배터리 보호회로모듈

배터리 보호회로 구성

배터리 보호회로모듈(PCM, Protection Circuit Module)은 일반적인 보호회로의 기능인 과방전, 과충전, 과전류, 셀밸런싱의 기능을 갖춘 배터리 보호회로 장치이다. 통상 보호회로, PCM 보호회로라고 부른다. 리튬 계열의 배터리는 과충전을 방치 할 경우 내부 과열과 화학반응이 일어나는 스웰링 현상으로기의 내부압력 증가로 인해 폭발이 일어나기도 합니다, 또는 과방전으로 방전 종지전압 이하로 내려가면 전극이 영구 손상되어 사용할 수 없게 된다. 이를 사전에 방지하고 위험 요소를 제거하기 위해 보호회로는 필수이다.

보호회로는 1970년에 개발되었지만 기술적 한계로 인해 실용화 되지 못하고 있다 1991년 소니에 의해 사용화 되기 시작했다. 배터리 보호회로라는 단어를 처음 들어보는 사람들이 많을 것이다. 하지만 우리 주변을 자세하게 들여다보면 아주 많이 사용 되고 있다. 보조배터리를 예로 들어 설명해보면 보조배터리의 경우엔 3~4셀의 배터리를 직렬로 연결하여 사용하게 된다. 이때 셀당 전압이 다르게 되면 배터리에 손상이 가해지게 되며 폭발,스웰링 현상이 일어나게 된다. 배터리 보호회로는 기본적인 기능만 있는 PCM 회로와, 여러 기능이 추가된 BMS 회로 두가지로 나뉘게 된다.

BMS(Battery Management System)의 경우에는 과방전, 과충전, 과전류 셀 밸런싱의 기능에 사용 이력, 모니터링, 통신, 배터리 잔량의 기능을 추가한 회로를 BMS라 할 수 있다.

구성

보호회로의 구성요소로는 Protection IC배터리 셀의 보호동작을 주관), FET(충방전 방향을 결정), PCB(회로의 패턴을 구성), Resistor, Capacitor 등이 있다. 이 중 가장 중요한 두 부품이 Protection IC와 FET다.

기능과 규격

리튬이온 계열 배터리의 보호회로(PCM)는 기본적인 4가지의 기능과 규격이 있다.

• 과충전보호기능(Over Charge Protection Voltage ---4.25~4.35V Max)

보호 전압 이상 과충전 시 화학반응이 시작되어 가스와 열이 발생, 배부름과 폭발로 이어진다. 이를 보호하기 위하여 사전 차단을 하는 기능과 전압이다.

• 과방전보호기능(Over Discharge Protection Voltage ---2.40~3.00V Min)

2V 이하로 방전되면 회복 불능으로 전지가 손상되어 이를 방지하기 위하여 사전 차단하는 기능과 전압이다.

• 과전류 차단기능(Over Current Protection /Detection current----1.5A~3A 소형셀기준)

외부의 기기의 오동작이나 실수로 인한 과전류로 전지나 보호회로가 손상되는 것을 방지하기 위해 일정 이상의 전류가 흐르면 차단되는 기능이다.

• 단락보호기능 ( Short Protection /Detection Condition---외부회로 단락)

외부의 부하가 단락되면 배터리나 보호회로가 손상되고, 단락으로 인한 화재로부터 보호하기 위한 기능이다.

부수적인 검출시간. 내부저항, 동작온도, 해제조건, 동작전류 등의 전기적 규격도 있다. 단셀과 직렬 연결된 2S,3S,4S---nS의 경우 모두 각 직렬단의 개별 전압을 검출하여 보호기능을 수행한다. 따라서 직렬연결단의 한 셀이라도 과충전과 과방전 상태가(전압이) 검출되면 전체의 입출력이 차단된다.

배터리 특성 상 또는 회사 별로 약간의 스팩의 차이가 있다. 단셀 PCM의 경우 배터리의 단자와 연결되는 쪽을 B+, B- 로 표기하고 외부로 연결되는 입출력은 P+, P로 표시하며 방전시는 출력, 충전시는 입력으로 사용한다. 전기적으로 대부분 B+와 P+는 쇼트되어 있거나 사이에 PTC Fuse ( Poly Switch 라고도 함)를 톻해 연결하고 B-와 P- 사이에 Dual N-ch FET가 과충전과 과방전을 검출하는 IC의 On/Off 신호에 의해 차단 또는 해제 된다. 또한 방전 시 FET 내부저항에 의한 전위차를 검출하여 과전류차단 및 단락보호 기능을 수행한다.

