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리튬 이온 배터리가 새 범용 휴대 기기 분야에 최적의 전원으로 떠오르고 있다. 가벼우면서도 강력한 에너지를 제공할 뿐만 아니라 매우 다양한 모양과 크기로 제조할 수 있고 자체 방전율이 낮기 때문이다. 그러나 리튬 이온 배터리의 재충전이 문제가 될 수 있다. 과전류 충전은 전지 과열과 안전 문제를 야기할 수 있으며 과전압 충전은 비록 수 밀리보트라 하더라도 전지를 손상시키고 용량을 영구적으로 감소시킬 수 있으며, 거의 완전히 방전된 전지를 사전 조정 없이 충전하면 배터리가 손상되어 배터리 안전에 심각하게 문제가 될 수 있다. 이 기사는 충전 알고리즘에 초점을 맞춰 리튬 이온 배터리의 개요를 제공하며 충전 변수를 특정 배터리 및 용도에 맞게 정확히 맞춤 구성하는 작업의 중요성에 대해 설명한다.
글 : Lai Zheren, Tivadar Szabo
프리스케일반도체 / www.freescale.com
여전히 빠르게 발전하고 계속 향상되고 있는 리튬 이온 배터리 기술은 이미 새로운 컨수머 포터블 애플리케이션 분야에 채택되는 재충전식 배터리 기술로 자리 잡았다. 이러한 발전 및 기술 향상의 예로 양극과 음극층 사이에 건식 플라스틱 전해질 박판을 삽입한 리튬 이온 폴리머 배터리 개발을 들 수 있다. 리튬 이온 전해질 배터리는 일명 리튬 폴리머(Li-polymer) 또는 리튬 폴리(Li-poly) 배터리라고도 하며 배터리 모양을 웨이퍼처럼 얇은 것부터 휴대전화, 노트북 PC, PDA 및 MP3 플레이어 같은 휴대 기기 내에 확보된 불규칙한 공간을 활용할 수 있는 규격에 이르기까지 어떤 형태로도 만들 수 있다는 점에서 습식 전해질 리튬 이온보다 고유한 장점을 지니고 있다. 그럼에도 불구하고 겔(gel)/습식 셀 리튬 이온 배터리도 내부 저항이 극히 낮고 전동 공구 분야에 요구되는 초고전류를 지원할 수 있기 때문에 최신 세대 코드 없는 전동 공구에 확고부동한 입지를 굳혀 가고 있다.
리튬 이온/리튬 폴리머 배터리는 에너지 밀도 면에서 경합 중인 재충전식 배터리 기술보다 크게 발전했다. 물론 같은 크기와 무게의 배터리라면 에너지 밀도가 높으면 범용 기기의 재충전 간격이 길어진다. 아래 그래프는 여러 가지 전지 화학기술의 상대적 에너지 밀도를 대략적으로 보여 준다.
사실 리튬 이온/리튬 폴리머 배터리 화학 범주에는 주로 음극(cathode) 조성이 서로 달라 경쟁 관계를 이루며 발전해 가는 화학물질 부류들이 있다. 이러한 부류로 현재 코발트 기반 음극, 망간 기반 음극, 니켈-코발트-망간 기반 음극 및 인산염 기반 음극이 있다. 이러한 부류는 모두 동일한 리튬 이온 화학물질의 기본 전지 전압을 가지고 있지만 충전/방전율, 에너지 밀도 및 재충전 주기 수명은 서로 다르다. 또한 전해질 분리 매체의 구성에도 차이가 있다(예: 다공성 매체의 습식/겔 전해질, 고체 폴리머 전해질 매체, 겔형 전해질을 주입한 반다공성 고체 폴리머 전해질). 특정 음극 구성 유형과 전해질 층 구성의 선택은 최종 용도(예: 휴대전화 대 노트북 컴퓨터 대 전동 공구)의 요구사항에 따라 결정되는 경우가 많다. 결국 특정 전지에서 최고의 성능과 수명을 실현하려면 리튬 이온/리튬 폴리머 배터리의 각 유형 및 심지어 제조업체별로 충전 방식을 최적화해야 한다.
더욱이 충전 회로와 관련 충전 방식도 특정 리튬 이온/리튬 폴리머 배터리의 안전 작동을 유지하는 데 매우 중요하다. 예를 들어 충전기는 전지 전압이 4.2V를 초과하지 않도록 하고 전지의 충전 상태에 따라 충전 전류를 제한해야 하며, 심지어 배터리의 온도에 따라 충전 방식을 변경해야 한다. 시스템 설계 엔지니어는 충전 회로가 시스템에 사용하기 위해 선택한 특정 배터리의 요구사항을 완전히 충족하도록 해야 한다.
