배터리 팩과 적합한 전원 공급 장치 및 DC-DC 컨버터를 선택하는 방법

배터리 구동 장치에 적합한 전원 공급 장치와 DC-DC 컨버터를 선택할 때는 전압과 와트 정격만 맞추는 것 이상의 고려 사항이 있습니다. 배터리 전압은 충전 및 방전 과정에서 변하며, 장비는 정상 작동 시보다 시동 시 훨씬 더 많은 전류를 소모할 수 있습니다. 스펙상으로는 적합해 보이는 컨버터라도 배터리가 거의 방전되었을 때는 제대로 작동하지 못할 수 있으며, 출력 전압이 적절한 전원 공급 장치라도 배터리 충전에는 적합하지 않을 수 있습니다.

선택 과정은 배터리의 실제 전압 범위와 부하의 전력 요구량을 기준으로 시작하여 다음 단계로 진행됩니다. 충전 요구 사항변환기 정격 및 시스템 수준 테스트 등이 포함됩니다. 12.8V LiFePO4 팩은 이러한 요소들이 부품 선택에 어떻게 영향을 미치는지 보여주는 실질적인 예입니다.

1. 배터리 및 부하 요구 사항을 설정합니다.

배낭의 실제 작동 방식과 적재물의 실제 요구 사항을 먼저 파악하십시오.

• 전압 범위. 공칭값이 아닌 BMS 차단 전압과 완전 충전 전압 사이의 전체 범위를 사용하십시오. 부하 시 전압 강하는 최저값을 더욱 낮춥니다.
• 충전 한도. 종료 전압, 최대 충전 전류 및 허용 충전 온도 범위를 확인하십시오.
• 로드 프로필. 지속적인 전력 공급도 중요하지만, 시스템에 부담을 주는 것은 대개 짧은 시동 시간이나 최대 수요입니다.

그다음에는 구성 요소를 제거할 수 있는 질문을 해보세요. 장비가 배터리 팩의 전체 전압 범위를 직접 수용할 수 있습니까? 그렇다면 변환기가 전혀 필요하지 않을 수 있으며, 이는 비용, 손실 및 고장 발생 가능성을 줄여줍니다.

만약 계산이 불가능하다면, 배터리 팩이 공급해야 하는 전류를 계산하십시오. 이 전류는 팩 전압이 가장 낮을 때 가장 높으며, 배터리 관리 시스템(BMS), 퓨즈 및 배선 선택에 영향을 미칩니다.

예에서 배낭과 짐은 다음과 같습니다:

컨버터 효율이 90%라고 가정할 때, 10V에서의 연속 전류 소모량은 60 ÷ (0.9 × 10) = 6.7A이고, 14.4V에서는 4.6A입니다. 10V에서의 시동 서지 전류는 180 ÷ (0.9 × 10) = 20A입니다. 배터리, BMS, 퓨즈, 배선 및 컨버터 입력단자는 모두 가장 낮은 팩 전압에서 이러한 전류 소모량을 견딜 수 있어야 합니다.

용량 관련 참고 사항: 256Wh는 공칭 전압에서의 이론적인 에너지입니다. 실제 작동 시간은 방전 차단, 컨버터 효율, 온도, 배터리 셀 노화 및 BMS 설정에 따라 더 낮아질 수 있습니다.

2. 충전 소스를 배터리에 맞춰 연결하세요.

배터리는 단순히 전압을 입력하는 것만 받아들이는 부하가 아닙니다. 리튬 배터리 팩은 정해진 충전 프로파일을 따라야 합니다. 즉, 전류 제한 단계와 제조사에서 지정한 종료 전압에서의 정전압 단계로 구성되며, 전류는 셀과 BMS(배터리 관리 시스템)에서 허용하는 범위 내에서 유지되어야 합니다. 충전은 셀 또는 팩 제조사에서 지정한 온도 범위 내에서 이루어져야 하며, 필요한 경우 저온 충전 보호 기능을 사용해야 합니다. BMS가 이러한 보호 기능을 자동으로 제공한다고 가정해서는 안 됩니다. 최소 충전 온도는 셀, BMS 설계 및 팩에 따라 다르므로 일반적인 수치를 가정하기보다는 배터리 제조사에서 지정한 범위를 따라야 합니다.

이것이 바로 출력 전압이 "정상처럼 보이는" 전원 공급 장치도 잘못될 수 있는 이유이며, 자주 혼동되는 세 가지를 구분해야 하는 이유입니다.

