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How to make 18650 charger 18650리튬배터리 충전기만들기

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리튬 배터리 충전 설계 가이드 : 네이버 블로그

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리튬이온충전기 회로도

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배터리 충전회로 - 검색결과 | 쇼핑하우 — 배터리 충전회로 – 검색결과 | 쇼핑하우

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리튬 배터리 충전 설계 가이드

By Steven Keeping

Contributed By Hearst Electronic Products

2012-09-25

리튬이온(Li-ion)배터리는 랩탑 컴퓨터와 스마트 폰과 같은 포터블 기기에서 가장 대중적인 것이 되었는데 그것은 어떤 상업용 배터리 기술보다 체적당 에너지 밀도가 가장 높기 때문이다.

또 다른 이점은 수천번의 재충전 횟수와 초기 NiCd 충전 배터리에서 나타났던 메모리 효과가 없다는 것이다.

그러나, 설계에 있어서는 힘든 도전이 되어왔다. 리튬은 강 반응성 물질로서 예를 들어 만일 물과 접촉하면 폭발을 일으킬 것이다. 엔지니어와 과학자들은 저렴하고 신뢰성이 있으며 안전한 배터리를 만드는데 있어 리튬의 이점을 활용한 신 물질을 개발하려 노력 해 왔다.

그렇지만, 현대 리튬 이온 셀을 과 충전하는 경우에는 영구적인 손상이나 심한 경우 불안정해지고 잠재적인 위험이 있을 수 있는데, 이러한 문제를 차단하려면 리튬 이온 배터리는, 리튬 셀 타입에 맞추어 세심하게 조정되는 정전류/정전압 관리 하에 충전을 할 필요가 있다.

배경

충전 리튬 이온 배터리는 포터블 기기 산업의 중심으로서, 이것이 없이는 포터블 기기는 배터리 크기와 무게 때문에 그야말로 포터블 할 수가 없을 것이다.

제조자가 신뢰성이 있는 수 억 개의 리튬 이온 배터리를 매년 양산할 수 있는 기술을 개발하는 것은 오랫동안의 숙원이었다.

1970년대 초기, 양극으로서 티타늄 황화물을 음극으로 순수 리튬 금속을 사용한 시도가 있었다.

티타늄 황화물은 층간 화합물로서, 이러한 물질은 여러 겹의 크리스탈 결정 구조로 되어있어서 다른 물질의 원자, 이온, 분자 등이 이동을 해서 레이어 사이에 잔존하는 것이 가능하다.

방전 시 리튬 이온은 음극으로부터 양극으로 이동하며, 충전은 반대 방향으로 리튬 이온을 되돌린다.

충 방전을 많이 한 이후에 리튬 전극이 수지상 결정을 형성하는데, 순수 금속 상에 형성되는 날카로운 스파이크 형태의 수지상 결정은 아주 반응 성이 강해서 화재나 폭발의 위험이 있다.

순수 리튬 금속 전극을 대체하기 위한 리튬 이온 소스로서의 리튬 계 층간 화합물의 개발로 인해 돌파구가 마련 되었다.

수많은 실험을 거쳐서 과학자들은 공기 중에서 안정한 물질인 리튬 코발트 산화물을 결정 하였다.

기초

모든 형태의 충전 배터리, 납축전지,NiMH, 니켈 카드뮴(NiCd), 리튬 이온 혹은 니켈 수소나 리튬 인산철 (LiFePO4)과 같이 좀더 특이한 형태의 배터리라도 같은 원리로 동작한다.

각 형태는 가역적 전기 화학 반응을 이용 하는데, 충전은 에너지를 축적하는 셀에 전류를 공급하는 것으로 이루어지며, 반대의 반응에 의해 에너지가 방출된다.

리튬계 기술이 매력이 있는 두 가지 주요 이유는, 리튬은 가장 양전기 적 금속(즉, 높은 양전하를 지닌다)으로서 다른 충전 방식보다 높은 전압을 얻으며 (1.2~1.5V인 니켈계 배터리에 비해 약 3.6V), 가장 가벼운 금속 (실제로, 수소나 헬륨 정도 만이 더 가볍다) 으로 다른 어떠한 금속보다 Kg당 더 많은 에너지를 축적한다 (납이 260 AHr/ Kg인데 비해 약 3,900Ahr/Kg 이다).

