라벨이 붙어 있는지 여부가 아닙니다. 이는 셀이 구성되는 방식입니다.
단일 18650 셀 또는 하나의 직렬 그룹으로 작동하도록 설계된 병렬 그룹은 단일 셀 리튬 이온 충전 회로를 사용할 수 있습니다.
회로는 여전히 다음과 일치해야 합니다.
세포 화학;
셀의 최대 충전 전압;
필요한 충전 전류;
병렬 셀 용량;
보호 장치;
장치의 작동 부하.
단일 셀 충전 회로는 모든 18650 셀에 자동으로 적합하지 않습니다.
2S, 3S 또는 더 큰 팩에는 직렬로 연결된 셀 수에 맞게 설계된 충전 아키텍처가 필요합니다.
시스템에는 다음이 필요할 수 있습니다.
다중 셀 충전기;
BMS;
셀 전압 모니터링;
밸런싱;
적절한 입력-전압 변환 단계;
총 팩 전압과 호환되는 충전기.
단일 셀 USB 충전 모듈을 사용하여 다중 셀 시리즈 팩을 충전하면 안 됩니다.
OEM 배터리 팩의 경우 충전기, BMS, 커넥터 또는 USB 입력을 선택하기 전에 셀 구성을 확인해야 합니다. 사용 가능한 18650 리튬 배터리 솔루션은 장치의 전압, 용량 및 패키징 요구 사항에 따라 평가할 수 있습니다.
18650 형식은 원통형 셀의 물리적 모양을 설명합니다. 이는 자체적으로 화학적 성질이나 충전 전압을 정의하지 않습니다.
많은 18650 셀은 기존 리튬 이온 화학을 사용하며 일반적으로 약 3.6V 또는 3.7V의 공칭 전압으로 지정됩니다. 최대 충전 전압은 셀당 약 4.2V인 경우가 많지만 실제 값은 승인된 셀 데이터시트에서 확인해야 합니다.
다른 원통형 셀은 인산철리튬과 같은 다른 화학 물질을 사용할 수 있습니다. 이러한 셀에는 다양한 충전 조건이 필요합니다.
USB 전원 충전 회로를 승인하기 전에 다음을 확인하세요.
세포화학;
공칭 전압;
최대 충전 전압;
최소 방전 전압;
권장 충전 전류;
허용 충전 온도;
보관 및 작동 조건.
물리적 배터리 크기가 동일하다는 이유만으로 충전기를 선택해서는 안됩니다. 동일한 18650 크기를 가진 두 개의 셀에는 서로 다른 충전 매개변수가 필요할 수 있습니다.
충전 전류는 충전 시간, 온도, 배터리 노화 및 시스템 전력 수요에 영향을 미칩니다.
올바른 충전 전류는 다음에 따라 달라집니다.
셀 용량;
셀 제조업체의 사양;
원하는 충전 시간;
열적 조건;
USB 입력 기능;
충전 IC 한계;
충전 중 장치 부하;
배터리 팩 구성.
병렬 배터리 그룹의 경우 충전 전류를 전체 그룹에 대한 제조업체의 권장 전류 및 총 용량과 비교하여 평가해야 할 수도 있습니다.
USB 측 전류가 배터리 측 충전 전류와 반드시 동일할 필요는 없습니다. 전압 변환을 사용하는 경우 입력 전류는 효율 및 작동 전압에 따라 달라집니다.
기본 전력 추정치는 다음과 같습니다.
입력 전력 ≒ 배터리 충전 전력 ¼ 변환 효율또는:
핀풋 ≒ (Vbattery × Icharge) ¼ eta어디:
핀풋은 대략적인 입력 전력입니다.
Vbattery 는 배터리 충전 전압입니다.
Icharge 는 배터리 측 충전 전류입니다.
θ 는 변환 효율입니다.
충전 중에 장치가 작동하는 경우 USB 소스는 장치 부하도 공급해야 합니다.
총 입력 전력 ≒ 충전 전력 + 장치 작동 전력 + 변환 손실USB 출력 전류가 높다는 라벨이 붙은 어댑터가 있다고 해서 배터리가 해당 전류로 충전되어야 한다는 의미는 아닙니다. 충전 IC와 셀 사양에 따라 적절한 배터리 측 전류가 결정됩니다.