• AC-DC 전원 공급 장치: DC 출력을 제공하지만 배터리 충전 제어 또는 종료 로직을 ​​반드시 포함하는 것은 아닙니다.
• 배터리 충전기: 배터리 요구 사항에 따라 충전 전압, 전류 및 종료를 제어합니다.
• 전원 공급 장치와 적합한 충전 컨트롤러: 어떻게 시공하느냐에 따라 유효한 설계일 수도 있습니다.

전원 공급 장치의 용량을 결정하기 전에 충전 프로파일을 조절하고 충전을 종료하는 구성 요소와 BMS가 제공하는 보호 기능을 확인하십시오. BMS가 배터리 팩에 필요한 전압, 전류 및 온도 제한에 맞게 설계된 충전기를 대체한다고 가정하지 마십시오. 일반적인 부적합 사례로는 배터리 팩을 완전히 충전하기에 전압이 너무 낮은 조정 어댑터 또는 방전된 배터리 팩에 전류를 강제로 공급하여 BMS를 작동 중지시키거나 보호 기능이 작동하지 않을 경우 과충전을 유발하는 전류 제한이 없는 고전압 전원 공급 장치가 있습니다.

그런 다음 정격 용량을 결정하십시오. 최대 충전 전압 × 최대 충전 전류에 충전 중 장비가 소모하는 부하를 더하십시오.

지정된 충전 한계에서 14.4V × 10A는 144W입니다. 150~180W 용량의 전원은 충분한 여유 전력을 제공할 수 있지만, 출력 특성, 충전 제어 및 열 정격 또한 설계 요구 사항을 충족해야 합니다. 장비가 충전 중에 작동하는 경우, 전력 소모량도 용량 산정에 포함해야 합니다.

3. 적절한 DC-DC 토폴로지와 정격을 선택하십시오.

토폴로지는 전체 방전 과정 동안 팩 전압이 출력 전압에 대해 어떤 위치에 있는지에 따라 결정됩니다.

10~14.4V 배터리 전압 범위와 12V 안정화 출력 전압을 사용하는 경우, 입력 전압과 출력 전압이 교차합니다. 따라서 벅 컨버터는 배터리 관리 시스템(BMS)의 저전압 차단에 도달하기 전, 방전 말기에 안정화 기능을 잃을 수 있습니다. 반면 벅-부스트 컨버터는 전체 전압 범위를 커버하므로 이러한 시스템에 적합합니다. 하지만 이 결론은 특정 입력 및 출력 쌍에만 적용되는 것이며, 모든 시스템에 적용되는 것은 아닙니다.

토폴로지를 선택했으면 다음 데이터시트 항목을 확인하십시오.

• 여백을 포함한 입력 범위입니다. 범위에는 BMS 차단 전압, 부하 시 전압 강하 및 충전 오버슈트가 포함되어야 합니다. 예를 들어 9~16V와 같은 범위입니다.
• 사용 환경에 따른 연속 전류 공급. 주변 온도 및 풍량에 따른 정격 용량을 사용하십시오. 25°C 기준 수치를 사용하지 마십시오. 5A 연속 부하에는 열적 정격 용량 저하 및 과도 부하에 대한 여유가 필요하므로, 정격 용량을 단순히 정격 전류만으로 판단하지 말고 제조업체 사양과 비교하여 확인하십시오.
• 과부하 동작. 전류 제한이 출력을 유지합니까, 아니면 변환기가 종료되고 재시도합니까(히컵 모드)?
• 전 제품군에 걸쳐 효율성을 제공합니다. 단일 피크 수치가 아니라 부하에서의 전압 곡선과 양쪽 전압 끝에서의 전압 곡선을 읽으십시오.
• 저전압 차단 및 히스테리시스. 이것들은 변환기가 언제 꺼지고 다시 켜지는지를 결정합니다(섹션 5 참조).

이 항목들을 본인의 적재량 및 포장량과 비교해 보십시오. 후보 장비의 진위 여부를 판단하는 가장 확실한 기준은 해당 장비의 데이터시트가 본인의 수치와 일치하는지 여부입니다.

