핵심 내용:
- 리튬 이온 배터리 팩은 셀, 배터리 관리 시스템(BMS), 수동 부품, 인클로저 및 열 관리 시스템을 포함하는 복잡한 어셈블리입니다. 가전제품부터 전기 자동차에 이르기까지 광범위한 애플리케이션에 전력을 공급하며 안전성, 효율성 및 신뢰성을 보장하기 위해 세심한 엔지니어링이 필요합니다.
에이 리튬 이온 배터리 팩은 리튬 이온 셀, 배터리 관리 시스템 및 인클로저 내에 모두 포함된 다양한 지원 구성 요소의 어셈블리입니다. 수많은 가전 제품, 전기 자동차, 그리드 저장 시스템 및 기타 산업 응용 분야에 충전식 에너지 저장 장치와 전력을 제공합니다.
리튬 이온 셀은 기본 전기 용량을 제공하지만 다른 통합 구성 요소도 안전하고 효율적이며 안정적인 기능을 구현하는 데 똑같이 중요합니다. 이 가이드에서는 각 핵심 리튬 이온 배터리 팩 구성 요소의 기술적 측면을 자세히 살펴보겠습니다.
주요 구성 요소 개요
리튬 이온 배터리 팩에는 다음과 같은 주요 구성 요소가 포함됩니다.
- 리튬 이온 전지 – 전기 저장 용량을 제공하는 기본 전기화학 단위입니다. 여러 셀을 결합하여 원하는 전압과 용량을 달성합니다.
- 배터리 관리 시스템(BMS) – "두뇌"는 셀 상태를 모니터링하고 안전과 성능을 제어합니다.
- 수동 부품 – 구조, 상호 연결, 절연 및 냉각 기능을 제공합니다.
- 울로 둘러싼 땅 – 모든 내부 구성 요소를 수용하고 보호합니다.
- 열 관리 시스템 – 작동을 위한 최적의 셀 온도를 유지합니다.
- 추가 전자 장치 – 기능과 통합을 강화하는 기능이 추가되었습니다.
다음으로, 이러한 각 구성 요소를 보다 기술적으로 자세히 살펴보겠습니다.
리튬 이온 전지: 전기화학적 동력원
리튬 이온 전지는 리튬 이온 삽입 화학을 활용하여 전기 화학적으로 전기 에너지를 가역적으로 저장합니다. 셀 내에서 양으로 충전된 리튬 이온은 셀이 충전 및 방전됨에 따라 흑연 양극과 리튬화된 금속 산화물 음극 사이를 왕복합니다. 유기 전해질은 이온 전달을 허용하는 반면 다공성 분리막은 전극 간의 전기적 접촉을 방지합니다.
셀은 다양한 표준 크기와 폼 팩터로 제공됩니다.
- 원통형(예: 18650, 21700, 4680): 원통형 금속 캔에 나선형으로 감긴 전극/분리막 층. 파우치 셀에 비해 전력 밀도는 높지만 에너지 밀도는 낮습니다. 일반적인 형식:
- 18650 – 직경 18mm, 높이 65mm, 일반 용량 1.5~3Ah
- 21700 – 직경 21mm, 높이 70mm, 최대 5Ah 용량
- 4680 – 직경 46mm, 높이 80mm, 용량 10-50Ah
- 프리즘 – 양극, 양극 및 분리막 층이 교대로 쌓여 프리즘형 알루미늄 하우징에 접혀 있습니다. 체적 에너지 밀도는 최대화하지만 전력 밀도는 낮습니다. 일반적인 형식:
- 낮은 C-rate에서 10Ah 및 30Ah 용량
- 크기 약 100 x 200 x 10mm
- 작은 주머니 – 금속화 플라스틱 라미네이트 파우치에 밀봉된 전극 및 분리기. 폴리머 셀이라고도 합니다. 유연하고 가볍습니다. 비용 효율적이지만 내구성이 떨어지는 케이스입니다. 일반적인 용량 등급은 1Ah에서 300Ah 이상입니다.
또한 리튬 이온 셀은 다양한 음극 화학 물질을 활용하여 전압, 용량 및 안전성에 영향을 미칩니다.
- 리튬 코발트 산화물(LCO) – 공칭 전압 3.6V, 에너지 밀도는 높지만 온도 상승 시 안전 문제
- LMO(리튬 망간 산화물) – 3.7V, 더 안전하고 수명이 길지만 용량은 더 낮습니다.