리튬 이온은 원자보다 반응성이 낮아서 더욱 안전한 배터리제조가 가능하기 때문에 현대의 배터리에 사용된다.

오늘날의 리튬이온 배터리는 양극과 음극에 두 개의 층간 화합물을 사용하는데, 양극에는 LiCoO2, 음극에는 흑연이 사용된다.

배터리에 전류를 인가하면 이온이 산화코발트 격자에서 흑연으로 이동하게 되며(Figure.1), 프로세스 중에 양의 물질은 산화하며 음의 물질은 환원 한다.

하나의 전극으로부터 다른 전극으로의 이동은 이온의 전위 에너지를 높이게 되며, 배터리가 어떤 기기에 전원을 공급하는 경우 이온이 반대로 이동하게 되어 원래의 반응 시 축적 했던 에너지를 방출하게 된다.

Figure 2에 이 과정을 보이고 있다.

Figure 1: 리튬 이온 배터리에서 리튬 원자가 하나의 층간 화합물에서 다른 층간 화합물로 이동해서 충전이나 방전을 한다.

Figure 2: 리튬 이온 충 방전 반응.

아주 쉬운 과정 같지만 위험성이 있어서, 만일 배터리가 과 충전 되면 대형 사고가 일어날 수 있는데, 리튬 이온 베터리 발명자인 소니는 과 충전을 하게 되면 수 많은 리튬 이온이 산화 코발트 격자에서 이탈하여 해체가 일어날 수 있다는 것을 알게 되었다.

그리고, 흑연에 너무 많은 이온이 있게 되면 적은 양의 리튬 금속이라도 배터리를 불안정하게 하고 잠재적인 위험성을 내포하게 된다.

유연한 배터리

리튬 이온 배터리의 초기 버전에서 전극이 액체 전해액으로 분리가 되었으나 이후 버전에서는 새로 개선이 되어 이온이 이동 가능한 전해액을 함유하는 세퍼레이터가 사용되었다.

이후 버전에서는 다공질의 세퍼레이터가 전해 젤에 담기었는데, 이로 인해 오늘날의 날씬한 모바일에 공통적인 디자인인 샌드위치 구조를 사용하는 배터리가 가능하게 되었다(Figure3).

여기에서 한발 더 진보한 것이 액체 전해질이나 젤 타입의 세퍼레이터 대신에 고체 폴리머를 사용하는 리튬 폴리머 셀이다.

Figure 3: 현대적 소재로 인해 얇은 리튬 이온 배터리 제조가 가능 해짐.

리튬 폴리머 배터리는 전통적인 리튬 이온 셀에 비해 몇 가지 이점이 있는데, 제조 단가가 저렴하고 어떠한 형태로도 제조가 가능하며 더 튼튼하다.

한가지 단점은 이온이 액체 전해액에 비해 고체 폴리머를 지날 때 느리다는 것인데, 이 때문에 폴리머가 아주 얇지 않은 한 충전에 시간이 더 걸린다는 것이다.

리튬 이온 충전 규칙

리튬 이온 배터리의 과 충전에 대한 취약성 때문에 아주 엄격한 충전 절차가 요구되고 있으나, 단지 그것만이 문제는 아닌데, 아주 약간의 미 충전에 의해 용량이 크게 줄어든 다는 것이다.

예를 들어, 최적 풀 충전 전압의 1.2% 정도 미 충전되면 용량은 현저하게 9% 감소한다, 따라서 설계자는 셀의 최적 풀 충전 전압의 1% 내로 셀을 충전하여 배터리의 최대 용량을 쓸 수 있도록 하는 것을 목표로 하여야 한다.

현대의 충전 회로는 전형적으로 배터리에 조정된 정전류를 흘리다가, 전류를 점차적으로 감소시켜서 조정된 완충전 전압으로 충전을 종료한다.

이러한 형태의 충전기를 Figure 4에 보이고 있는데, 이러한 충전 방식을 정전류/정전압 (CC/CV) 방식이라고 한다.

Figure 4: 리튬 이온 정전류-전압 충전기의 회로.