DC-DC 컨버터를 선택할 때는 입력 전압 범위가 배터리의 전체 작동 범위를 포괄하는지, 그리고 연속 출력 정격과 과부하 용량이 정상 작동 및 시동 시 요구 사항을 모두 충족하는지 확인해야 합니다. 시판 제품 사양을 검토해 보세요. 파워 홈 적합한 후보자를 좁히는 데 도움이 될 수 있습니다.

4. 시동 부하 및 열 제한을 고려하십시오.

연속 정격 용량이 충분한 컨버터라도 시동 시 문제가 발생할 수 있습니다. 모터, 펌프, 무선 송신기 등은 단시간 동안 평소 작동 전류의 몇 배에 달하는 전류를 소모할 수 있습니다. 출력 측의 피크 전류는 연속 정격 용량만으로는 판단할 수 없습니다. 중요한 것은 해당 컨버터가 특정 온도 조건에서 해당 피크 전류를 특정 시간 동안 견딜 수 있는지, 그리고 한계에 도달했을 때 출력을 유지하거나, 출력을 줄이거나, 시동 모드로 전환하는 등의 동작을 수행하는지 여부입니다. 피크 정격 용량이 명시된 컨버터, 더 높은 연속 정격 용량을 가진 컨버터, 또는 부하에 소프트 스타트 기능을 적용한 컨버터 등을 고려해 볼 수 있습니다. 출력 커패시턴스를 추가하면 서지 전류를 견딜 수 있지만, 시동 시 자체적인 돌입 전류가 발생합니다.

배터리 팩 측에도 한계가 있습니다. 입력 측 서지는 BMS 과전류 트립 전류와 트립 지연 시간 내에 허용되어야 합니다. 저항 또한 중요한 요소입니다. 셀, BMS, 퓨즈 및 배선의 저항이 10mΩ 증가할 때마다 20A 전류에서 0.2V의 전압 손실이 발생합니다. 11V로 안정된 배터리 팩이라도 서지 발생 시 컨버터에는 10V로 인식될 수 있으며, 이로 인해 저전압 차단이 조기에 발생할 수 있습니다.

세 번째 점검 사항은 열입니다. 컨버터 손실은 출력 전력 × (1 ÷ 효율 − 1)이며, 밀폐된 환경에서는 실제 온도 상승으로 이어져 연속 정격 용량을 저하시킵니다. 디레이팅 곡선과 과열 동작을 확인하십시오. 냉각되면서 전원이 차단되었다가 다시 켜지는 컨버터는 장비에 잦은 고장을 일으킬 수 있습니다.

12V에서 부하의 15A 시동 서지는 200ms 동안 180W에 해당합니다. 효율이 90%일 때, 10V 배터리 입력에서 이 피크 전류를 공급하려면 컨버터가 서지 동안 출력을 유지할 수 있다고 가정할 때 배터리 팩에서 약 20A의 전류가 필요합니다. 60W의 연속 부하는 효율이 90%일 때 컨버터에서 약 6.7W의 전력을 소모하며, 효율이 85%일 때는 10.6W로 증가합니다. 이러한 수치는 점검해야 할 정격을 정의하는 데 도움이 되지만, 특정 컨버터가 이를 감당할 수 있음을 보장하는 것은 아닙니다.

5. 배터리, 충전기, 변환기 및 BMS가 어떻게 함께 작동하는지 확인하십시오.

각 부분에는 고유한 보호 로직이 있으며, 이 로직들은 서로 충돌할 수 있습니다. 시스템 통합 과정에서 특히 주의해야 할 네 가지 상호 작용이 있습니다.

스타트업이 BMS를 작동시킵니다. 서지가 BMS 과전류 제한을 초과하면 배터리 팩이 분리되고 컨버터 입력이 차단되며 장비가 재설정됩니다. 일부 BMS 설계에서는 충전기가 연결되거나 재설정이 적용될 때까지 전원이 차단된 상태를 유지합니다. 서지 전류보다 높은 트립 전류와 지연 시간을 선택하고 재연결 동작을 확인하십시오.

배터리 부족 시 자동 종료 경고음이 울립니다. BMS가 부하 상태에서 차단되면 장비는 작동 중에 갑자기 멈춰버립니다. 컨버터의 저전압 차단 임계값을 BMS 차단 임계값보다 높게 설정하면 더 일찍, 그리고 정상적으로 장비를 차단할 수 있지만, 임계값은 예상되는 부하 및 전압 강하 조건에서 검증해야 합니다. 너무 높게 설정하면 장비가 너무 일찍 꺼질 수 있기 때문입니다. 부하가 제거되면 팩 전압이 반등하기 때문에 히스테리시스가 중요합니다. 히스테리시스가 충분하지 않으면 컨버터가 재시작되고 부하가 전압을 다시 떨어뜨리는 악순환이 반복됩니다.