USB-C는 커넥터 및 인터페이스 표준입니다. USB-C Power Delivery는 호환 가능한 소스와 싱크 간에 서로 다른 전원 프로필을 협상할 수도 있습니다.
USB-C나 USB-C PD 모두 리튬 이온 충전 회로를 대체하지 않습니다.
USB-C 충전 설계에는 다음이 필요할 수 있습니다.
USB-C 포트 보호;
권력 역할 구성;
해당되는 경우 싱크 컨트롤러 또는 PD 협상
입력 과전압 보호;
입력 전류 제어;
리튬 이온 충전 IC;
적합한 DC-DC 변환 단계;
BMS 또는 PCM 통합;
열 모니터링.
USB-C PD 소스는 성공적인 협상 후에 더 높은 전압을 제공할 수 있습니다. 더 높은 전압은 호환 가능한 전력 변환 또는 충전 단계로 전달되어야 합니다. 18650 셀에 직접 적용하면 안 됩니다.
간단한 단일 셀 장치의 경우 조정된 USB 입력이 단일 셀 충전 IC에 전원을 공급할 수 있습니다. 더 큰 배터리 팩의 경우 USB-C PD를 더 복잡한 충전기의 업스트림 전원으로 사용할 수 있지만 충전기는 여전히 배터리의 직렬 구성에 맞게 설계되어야 합니다.
올바른 설계 원칙은 다음과 같습니다.
USB-C는 제품에 전원이 공급되는 방식을 정의합니다. 충전 회로는 배터리 충전 방법을 정의합니다.
충전 IC와 보호 또는 관리 시스템은 서로 다른 기능을 수행합니다.
PCM은 다음과 같은 기본적인 보호 기능을 제공할 수 있습니다.
과충전 보호;
과방 전 보호;
과전류 보호;
단락 보호.
고급 BMS는 다음을 추가로 지원할 수 있습니다.
셀 전압 모니터링;
밸런싱;
온도 감지;
전류 측정;
충전 상태 추정;
호스트 장치와의 통신;
충전 및 방전 제어.
BMS는 호환되는 리튬 이온 충전기를 자동으로 교체하지 않습니다. 비정상적인 상황이 발생하면 배터리 연결이 끊어질 수 있지만 충전 시스템은 여전히 올바른 전류 및 전압 프로필을 제공해야 합니다.
보호 시스템은 다음과 함께 지정되어야 합니다.
세포수;
직렬 및 병렬 구성;
연속 전류;
피크 전류;
충전 전류;
온도 센서 요구 사항;
커넥터 핀아웃;
통신 요구 사항.
기본 보호와 고급 관리의 차이점은 다음 항목에 설명되어 있습니다. 리튬 배터리 팩을 위한 PCM 및 BMS 선택.
보호되는 18650 셀과 보호되지 않는 18650 셀의 경우 충전 방법은 셀 및 팩 설계와 호환되어야 합니다. 보호된 셀은 부적합한 USB 연결을 안전하게 만들지 않습니다.
USB 전원 배터리는 기계적 및 인터페이스 설계 문제이기도 합니다.
제품팀은 다음을 정의해야 합니다.
USB 커넥터 유형;
입력 전력 요구 사항;
케이블 유형;
케이블 길이;
커넥터 고정;
항구 위치;
진입 보호;
역극성 또는 잘못된 연결 보호;
충전 및 방전 인터페이스 분리;
스트레인 릴리프;
서비스 접근.
케이블과 커넥터는 전압 강하, 온도 상승 및 장기적인 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다. 소형 커넥터는 프로토타입에 전기적으로 적합하지만 반복적인 생산 사용에는 기계적으로 부적합할 수 있습니다.
USB 포트도 인클로저와 비교하여 확인해야 합니다.
커넥터 주위에 충분한 공간이 있습니까?
PCB에 압력을 가하지 않고 케이블을 구부릴 수 있습니까?
포트가 습기나 먼지에 노출되어 있습니까?