만일 배터리가 예를 들어 3V 이하로 깊게 방전이 되면, 셀이 완충전 전류를 받아드릴 수 있을 때까지 완충전 전류의 10% 정도인 사전 규정 충전 전류가 흘러서 셀이 과열 되는 것을 방지한다.

정전류 모드인 동안에는 배터리는 1C 혹은 그 이하로 충전이 진행되며 배터리 전압이 4.1V에 이를 때까지 정 전류 모드가 지속 된다.

4.1V까지 급속 충전을 하면 최초 단계 끝에서 저속 충전에 비해 배터리 충전 량이 낮은 것에 유의하기 바람.

예를 들어 0.7C로 충전하는 경우 초기 가속에도 불구하고 4.1V에 도달했을 때 50~70% 용량이 되는 것에 비해 0.18C 이하로 충전하면 훨씬 시간이 더 걸리지만 전압이 4.1V에 도달하자마자 풀 충전이 된다.

배터리 전압이 4.1V에 이르면 충전은 정전압 모드로 전환되어 과 충전이 되는 것을 방지하게 된다.

우수한 충전기는 정전류 모드에서 정전압 모드로 부드럽게 전환되어 배터리에 위해를 가하지 않고 최대 충전 용량에 도달할 수 있도록 한다.

정전압 모드에서는 전류는 약 0.1C로 되어 충전이 종료될 때까지 감소 된다.

만일, 충전기가 배터리에 연결된 채로 있다면 주기적으로 만충전이 되도록 해서(top up충전- 리필)

배터리의 자기 방전에 대응하는데, 배터리의 개방 전압이 3.9~4V 이하로 되면 top up충전이 시작되고 만 충전 전압 4.1~4.2V가 되면 종료된다.

전형적인 리튬 이온 충전 과정을 Figure 5에 보이고 있다.

Figure 5:리튬이온 충전 개요- 배터리 전압이 4.1V가 되기 전에는 정전류 법을 사용하며 4.1V이후 정전압을 사용하여 top-up충전함.

배터리 충전 솔루션

많은 반도체 칩 제조사가 리튬이온 배터리 충전을 제어하는 칩을 생산하고 있는데, 이러한 소자를 사용하여 스탠드얼론 배터리 충전기나 제품의 일부로서의 충전 회로의 설계를 단순화 할 수 있다.

예를 들어 National Semiconductor 는 핸드헬드 기기용 단일 칩 충전 ICLM3658 을 내놓고 있는데, 이 칩은 AC 어댑터나 USB 전원으로부터 단일 셀 리튬 이온이나 리튬 폴리머 배터리를 안전하게 충전 및 유지 관리한다.

LM3658은 다섯 가지 모드로 동작하는데, 사전 심사 모드, 정전류 모드, 정전압 모드, top-off 모드, 유지보수 모드이다. 제조사에 의하면 최의 배터리 관리는 발열 규제, 온도 측정과 복수의 안전 타이머를 통해 얻어진다고 한다.

Intersil 에서는 ISL9220을 공급하고 있는데, 제조사에 의하면 단일 혹은 2셀 리튬 이온과 리튬 폴리머 포터블 배터리 충전기용으로서 가격적 합리성과 편리성이 있다고 한다.

이 소자는 동기식 PWM 기술을 채용하고 있는데, 파워 효율을 극대화하고 충전 시간과 열을 최소화 한다고 한다.

외부 저항에 의해 급속 충전과 충전 종지 전류를 설정한다.

추가 기능으로서 과충전, 자동 재충전의 사전 설정과 열적으로 개선된 QFN 패키지 등이 있다.

Figure 6에 2셀 리튬 이온 배터리 충전회로를 보인다.

Figure 6: Intersil의 9220 리튬 이온 배터리 충전 IC의 응용 회로.

MAXIM사의 MAX1551은 외부 FET나 다이오드 없이 단일 셀 리튬 이온 배터리를 충전하며, 입력 전압은 7V까지 허용한다.

제조사에 따르면 온칩 써말 리미트 회로로 인해 보드 레이아웃을 단순화 할 수 있고, 최악의 배터리나 입력 전압 시 요구되는 써말 리미트 없이 최적의 충전율을 허용한다고 한다.