달리는 동안 충전됩니다. 충전기는 배터리 전류와 부하 전류를 모두 감지하므로, 일반적으로 배터리가 완전히 충전되었음을 나타내는 전류 감소가 충전 종료 임계값에 도달하지 않거나, 충전 전류 제한이 부하와 공유될 수 있습니다. 부하에 전원을 공급할 때 충전 경로와 별도로 전원을 공급하거나, 충전기의 충전 종료 로직이 부하 공유를 고려하여 설계되었는지 확인하십시오.

팩을 연결합니다. 컨버터의 입력 커패시터는 거의 즉시 충전되는데, 이로 인해 BMS에 단락이 발생한 것처럼 보이거나 커넥터에 과부하가 걸릴 수 있습니다. BMS의 돌입 전류 허용치를 확인하고, 필요한 경우 프리차지 회로 또는 소프트 스타트 기능이 있는 컨버터를 사용하십시오.

6. 배포 전에 설계를 검증하십시오.

계산을 통해 불일치 가능성을 파악할 수 있지만, 실제 작동 조건에서 성능을 확인하려면 벤치 테스트가 필요합니다. 이 네 가지 테스트 그룹은 실용적인 출발점이며, 까다로운 환경이나 안전 및 규정 준수 요구 사항이 있는 애플리케이션에는 더 많은 테스트가 필요할 수 있습니다.

• 전기적 일치. 부하 상태에서 팩의 최저 및 최고 전압을 컨버터의 입력 범위와 비교하여 서면으로 확인하고, 최악의 경우 팩 전류를 BMS, 퓨즈 및 배선과 비교하여 확인하고, 충전기 설정을 셀 데이터시트와 비교하여 확인하십시오.
• 최대 부하 및 온도 상승. 전압 범위의 양쪽 끝, 즉 전류가 가장 높은 가장 낮은 팩 전압부터 시작하여 전류 프로브와 오실로스코프를 사용하여 실제 시동 전류를 측정하십시오. 그런 다음 예상되는 최고 주변 온도에서 온도가 안정될 때까지 최대 부하로 작동시키십시오.
• 배터리 부족 시 발생하는 이상 증상. BMS 차단 전압까지 방전시킨 후, 정상적인 종료, 잡음 없음, 재충전 후 깨끗한 재시동 여부를 확인하십시오.
• 충전 및 복구. 배터리가 완전히 방전된 상태에서 부하가 걸린 상태와 걸리지 않은 상태 모두에서 완충까지 충전하고, 종료 동작이 의도대로 작동하는지 확인합니다. 배터리 팩을 핫플러깅하고 최대 부하 시 BMS 차단을 작동시킨 후, 손상이 없고 시스템이 복구되는지 확인합니다. 충전 제한을 포함하여 예상되는 최저 온도에서 주요 테스트를 반복합니다.

패키지나 기기가 변경될 때 다시 확인해야 할 사항은 무엇인가요?

다음 네 가지 포인트는 모든 패키지 또는 기기에서 공통으로 적용됩니다.

• 배터리 팩의 실제 부하 시 최소 및 최대 전압과 장비가 변환기 없이 해당 전압 범위를 견딜 수 있는지 여부.
• 연속 부하 및 최대 부하 모두에서 가장 낮은 전압에서의 팩 측 전류.
• 충전 전압, 전류, 종료 및 온도 제한을 누가 제어하는지 배터리 공급업체에 확인했습니다.
• BMS 트립, 컨버터 잠금 및 히스테리시스, 충전기 종료가 서로 일치하는지 여부.

안정적인 배터리 구동 시스템은 단순히 정격 사양이 일치하는 부품을 선택하는 것 이상의 것을 요구합니다. 배터리, 충전기, 변환기 및 부하는 시동 시와 배터리 잔량이 부족한 상황을 포함하여 호환 가능한 전압, 전류 및 온도 범위 내에서 작동해야 합니다. 제품 사양서를 검토하면 선택의 폭이 좁아지고, 실제 작동 조건에서 테스트를 통해 전체 시스템이 의도한 대로 작동하는지 확인할 수 있습니다.