보호회로 원리도

 

2S (2직렬)이상의 다직렬 연결일 경우는 전용 검출제어 IC가 과충전과 과방전 상태를 각단 별로 검출하여 하나로 모아 차단한다. IC 종류에 따라 - 제어 방식이 아닌 P-ch FET로 B+와 P+를 제어하는 방식도 있다. 단셀과 달리 직렬단 전체를 차단 하기 위하여 하나가 아닌 수개의 FET를 병렬로 연결하여 전류 용량을 늘린다. 또한 별도의 전류검출용 정밀저항을 달아 전위차를 검출을 하여 과전류및 단락보호 기능을 수행한다. 다직렬일 경우 어느 한 단이라도 이상이 검출되면 전체가 차단되기 때문에 셀밸런싱이 매우 중요하다.

규격

 

또한 부하상태에서 보호회로 차단시 배터리 전압이 다시 상승하기 때문에 일정 히스테리시스 전압을 주어 On/Off가 계속 반복 되는 현상을 막아준다. 그렇기 떄문에 차단전압과 해지전압이 별도 규격으로 표시되어 있다. 단셀일 경우 본체와 결합 상태를 인식하는 ID 단자나 온도검출용 써미스터(NTC) 단자가 있기도 하다.

관련업체

• 아이티엠반도체 : 아이티엠반도체는 2차전지 용 반도체 전문 기업으로 크게 배터리팩 용 보호회로 반도체와, 2차전지용 배터리팩 사업을 운영하고 있다. 주요 제품군은 PoC(Protection One Chip)와 PMP(Protection Module Package)등으로 고객사는 글로벌 스마트폰 전자기기업체 삼성과 애플사가 있고 이 분야 글로벌 1위 업체이다.

아이티엠반도체는 지난 2005년 2차전지 보호회로의 핵심 부품인 보호소자(Protection IC)와 스위칭소자(MOSFET)를 하나의 부품으로 패키지화 한 POC를 세계 최초로 개발해 양산을 시작했다. 생산능력도 세계 최대 규모로 월 9200만개의 POC·PMP 생산이 가능하며 베트남 3공장이 준공돼 안정 궤도에 오르면 보호회로 생산 능력은 월 약 1억개로 약 8.7% 증가한다. ​

칩(Chip) 단위인 POC가 1세대라면, 2세대 제품인 PMP는 2차전지 보호회로 모듈을 반도체 패키지화 한 제품이다. 기존의 PCM을 완벽히 대체하는 세계 유일의 올인원 2차전지 보호회로로 중간자인 모듈 업체를 배제함으로써 배터리팩 업체에 직납이 가능하다는 장점이 있다.

아이티엠반도체는 스마트폰, 웨어러블 기기에 쓰이는 소형 배터리 위주 사업에서 벗어나 전기차(EV), 에너지저장장치(ESS) 등 중대형 배터리 팩 사업으로 영역을 확대하기로 했다.

참고자료

• 오픈랩, 〈배터리 보호회로 간단하게 알아보기. / 배터리 보호회로의 역할 / BMS, PCM 의 차이 /〉, 《네이버 블로그》, 2017-11-16
• 마린, 〈리튬 배터리 보호회로(PCM or BMS)의 종류와 기능〉, 《네이버 블로그》, 2013-12-11
• 젊은사자, 〈(주식) 전기차 테마, 2차전지(배터리) 보호회로 1위업체, 아이티엠반도체〉, 《네이버블로그》, 2020-04-09
• 고현배, 〈방향은 확실하다 아이티엠반도체〉, 《아이투자》, 2020-08-30
• 이수환 기자, 〈아이티엠반도체 "전기차 배터리 팩 사업 진출할 것"〉, 《디일렉》, 2020-10-22

같이 보기

• 셀밸런싱
• BMS

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