DC 전원이 연결될 때 충전 전류는 280mA typ로 설정 된다고 하며 배터리 방전을 방지하기 위한 입력 차단 다이오드가 필요치 않다고 한다.

Fairchild Semiconductor, Linear Technology,STMicroelectronics, Texas Instruments 등의 몇 개의 업체들이 집적화 된 리튬 이온 배터리 충전용 IC를 제조하고 있다.

앞으로 나아갈 길

현대의 핸드헬드 기기와 모바일 기기에 사용되는 얇고, 가볍고, 신뢰성 있는 전원으로서 리튬 이온 배터리의 개발은 수 십년 동안 엔지니어와 과학자들의 숙원이었다.

그럼에도 기술이 완전히 성숙되기까지는 아직 갈 길이 멀고 현재는 리튬의 고 전위에 의한 에너지 밀도를 최대화 할 수 있는 층간 화합물의 개발에 초점을 맞추고 있다.

리튬 이온 파워 팩으로부터 최대 효율을 이끌어내고, 셀에 데미지를 주어 위험하게 될 수 있는 과충전을 피해서 CC/CV 에 의해 충전이 안전하게 이루어져야 한다.

References:

1. “Hooked on Lithium,” The Economist, June 2002.

2. “Comments on the History of Lithium-Ion Batteries,” Ralph J. Brodd, Broddarp of Nevada, Inc.

3. Harding Battery Handbook, Harding Energy Inc., January 2004.

4. “Accurate, Compact, and Power-Efficient Li-Ion Battery Charger Circuit,” IEEE Transactions on Circuits and Systems – II: Express Briefs, Vol. 53, No. 11. Min Chen and Gabriel A. Rinco?n-Mora, November 2006.“Challenges in Li-ion charging,” David Hamo, Semtech, Electronic Products, August 2003.

리튬배터리 1S(4.2V) 3A충전회로 간단설명

리튬배터리 1S(4.2V) 3A충전회로 간단설명 합니다.

리튬배터리를 이용하다보면 충전전류가 높았으면하는 얘기들을 많이하십니다.

리튬배터리중에 폴리머와 이온(18650)의 만충전압대는 4.2V가 대부분이였으나 시대의 변화에따라 4.35V도있고 더 높은것도 있다고 알려져있습니다.

그러나 아직 4.2V 배터리가 더 흔하기에 4.2V 충전회로중에서 3A 충전전류값을 보유하고있는 충전회로를 설명드릴께요.

판매자 홈페이지(중국사이트 알리나 타오바오에 있는 스펙입니다.)

4.2V 3A 충전회로 C타입 사양

모델: AILAVI-0503V1

주요 칩: IP2312

입력 전압: 4.5 ~ 5.5 v

충전 차단 전압: 4.2 v/4.35 v (출력 전압은 2 버전에서 사용할 수 있습니다) =>이건 중국쪽 제품주문시 신청

충전전류 세팅: 3a (저항을 조정해서 충전전류값을 바꿀 수 있습니다)

*표시등 색상

빨간색: 작업(충전중) 표시.

파란: 만충시 표시

변환 효율: 3a 93%, 2a 94%, 1a 95% (데이터 참조 전용)

The IP2312 사용합니다 전체 CC/CV 충전.

리튬배터리(18650) 전압이 3V이하일시 트리클충전모드 들어갑니다 트리클 충전 모드 충전하는 배터리 충전 전류 100mA 이며

리튬배터리 전압이 3V초과시 충전모드가 충전전류세팅한 정전류 세팅값으로 충전

리튬배터리 전압이 4.2v 가깝고 충전 전류가 300ma 미만인 경우 정전압 충전 모드로 동작합니다. 정전압 모드에 들어가는 후에 충전은 각 4분후에 멈추고, 건전지 전압은 4.15 v 보다는 더 높게 검출됩니다.

4.15 v 보다는 더 높은 경우에, 충전이 멈추어집니다. 그렇지 않으면 충전이 계속되고 4 분 후에 검출이 수행됩니다.