- 인산철리튬 (LFP) – 3.2V, 매우 안전하고 내구성이 높지만 에너지 밀도가 낮음
- 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC) – 3.6/3.7V, 고용량 및 에너지 밀도가 높지만 제조가 더 복잡함
- NCA(리튬 니켈 코발트 알루미늄) – 3.6V, 고용량 및 전력 밀도가 높지만 배터리 수명이 짧음
셀을 선택할 때 엔지니어는 애플리케이션 요구 사항을 충족하기 위해 공칭 전압, 용량, C-속도, 사이클 수명, 폼 팩터, 안전성, 비용 및 가용성과 같은 매개변수를 평가합니다. 고용량 NMC 및 NCA 화학은 고성능 응용 분야에서 일반화되었습니다.
배터리 관리 시스템(BMS)
그만큼 배터리 관리 시스템 배터리 팩의 전반적인 작동을 제어하는 "두뇌" 역할을 합니다. BMS는 셀 상태를 모니터링하고, 안전 메커니즘을 제어하고, 셀의 균형을 맞추고, 통신 인터페이스를 제공합니다. BMS의 복잡성은 팩 크기와 기능에 따라 다릅니다. 소규모 소비자 BMS에는 다음이 포함될 수 있습니다.
- 셀 전압 및 온도 모니터링
- 과충전, 과방전 방지
- 셀 전압 밸런싱
대형 EV 트랙션 팩 BMS는 광범위한 기능을 제공합니다.
- 각 셀의 전압(±15mV), 전류(±1~2%), 온도(±1°C)에 대한 고정밀 모니터링
- 션트 또는 다중 권선 변압기를 통한 능동 셀 밸런싱
- 전기 절연을 위한 접촉기 및 퓨즈 제어
- 복잡한 충전 상태 및 상태 추정 알고리즘
- 냉각 시스템 제어를 통한 열 관리
- 고속 중대 결함 감지 – 개방/단락, 과열
- 수백 개의 센서 입력 및 제어 출력
- 차량 통신 인터페이스 – CAN, LIN, FlexRay, 자동차 이더넷
- 보안 인증, 변조 방지, 무선 펌웨어 업데이트
- 진단 및 주기 계산을 위한 상세한 데이터 로깅
원천: 리서치게이트
BMS 하드웨어는 일반적으로 인쇄 회로 기판에 장착된 센서 인터페이스 IC, ADC, 마이크로 컨트롤러 및 전원 관리 회로로 구성됩니다. 고전압 절연과 견고한 연결은 안전과 신뢰성에 매우 중요합니다.
수동 부품
셀과 BMS 외에도 리튬 이온 배터리 팩에는 다양한 수동 부품이 포함되어 있습니다.
- 버스 바 - 셀과 터미널 사이에 낮은 저항 연결을 제공합니다. 높은 전류 용량 필요 – EV 팩의 경우 최대 1000A. 구리 또는 알루미늄 버스 바는 노출되거나 도금되거나 코팅될 수 있습니다. 버스 바 설계는 절연을 유지하면서 인덕턴스를 최소화합니다.
- 열 인터페이스 재료 – 셀과 인클로저 벽 또는 냉각 채널 사이에 사용됩니다. 실리콘 엘라스토머, 열 전도성 테이프 및 간격 충진 패드는 열 전달을 극대화합니다. 상변화 물질은 높은 열용량을 제공합니다.
- 접착제 및 테이프 – 전기 절연 및 진동 저항 기능을 제공합니다. 재료에는 폴리우레탄, 아크릴 접착제, 실리콘이 포함됩니다. 양면 열 전도성 테이프가 일반적입니다. 엄격한 UL94 V-0 가연성 등급.
- 퓨즈 및 접촉기 - 과전류 오류로부터 보호합니다. 또한 안전한 전기 절연을 허용합니다. 높은 전압 및 전류 정격이 필요합니다. 퓨즈는 BMS에 통합될 수 있습니다. 사전 충전 회로는 돌입 전류를 제한합니다.
- 셀 상호 연결 – 셀 터미널을 직렬로 연결합니다. 높은 전류 밀도를 처리해야 합니다. 초음파, 레이저 및 저항 용접이 사용됩니다.
이러한 수동 부품을 신중하게 선택하면 까다로운 조건에서도 배터리 팩의 전기적, 열적, 기계적 무결성이 보장됩니다.
배터리 팩 인클로저
배터리 팩 인클로저 또는 하우징은 다음을 제공합니다.
- 보호 – 기계적 남용, 충격, 먼지, 유체로부터 세포를 보호합니다. 적절한 전기 연결만 허용됩니다. 애플리케이션에 따라 IP 등급을 제공합니다.
- 구조적 지원 – 셀 스태킹 및 장착에 필요한 강성을 제공합니다. 애플리케이션 프레임 및 브래킷과 인터페이스합니다.