사용자가 커넥터를 잘못 삽입할 수 있나요?
케이블이 배터리를 방해합니까?
포트가 발열 부품에 가깝습니까?
이러한 질문은 USB 커넥터가 맞춤형 배터리 팩이나 소형 장치 내부에 직접 설치된 경우 중요합니다.
충전은 배터리, 충전 IC, 전력 변환 부품, 커넥터 및 케이블에 열을 발생시킵니다.
다음과 같은 이유로 온도가 상승할 수 있습니다.
높은 충전 전류;
전환 손실;
동시 장치 작동;
열 방출 불량;
제한된 인클로저 공간;
근처의 발열 부품;
높은 주변 온도;
노화되거나 저항성이 높은 세포.
열 설계에서는 다음을 고려해야 합니다.
충전 전류;
PCB 구리 영역;
부품 온도 등급;
배터리 온도;
인클로저 재료;
기류 또는 열전도;
작동 중 충전;
온도 센서 위치;
충전 온도 제한.
개방형 벤치에서 잘 작동하는 충전 회로는 완성된 제품 내부에서 더 뜨거워질 수 있습니다. 따라서 OEM 검증은 최종 배터리, 충전기, 인클로저, 케이블 및 장치 로드에 대해 수행되어야 합니다.
기성 USB 충전 모듈은 초기 프로토타입 제작 중에 유용할 수 있지만 자동으로 생산 솔루션으로 취급되어서는 안 됩니다.
모듈을 사용하기 전에 다음을 확인하십시오.
지원되는 세포 화학;
지원되는 시리즈 구성;
최대 배터리 용량;
충전 전류 범위;
충전 전압 설정;
보호 기능;
열적 거동;
입력 전압 범위;
커넥터 및 케이블 요구 사항;
생산 문서;
구성 요소 가용성.
제품에 다음이 필요한 경우 맞춤형 OEM 설계가 더 적합할 수 있습니다.
특수 USB-C 인터페이스;
다중 셀 배터리 팩;
작동 중 충전;
높은 충전 전류;
컴팩트한 인클로저;
맞춤형 BMS 통신;
온도 모니터링;
고정 커넥터 및 케이블;
생산 추적성;
장기적인 구성 요소 제어.
배터리, 충전기 및 보호 시스템은 관련 없는 구성 요소가 아닌 하나의 시스템으로 승인되어야 합니다.
USB 전원 공급 18650 설계는 완성된 구성으로 테스트해야 합니다.
확인하다:
USB 입력 전압;
입력 전류 제한;
충전전압;
배터리 측 충전 전류;
충전 종료;
팩 극성;
전압 강하;
대기 전류;
충전 중 장치 부하;
USB를 다시 연결한 후 다시 시작 동작.
해당 기능을 확인하세요.
과충전 보호;
과방 전 보호;
과전류 보호;
단락 보호;
과열 보호;
저온 충전 보호;
세포 불균형 반응;
의사소통 행동.
보호 테스트는 승인된 테스트 절차와 적절한 안전 제어를 사용하여 자격을 갖춘 직원이 수행해야 합니다. 리튬 배터리를 수동으로 단락시키거나 구멍을 뚫거나 개봉하거나 강제로 회수하는 작업을 수행하지 마십시오.
측정하다:
세포 온도;
충전 IC 온도;
BMS 온도;
USB 커넥터 온도;
케이블 터미널 온도;
인클로저 표면 온도;
충전과 작동을 동시에 하는 동안의 온도.
다음과 같은 경우 완제품 내부의 배터리를 테스트하십시오.
정상 작동;
최대 부하 작동;
시작;
일시 휴업;
대기;
USB 연결과 연결 해제가 반복됩니다.
작동 중 충전;
현실적인 주변 온도 조건.
완성된 장치에 여전히 전압 강하, 열 축적, 커넥터 스트레스 또는 예기치 않은 종료가 발생하는 동안 벤치 테스트를 통과할 수 있습니다.
USB 케이블은 전원을 공급하지만 셀의 충전 프로세스를 조절하지는 않습니다.
휴대폰 어댑터는 호환되는 충전 회로에 전원을 공급할 수 있지만 18650 셀에 직접 연결하는 데는 자동으로 적합하지 않습니다.
