동역메카트로닉스연구소 기술정보분석팀 편저        B5/213P        60,000원
 

근래에, 휴대전화와 노트북 PC를 비롯하여 PDA, 캠코더, 디지털카메라, 각종 MD player와 같은 고성능 모바일 기기가 계속 상품화되고 있다. 이러한 기기를 포터블화하는 핵심 부품의 하나가 2차전지이다. 기기의 소형화, 경량화하기 위해 전지는 가급적 작고, 가볍게 하며, 오랜 동작시간을 유지하기 위한 전지의 고 에너지밀도화 기술을 토대로 비약적으로 발전해 왔다.
모바일 기기용 2차전지의 역사는 니켈카드뮴 배터리, 니켈수소 배터리, 리튬이온 배터리 순으로, 대략 3단계에 걸쳐 발전해 왔다고 할 수 있다. 니켈카드뮴/니켈수소 배터리가 가진 충방전 특성과 사이클 특성의 불안정, 메모리 효과(memory effect), 자기방전, 고용량화 등의 문제점을 거의 해결한 리튬이온 배터리는 리튬이 가진 고용량을 계승하면서, 안전하고 신뢰성이 높으며, 반복 충전회수도 비약적으로 많아졌다. 특히 높은 에너지밀도를 자랑하는 리튬이온 폴리머 배터리의 등장으로 시장은 급속히 확대되어, 시장규모도 선행하는 니켈카드뮴 배터리나 니켈수소 배터리를 크게 웃돌고 있으며, 2차전지 시장을 장악해 나가고 있다.
그러나 배터리가 높은 에너지밀도를 갖게 되고, 고용량화 됨에 따라 배터리의 특성이 아주 예민해졌다는 점이다. 과충전에 의한 발화와, 과방전에 의한 특성의 열화라고 하는 위험성이 있기 때문에, 정밀한 전압전류를 관리하지 않으면 그 성능을 발휘할 수 없다고 하는 까다로운 점이 있다. 따라서 전지의 종류에 맞은 정확한 방법으로 충전을 하지 않으면 배터리 수명 단축은 물론이고, 이상 발열하거나 파열하기도 하고, 또는 발화한다. 이에 따라, 배터리를 제어하는 충전장치가 복잡한 아키텍처으로 고도화되고 있으며, 정확한 충전장치를 설계할 필요가 있다.
충전장치를 안전하고, 확실하게 설계하기 위해서는 전지상태나 주위의 환경을 감시하여, 충전개시의 판단, 전류값이나 전압치의 제어, 충전종료를 판단할 필요가 있다. 또, 만충전의 검출방식에 따라서는 충전 과정에서의 변화를 기억할 필요도 있다. 복잡하고 고도의 제어를 하기 위해 원칩 마이크로컴퓨터로 충전 시스템을 구성하는 경우도 있다.

본서에서는 각종 2차전지 충방전 동작과 특성, 2차전지의 충전방식, 각종 검출제어 방식, 전지 잔량측정 수법, 전지팩 구성 등, 2차전지의 성능을 최대로 인출하기 위한 충전회로 설계 기법과 사례를 세부적으로 해설하며, 아주 심플한 충전장치부터 마이크로컴퓨터를 내장한 고기능 충전장치까지 충전장치의 기본 설계법과 범용 시판 IC를 사용하여 응용 설계한 사례를, 실제 시험제작이 가능하도록 소개하고 있다.
또, 휴대전화나 노트북 PC 등에 사용되고 있는 리튬이온 전지팩의 구조와 동작을 해설한다. 그리고 최근에 세계 대부분의 노트북 PC 메이커를 비롯하여 관련 회사가 채택하고 있는 스마트 배터리(Smart Battery)의 구성과 배터리 잔량 예측수법을 해설하고, 전지팩 내부에서, 전지잔량 예측수법 및 적산처리와 전류전압, 온도 측정, 전지의 고유정보 보존 등을 정보를 시스템측과 커뮤니케이션하는 통신 인터페이스인 SM 버스(SM Bus; System Management Bus)의 구조와 통신방법 및 포맷과 프로그래밍 방법을 해설하고, 배터리 보호를 위한 전기적인 안전장치의 중요 제어부인 보호회로용 IC에 대해서도 소개한다.