그렇다면 리튬 이온/리튬 폴리머 충전기는 어떤 특성을 지니고 있는가? 가장 간단히 설명하면 시간에 대해 일정한 전류와 일정한 전압의 충전이라는 그래프로 표시할 수 있다. 그러나 이처럼 단순화한 충전 특성은 배터리의 충전 상태를 고려하지 않았기 때문에 과충전, 충전 부족 또는 심지어 배터리에 스트레스를 주어 수명 감소를 초래할 수 있다. 실용적인 최소 충전 특성은 일반적인 CC/CV 충전 주기를 다루어야 하며 전지가 거의 완전히 방전되거나 이미 완전히 충전되었을 가능성을 고려해야 한다. 그림 2는 그러한 실제 충전 특성을 나타낸다. 이 그래프를 보면 세 가지 분명한 단계가 있다.
쪾 미세 충전(트리클) 단계 - 전지 전압이 거의 완전히 방전된 상태를 나타낼 때 동작한다(거의 완전히 방전된 전지를 평시 충전 전류로 충전하면 배터리가 손상되거나 안전상 위험한 과열을 야기할 수 있다. 그러므로 정상 충전 특성으로 진행하기 전에 낮은 '미세 전류'로 전지를 사전 조절한다). 이 단계에서 전지 전압의 변화는 허용되며 사전 설정된 정전류의 트리클 전류 값이 적용되는 동안 관측된다.
쪾 정전류(CC) 단계 - 전지 전압이 최대 충전 상태보다는 낮지만 거의 완전히 방전된 상태보다 높게 나타날 때 동작한다. 이 단계는 전지 화학물질이 이온 교환에서 최대 쿨롱 수를 흡수할 수 있는 시기이다. 가능하면 빨리 전하를 축적하면서 전지가 과열되지 않도록 전류 흐름을 일정하고 최대 임계값보다 조금 낮게 유지해야 한다. 이 단계에서 전지 전압의 변화는 허용되며 사전 설정된 정전류의 쾌속 충전 값이 적용되는 동안 관측된다.
쪾 정전압(CV) 단계 - 전지 전압이 사전 결정된 최대값에 도달할 때 실현된다. 셀 전압이 사전 결정된 최대값까지 상승한 것으로 감지되었을 때 충전 방법은 조정된 전압(정전압)으로 전환되고 전류의 변화는 허용되며 관측된다. 이 단계에서 전지 화학물질이 매우 적은 쿨롱을 흡수할 수 있으며 충전 회로가 사전 설정된 충전 종료(EOC: End-of-Charge) 전류를 감지하고 충전 주기를 종료할 수 있을 때까지 전류가 감소한다. 최종 용도에 따라 배터리와 병렬로 연결된 부하에 전원을 공급하기 위해 충전 회로가 정전압 출력을 계속 제공할 수 있도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우 배터리 전압이 관측되고 배터리 전압이 100mV로 떨어지면 충전 회로가 CC/CV 단계를 반복하게 된다.
충전 특성은 배터리의 온도를 감지하여 배터리가 너무 차거나 너무 뜨거울 때(전지가 손상되거나 심지어 배터리의 안전이 훼손될 수도 있음) 충전을 중지하는 기능을 포함할 수도 있다.
리튬 이온/리튬 폴리머 배터리를 서로 다른 음극 조성, 서로 다른 전해질 층 구성, 규격 및 결과적으로 서로 다른 용량, 내부 저항 및 충전 주기를 위하여 제조한 경우, 전술한 세 가지 충전 단계를 특정 제조업체의 특정 배터리에 맞게 맞춤 구성하고 조정해야 한다. 이러한 조정은 트리클 전류, CC 및 IEOC, CV 충전 단계 및 거의 완전히 방전된 전지 감지를 위한 특정 전압 임계값, 그리고 각 충전 단계에 허용되는 최대 시간을 설정함으로써 이루어진다. 이러한 모든 요인을 처리하기 위한 회로는 비록 복잡하지만 한 개의 모놀리틱 전원 관리 IC에 들어 있다. 그림 3은 그러한 용도에 맞는 IC(ASIC)의 대표적인 블록도를 나타낸다.