- 냉각 채널 – 셀과 BMS 전체에 공기 흐름이나 액체 냉각수 순환을 허용합니다. 통합 냉각 핀이 포함될 수 있습니다.
- 격리 – 버스 바 및 터미널과 같은 고전압 구성 요소를 전기적으로 절연합니다.
- 환경 밀봉 – 습기 침투를 방지합니다. 리튬 이온 화학에 필요합니다.
일반적인 인클로저 재료에는 우수한 열 특성을 위한 알루미늄과 같은 금속과 더 가벼운 무게와 내식성을 위한 엔지니어링 플라스틱 혼합물이 포함됩니다. 금속화 및 탄소 섬유 강화 플라스틱은 구조적 견고성과 차폐 기능을 제공합니다.
인클로저에는 서비스를 위한 탈착식 액세스 패널과 설치 유연성을 위한 모듈식 팩 설계가 특징인 경우가 많습니다. 구조용 접착제, 개스킷 및 절연막은 구성 요소를 안전하게 장착하고 격리시킵니다.
열 관리 시스템
리튬 이온 배터리 팩의 안전하고 최적의 성능을 위해서는 적절한 셀 온도를 유지하는 것이 중요합니다. 리튬 이온 셀은 약 15~35°C에서 잘 작동하지만 이 범위를 벗어나 작동하면 성능과 수명이 저하됩니다.
- 영하로 떨어지면 방전 용량이 감소합니다. 내부 저항이 증가합니다.
- ~50°C 이상에서는 급격한 용량 감소 및 노화가 발생합니다.
- ~60°C 이상에서는 열 폭주 위험이 높아집니다.
따라서 열 관리 시스템은 작동 중에 셀을 냉각하고 추운 주변 조건에서 정지된 상태에서는 가열해야 합니다. 일반적인 냉각 방법은 다음과 같습니다.
- 패시브 에어 – 핀과 채널을 통한 냉각. 열 출력이 낮은 소형 팩에 사용됩니다.
- 강제 공기 – 축형 또는 원심형 팬은 공기 흐름 속도와 열 전달을 향상시킵니다. 덕트는 흐름 분포를 최적화합니다.
- 액체 냉각 – 재킷, 플레이트 또는 마이크로채널은 물/글리콜 혼합물 또는 유전체 유체를 순환합니다. 고출력 팩에 매우 효과적 >5kW.
- 상변화 물질 – 녹으면서 열을 흡수하는 왁스 같은 물질. 인클로저 또는 열 패드로 사용됩니다.
- 열전 – Peltier 장치는 전원이 공급될 때 온도 차이를 생성합니다. 컴팩트한 고체 냉각.
추운 기후에서 작동하려면 난방도 중요합니다. 가열 방법은 다음과 같습니다.
- 전기 히터 – 팩 인클로저에 부착된 저항성 히터.
- 히트펌프 – 역열전 장치 또는 소형 냉매 루프.
- 폐열 – 충전 및 방전으로 인한 저항 손실을 포착합니다.
BMS는 셀 온도를 모니터링하고 독점 제어 알고리즘을 기반으로 그에 따라 냉각 또는 가열을 제어합니다. 대형 배터리 팩은 독립적인 온도 조절을 통해 열 영역으로 나눌 수 있습니다.
추가 구성 요소
비용, 폼 팩터 및 애플리케이션 요구 사항에 따라 리튬 이온 배터리 팩에는 추가 구성 요소가 포함될 수 있습니다.
- 웨이크업 회로 – 충전/방전이 시작되면 잠자는 BMS를 깨웁니다. 대기 전류를 향상시킵니다.
- 셀 밸런싱 회로 – 능동 밸런싱은 수동 밸런싱만 수행하는 것보다 더 정밀합니다. 추가적인 복잡성이 필요합니다.
- 프리차지 회로 – 팩 연결 시 돌입 전류를 제한합니다. 저항기 또는 능동 스위칭을 사용합니다. BMS 및 접촉기를 보호합니다.
- 충전기 – DC 고속 충전을 위한 온보드 충전 제어 전자 장치입니다. 외부 충전기가 필요하지 않습니다.
- 연락 – 기본 BMS 인터페이스 외에도 팩에는 원격 제어 및 진단을 위한 무선 모듈 또는 전력선 통신(PLC)이 포함될 수 있습니다.
- 히터 – 추운 날씨에 작동할 수 있도록 제어된 난방을 제공합니다. 최적의 셀 온도를 달성하도록 도와주세요.