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주요 내용

      2차전지를 정확하게 알고 설계하기 위한
■ 배터리 충전장치 설계의 기초지식

2차전지의 기본 성질과 취급법: 2차전지의 충전원리와 만충전되면 일어나는 현상, 2차전지의 데이터시트 항목 해설
전지팩의 구조와 취급 방법: 니켈카드뮴 배터리와 니켈수소 전지팩의 구조, 리튬이온 전지팩의 구성과 보호회로 기능과 역할, 리튬이온 전지팩의 취급법과 입수성
메모리 효과와 발생 억제회로 설계: 메모리 효과(memory effect)의 원인, 최종 방전전압까지 방전할 수 있는 회로 설계, 전원회로의 설계, 최대 출력전류의 검증, 역충전에 의한 열화 방지 전지팩 구성
2차전지의 충전 테크닉: 2차전지의 각종 충전방법의 해설, 2차전지의 종류, 사이클 사용과 트리클 사용, 충전회로에 필요한 기능, 2차전지의 충전방식, 전류, 전압의 제어방식, 만충전 검출과 충전의 종지
과충전의 실험 결과: 1.9A로 니켈수소 배터리를 과충전한 실험결과: 84mA로 리튬이온 배터리를 과충전한 실험결과: 390mA로 리튬이온 배터리를 과충전한 실험결과

      노트북 PC, 휴대전화, 디지털카메라의 핵심 디바이스
 ■ 리튬이온 배터리의 구조와 특성

리튬이온 배터리의 기본지식: 외관과 구조, 동작원리, 배터리의 재료와 특징, 리튬이온 배터리의 특징과 용도
리튬이온 배터리의 특성: 충전방법, 방전부하 특성, 사이클 특성, 방전온도 특성
정확한 사용법과 안전에 관계되는 주의사항, 금후의 전망과 과제: 더욱 높은 에너지밀도의 향상, 박형 경량의 리튬이온 폴리머 배터리

      고 에너지밀도의 2차전지 충전 시스템
■ 리튬이온 충전장치의 설계 실무

리튬이온 배터리 충전회로의 기본 설계
CVCC(Constant Voltage Constant Current) 충전회로: 충전전압과 충전전류의 변화, 전원회로의 방식, 서미스터의 역할, 프리차지 회로의 역할
실제 CVCC 충전회로의 설계, CVCC 전원과 조합한 펄스 충전회로의 동작 해설, 리튬이온 충전장치 설계와 사례
휴대전화용 스탠드형 CVCC 충전장치의 설계와 제작: 휴대전화 단말기용 충전장치의 개요, PWM 제어형의 CVCC 전원용 컨트롤러의 특징, 출력전압과 출력전류의 설정, 스위칭 주파수의 설정, 인덕터의 계산과 선정, 출력 콘덴서의 선정, 발진에 대한 대책
CVCC(Constant Voltage Constant Current) 특성의 확인, 휴대전화의 충전제어 모양
전용 IC를 사용한 리튬이온 충전장치의 설계해설: 전지접속 검출, 정전류 제어부 및 전류검출, 정전압 제어부, 전압 검출부, 온도 검출부, LED부
동작 타임차트와 충전제어 흐름, 급속충전 전류치의 설정, 만충전 전압의 설정, 충전종료 전류의 설정

      고 에너지밀도 전지의 보호와 잔량관리 기술
■ 리튬이온 전지팩의 구조와 관리 시스템

리튬이온 전지팩의 내부회로와 보안장치와 보호회로, 전지팩의 복제를 방지하는 방법
배터리의 잔량 관리방법 해설: 전압에 의한 잔량 예측, 전류적분에 의한 엄격한 잔량 예측, A-D 컨버터 내장의 마이크로컴퓨터로 샘플링하는 방식, V-F 컨버터로 적산하는 방식
전류적분 오차의 잔량 표시에 대한 영향: 오차의 종류, 적산 정밀도에 영향을 주는 오프셋 오차
노트북 PC에서의 잔량 관리 연구: 셀 전압, 온도, 충전회수의 모니터와 보정, 잔량계에 의한 잔량치와 실제의 잔량의 차이
전지팩의 통신 인터페이스 SM 버스(System Management Bus)의 사양: SCL과 SDA의 2선식 쌍방향 버스, SM 버스의 전기적 사양, SM 버스의 통신 프로토콜
스마트 배터리 시스템(Smart Battery System)의 규격화와 기본 구성 및 커맨드
스마트 배터리(Smart Battery) 부분의 회로 블록과 실제의 스마트 배터리 회로, 스마트 차저(Smart charger) 부분의 동작 해설, 실제의 Smart charger