1S 충전기는 전체 아키텍처가 해당 구성에 맞게 특별히 설계되지 않는 한 2S, 3S 또는 더 큰 시리즈 배터리 팩에 적합하지 않습니다.
USB-C PD는 입력 전원 프로필을 협상할 수 있지만 필요한 배터리 충전 제어를 자체적으로 수행하지는 않습니다.
BMS는 모니터링 및 보호 기능을 제공할 수 있지만 배터리에 필요한 전체 충전 프로필을 반드시 제공하지는 않습니다.
18650 형식은 셀 화학, 충전 전압 또는 권장 충전 전류를 식별하지 않습니다.
USB 소스는 충전 중에 제품이 작동할 때 장치 로드와 배터리 충전 요구를 모두 지원해야 합니다.
열 동작, 커넥터 응력 및 케이블 라우팅은 최종 제품에 충전 시스템이 설치된 후 크게 바뀔 수 있습니다.
아니요. USB 케이블이나 어댑터를 베어 18650 셀에 직접 연결하면 안 됩니다. 배터리에는 충전 전압, 전류 및 종료를 제어하는 호환 가능한 리튬 이온 충전 회로가 필요합니다.
5V USB 소스는 적합한 단일 셀 충전 회로에 전력을 공급할 수 있지만 셀에 직접 연결하면 안 됩니다. 충전 회로는 입력을 조절하고 올바른 배터리 측 충전 프로필을 제공해야 합니다.
USB-C PD는 호환되는 배터리 충전 아키텍처에 입력 전원을 제공할 수 있습니다. 배터리 구성에 필요한 충전 IC, DC-DC 컨버터 또는 BMS를 대체하지 않습니다.
모듈과 전체 충전 시스템이 해당 시리즈 구성을 위해 특별히 설계된 경우에만 가능합니다. 다중 셀 시리즈 팩에는 단일 셀 충전 모듈을 사용해서는 안 됩니다.
예. 셀에 보호 기능이 내장되어 있다고 해서 호환되는 충전기가 필요하지 않은 것은 아닙니다. 충전 시스템은 여전히 셀 화학, 전압 및 전류 요구 사항과 일치해야 합니다.
휴대폰 충전기를 호환되는 충전 회로의 입력 소스로 사용할 수 있습니다. 18650 셀에 직접 연결하거나 리튬 이온 배터리 충전기 대신 사용해서는 안됩니다.
사양이 검증된 후 초기 프로토타이핑에 적합할 수 있습니다. 생산을 위해서는 최종 셀, BMS, 인클로저, 커넥터, 장치 부하 및 충전 조건을 통해 모듈을 검증해야 합니다.
제공하다:
세포화학;
직렬 및 병렬 구성;
공칭 전압;
용량;
충전 시간 목표;
USB 입력 유형;
충전 전류;
정상 및 피크 장치 전류;
작동 중 충전 요구 사항;
커넥터 및 인클로저 제약;
작동 온도;
BMS 또는 통신 요구 사항.
USB를 사용하여 18650 배터리를 충전할 수 있지만 USB 포트는 충전 아키텍처의 시작일 뿐입니다.
안정적인 시스템은 배터리 화학, 셀 구성, 충전 전압, 전류, 보호 시스템, USB 인터페이스, 열 설계 및 장치 부하와 일치해야 합니다. USB-C 및 USB-C PD는 입력 유연성을 향상시킬 수 있지만 배터리 팩에 필요한 충전 IC 또는 BMS를 대체하지는 않습니다.
OEM 애플리케이션의 경우 전체 배터리, 충전 회로, 보호 시스템, 커넥터 및 인클로저를 함께 검증해야 합니다. 이 접근 방식은 승인된 샘플과 최종 생산 장치 간의 직접 연결 위험, 충전 불안정성, 과열 및 비호환성을 방지하는 데 도움이 됩니다.
OEM 장치용 USB 전원 18650 배터리 솔루션이 필요합니까? 맞춤형 리튬 배터리 팩 설계 및 충전 시스템 지원은 ZERNE에 문의하세요.