최종 용도의 특정 배터리 및 부하 특성에 맞춰 충전 방식을 정밀 조정하는 작업은 매우 중요하다. 단순히 전지를 안전하게 충전할 뿐만 아니라, 더 나아가 충전 회로를 적절히 조정하여 특정 배터리 및 용도에 맞추면 배터리 수명을 연장하고 사용 시간을 늘릴 수 있기 때문이다. 다행히 프리스케일 반도체의 MC3467X 계열 단일 셀 리튬 이온 배터리 충전기 디바이스 같은 리튬 이온/리튬 폴리머 충전 IC의 출현으로 이 작업이 훨씬 더 간단해졌다. 예를 들어 MC34671 및 MC34673은 출고 시 프로그래밍 가능한 충전 변수를 통해 시스템 엔지니어에게 IC를 특정 배터리 및 용도에 맞게 맞춤 구성할 수 있는 유연성을 제공한다. 또한 엔지니어가 디바이스에 의해 제공되는 특정 기능 집합과 핀 배열도 선택할 수 있다. 프리스케일은 독자적인 디지털 인터페이스를 통해 선적하기 전에 고객의 요구에 맞게 디바이스를 조정할 수 있다. 이 디바이스는 그림 4의 초소형 μDFN-8 패키지 같은 칩 크기의 패키지로 공급된다.
또는 이 계열의 다른 디바이스(예: MC34675 및 MC34676)는 고정 외부 저항을 통해 CC 모드 정전류점을 설정함으로써 특정 배터리 용도에 맞게 맞춤 구성할 수 있다. 예를 들어 후자의 두 디바이스의 경우 CC 모드 전류는 ISET 핀과 접지 사이에 저항을 연결하여 설정된다. CC 단계에서 충전할 때에는 이 핀의 전압이 1V로 정밀하게 고정된다. 이어서 CV 충전단계에서 충전 전류가 감소하는 것에 비례하여 전압이 감소한다. 전체 충전 주기 동안 이 핀의 전압을 사용하여 충전 전류를 관측할 수 있다. 배터리가 너무 춥거나 더운 외부 온도에 노출될 수 있는 용도에 대비하여, MC34674는 외부 NTC 배터리 팩 서미스터에 대한 인터페이스를 제공하므로 설계자는 극한 온도에 대응하여 충전을 제어할 수 있다.
이 기능은 전해질이 너무 차서 손상 없이 충전할 수 없거나 너무 뜨거워 안전하게 충전할 수 없는 경우 배터리 셀의 충전을 방지할 수 있는 수단을 제공한다.
요약하면, 리튬 이온 배터리는 새로운 범용 휴대 기기 분야에 최적의 전원으로 떠오르고 있으며, 이러한 새 휴대용 범용 기기의 시스템 설계 엔지니어는 특정 배터리 제조업체의 모델에 맞게 충전 변수를 맞춤 구성하여 시스템 성능을 향상시키고 사용 시간과 배터리 수명을 늘릴 수 있다. 쉽게 구성할 수 있고 제조업체가 직접 맞춤 구성할 수 있는 충전기 IC를 선택하면 신제품 출시 기간을 단축하고 제품의 배터리 시스템의 안전성과 성능을 보장할 수 있다.
참고문헌
Buchmann, Isidor. Batteries in a Portable World(휴대 기기 분야의 베터리) 2nd Ed. 2005, ISBN 0-9682118-2-8
Jones, William. "The care and feeding of Li-Ion batteries(리튬 이온 배터리 관리 및 공급)", Techrepublic 블로그, 2007년11월2일
Berger, Michael. "Using Nanotechnology to Improve Li-ion Battery Performance(나노 기술을 이용한 리튬 이온 배터리 성능 향상)" . 2008년4월7일, Nanowerk Spotlight, Nanowerk LLC
"Freescale Semiconductor Single Cell Li-Ion Battery Charger Family(프리스케일 반도체 단일 셀 리튬 이온 배터리 충전기 제품군)", PPT pres. 2008
"MC34674 Data Sheet, Rev. 1.0, 01/2008", 프리스케일 반도체
"MC34673 Data Sheet, Rev. 1.0, 01/2008", 프리스케일 반도체
"MC34675 Data Sheet, Rev. 1.0, 04/2008", 프리스케일 반도체
"MC34676 Data Sheet, Rev. 0.0, 12/2007", 프리스케일 반도체
"MC34671_3FS, Rev. 1, 2008", 프리스케일 반도체
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