리튬배터리 충전만충표시는 완전히 충전된것을 검출하다 리튬배터리 전압은 4.1V에 켜집니다

충전 전류 조정 지침:

기본 3a, 저항 2a 제거, 135 k 저항 1a로 교체

요렇게 생긴게 IP2312칩을 사용한 리튬배터리 1S 4.2V 3A 충전회로입니다.(별도 주문시 4.35V 충전회로만들어줍니다만 네이버 자작카페인 비타캠핑에는 4.2V만 구매가능하네요)

DC제품과 자작을 하실때 기본알아야하는 기호중에 IN 은 입력전압쪽을 표시해주는거고 BAT는 배터리쪽을 얘기하는겁니다.

+극성은 적색, -극성은 검정색입니다.

좌측에 입력단자가 2가지타입니다. 전선으로 연결할수있는 IN단자가 있기에 별도로 납땜해서 사용하시면 됩니다.

요즘에 많이 사용하는 스마트폰 아답터(충전기가 아닙니다. 스마트폰은 폰내부에 충전회로가있습니다) 타입에 C타입을 이용할수있습니다.

입력단자는 IN단자와 C타입케이블연결단자가 있네요.

리튬배터리 1S 3A 충전회로에는 엘이디가 2개가 있는데 적색은 충전시표시되고

파란색은 만충근처 전압시부터 점등됩니다.(전압측정시 4.2V가 아니여도 점등됩니다.)

위 회로에는 충전전류값을 수정할수있는데 특정저항값을 바꿔주면 충전전류가 변합니다.

기본 적인값은 사진에 있듯이 135K옴 저항으로 변경시 충전전류는 1A가 됩니다.

특정회로에서보면 발열이 난다고하죠.

발열은 그회로의 최대스펙근처사용시 많이 나고 스펙보다 많이낮게 사용시 발열은 줄어듭니다.

충전회로들은 저전압일때 발열이 높고 리튬배터리 전압이 올라갈수로 자동으로 충전전류가 낮아지기에 충전회로 발열도 줄어듭니다.

발열을 줄이는방법은 충전회로의 저항값을 변경하여 충전전류를 줄이던가

별도의 방열판을 추가하거나 팬설치, 공기의 흐름을 원활하게 해주는 방법이 있습니다.

저 회로의 저항값을 135,000 / 50K옴(50,000) = 약 2.7A로 충전전류가 변경됩니다.

135,000 / 100K(100,000) = 약 1.35A로 충전전류가 됩니다.

그다음 상식으로 배터리에도 권장 충전전류값이있습니다.

그 권장충전전류값 이상으로 충전시 배터리에는 데미지가 쌓이게됩니다.

데미지란 배터리의 수명과 안전과도 밀접한 관계가 있기에 될수있으면 사용하시는 배터리의 충전전류값이하로 충전권장드립니다.

두개의 18650 배터리의 스펙입니다.

권장 충전전류는 0.5C라고 적혀있는데 C라고 적혀있으니 이해안되시는분들이 있을건데요.

충전전류 C란것을 간단히 얘기하면 몇 %다 라고 생각하시면됩니다.

1C가 100% 0.5C란 50%라고생각하시면 됩니다.

엘지 S3 2200mAh 배터리의 권장 0.5C(이하로)의 충전전류값은 약1.1A이하로 이해하시면됩니다.

엘지 C4 2850mAh 배터리의 권장 0.5C(이하로)의 충전전류값은 약1.4A이하로 이해하시면됩니다.

자 그러면 위에 충전회로가 3A라고하면 배터리의 용량은 최소 9000mAh이상되어야겠지요.

무조건 용량이 높다고 좋은게 아닙니다.

추가로 충전회로가 3A인데 입력전류가 2A라면 충전회로에는 발열이 줄겠지만 그입력하는 아답터는 발열이 증가하니 꼭 충전회로 전류값과 입력전류(먹는게 싸는거보다 높아야겠지요)의 전류값 비율을 맞춰야합니다.

입력과 출력의 W로 계산하는것은 5V 3A = 15W , 4.2V 3A = 12.6W

입니다.

KR200330442Y1 – 2차 전지의 충전 회로 – Google Patents

H — ELECTRICITY

H02 — GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER

H02J — CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY

H02J7/00 — Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries

H02J7/007 — Regulation of charging or discharging current or voltage

H02J7/00712 — Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters

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