- 셀 스위칭 – 열 관리 및 균형 조정을 위해 셀 그룹을 켜거나 끕니다. 많은 추가 스위치와 복잡한 제어 로직이 필요합니다.
- 상태 LED – 사용자에게 기본 팩 상태를 시각적으로 표시 – 충전, 오류, 대기 등
리튬이온 배터리 팩 애플리케이션
이제 내부 구성 요소를 살펴보았으므로 리튬 이온 배터리 팩이 주요 산업 및 응용 분야에 어떻게 적용되는지 살펴보겠습니다.
- 전기 자동차 – 완전 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에 추진력을 제공합니다. 매우 높은 용량(50-100kWh), 전력 밀도, 안전성 및 사이클 수명이 필요합니다. 복잡한 액체 냉각 설계.
- 가전제품 – 휴대폰, 노트북, 전동 공구 및 기타 휴대용 장치. 비용, 컴팩트한 크기, 경량에 중점을 둡니다. 플라스틱 인클로저에 공냉식 파우치 또는 각형 셀이 들어 있습니다. 1-100Wh 용량 범위.
- 항공우주 – 항공기에서 비상 전력 공급 및 엔진 시동에 사용됩니다. 내구성이 뛰어난 디자인으로 진동을 견딜 수 있습니다. 안전과 신뢰성이 중요합니다.
- 고정식 저장 – 그리드 에너지 저장, 백업 전력, 독립형 태양광/풍력 시스템. 저비용, 긴 사이클 수명에 중점을 둡니다. 랙이나 컨테이너에서 공기/액체로 냉각됩니다.
- 의료기기 – 이식형 및 웨어러블 의료기기. 매우 작고 안전하며 내구성이 뛰어난 배터리가 필요합니다. 두께가 100미크론에 달하는 초박형 유연한 셀입니다.
이 개요에서는 산업 전반에 걸쳐 매우 다양한 응용 분야 요구 사항을 충족하도록 맞춤화된 광범위한 리튬 이온 배터리 팩 설계를 보여줍니다.
리튬 이온 배터리 안전
리튬 이온 배터리 팩을 사용하여 작업하려면 적절한 안전 예방 조치가 필요합니다. 올바르게 설계하고 취급하면 일반적으로 안전하지만 결함이 있거나 손상된 셀은 빠르게 과열되어 발화될 수 있습니다. 주요 위험은 다음과 같습니다.
- 외부 단락 – 빠르게 높은 전류와 가열로 이어집니다.
- 내부 단락 – 세포 손상으로 인해 발생합니다. 가장 위험한 실패 모드.
- 열폭주 – 셀이 터지거나 화상을 입을 때까지 자체 가열됩니다. 세포 간에 전파될 수 있습니다.
- 에누리 – 한계를 초과하는 셀 전압은 전해질 고장을 유발합니다.
- 압착/충격 – 내부 단락을 허용하는 분리기를 분쇄합니다.
- 잘못된 조립 – 느슨한 구성 요소와 높은 저항 지점은 국부적인 열을 발생시킵니다.
BMS 및 기타 보호 회로는 정상 작동 및 오류 시 이러한 위험을 최소화하도록 설계되었습니다. 그러나 작업자는 리튬 이온 배터리 팩을 운반, 설치, 서비스 또는 폐기할 때 다음과 같은 예방 조치를 취해야 합니다.
- 적절한 PPE를 착용하세요 – 눈 보호구, 장갑, 방염복. 금속 장신구를 피하세요.
- 실제 배터리 팩에 사용하도록 표시된 절연 도구를 사용하십시오.
- 단락 단자나 버스 바를 피하십시오.
- 엄격하게 준수 해운 리튬 배터리 취급 규정.
- 폐기하기 전에 전압을 절약하기 위해 다 쓴 배터리를 방전시키십시오.
- 가연성 물질과 멀리 떨어진 불연성 표면에 보관하고 충전하십시오.
- 화재 응급 상황에 대비해 소화기를 준비하세요.
리튬 이온 배터리 팩을 사용할 때는 안전한 취급을 위한 모범 사례 지침을 따르는 것이 중요합니다.
결론
리튬 이온 배터리 팩에는 셀, BMS 전자 장치, 열 관리 및 인클로저 설계를 포함한 많은 구성 요소가 있습니다. 엔지니어는 배터리 팩을 설계할 때 비용, 성능, 안전, 제조 가능성의 균형을 맞춰야 합니다.
지속적인 기술 개선을 통해 더 안전하고 저렴하며 더 작고 강력한 리튬 이온 팩이 가능해질 것입니다. 기업은 경쟁력을 유지하기 위해 최신 발전에 대한 최신 정보를 유지해야 합니다.
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