      오랜 역사를 가진 2차전지의 대명사
■ 니켈수소/니켈카드뮴 배터리의 구조와 특성

니켈수소 배터리의 구조와 특성: 특징과 전지 구조, 구성과 반응, 배터리의 충방전 특성, 사이클 수명 특성과 보존 특성
니켈수소 배터리의 보통 충전 방법: 정전류 충전방식, 준정전류 충전방식,  트리클 충전
니켈수소 배터리의 급속 충전 방법, 온도미분 검출에 의한 급속충전 방식, -ΔV 검출 급속충전 방식, 온도제어(TCO) 방식
니켈카드뮴 배터리의 구조와 특성: 원리와 구조, 충방전 특성, 메모리 효과(memory effect)와 수명특성, 니켈카드뮴 배터리의 특징
니켈카드뮴 배터리의 종류, 니켈카드뮴 배터리의 취급상의 주의: 충방전과 보존에 대해 기기에 내장하여 사용할 경우의 취급상 주의점

      급속충전부터 스위칭방식의 고효율 충전회로 설계
■ 니켈수소/카드뮴 충전장치의 설계 실무

니켈수소/카드뮴 충전회로의 기본 설계 해설
니켈수소 배터리의 만충전 검출의 기본기술:  전지전압의 저하를 검출하는 방법, 전지의 온도상승률의 변화를 검출하는 방법, 최대 시간제어, 가변 시간제어, 최대 온도제어
니켈수소/니켈카드뮴 충전회로의 동작:  정전류 제어에 의한 충전, 효율이 좋은 스위칭 방식의 정전류 전원, 정전류 DC-DC 컨버터의 원리, 정전압 제어가 필요없는 배터리 충전전원, 승압형의 정전류 DC-DC 컨버터는 충전회로에 사용 불가
니켈수소 배터리의 충전 특성: 충전전압의 변화, 100% 충전하기 위한 전압은 1.7V/셀, 충전 전후에서 전지온도는 30℃나 변화, 충전전류가 클수록 발열량이 크다
니켈수소 배터리의 방전 특성: 실제 회로는 정전력 방전, 전지전압의 변화와 방전시간, 방전시의 전지온도 변화
2직렬 셀, 2시간 급속 충전회로 설계: 급속 충전회로의 기본구성과 기능, 보호회로(온도검출회로, 과전압보호회로, 타이머회로), 급속 충전용의 니켈수소 배터리
설계하는 니켈수소 급속 충전회로의 사양, 충전제어 IC의 특징과 동작 해설:  최대 충전시간의 설정, 충전 셀 수의 설정, 정전류 회로의 동작 해설, 충전 동작의 확인, 급속 충전회로의 성능을 인출하기 위한 포인트
범용 IC에 의한 고효율 니켈수소/카드뮴/리튬이온 충전회로: 충전회로의 구성과 동작, 정전류 DC-DC 컨버터를 만드는 제어 IC의 조건
전용 IC에 의한 니켈수소/카드뮴/리튬이온 일반/급속 충전회로 IC 소개

      메모리 칩의 데이터 유지용 충전 가능한 전지
■ 메모리 백업용 배터리의 구조와 특성

이산화망간 리튬 배터리: 이산화망간 배터리의 구조와 충방전 반응, 특징
전기적 특성과 사용법: 이산화망간 리튬 배터리의 충전회로와 충방전 특성, 용도
기타 메모리 백업용 배터리의 특성: 바나듐리튬 배터리(VL계), 니오브리튬 배터리(NBL계), 티탄리튬이온 배터리(MT계)

     화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 클린 발전기
■ 연료전지

 연료전지의 발전 구조와 원리: 연료전지의 특징
알칼리형 연료전지, 인산형 연료전지, 융탄산염형 연료전지, 고체 전해질형 연료전지, 고체 고분자형 연료전지의 개요

     고 에너지밀도의 배터리를 안전하게 사용하기 위한
■ 2차전지의 보호회로와 전용 IC

2차전지 보호의 개념: 과충전 보호기능, 과방전 보호기능, 과전류 보호기능
보호회로용 IC의 보호 동작 해설: 통상 모드, 과충전 모드, 과방전 모드, 과전류 모드
보호용 IC의 제품 전개와 보호용 IC의 소형 패키지화, COB(Chip On Board) 모듈: 소형 경량, 내수성 및 절연성, 2차실장 불량 저감, MCP(Multi Chip Package)
리튬이온 배터리의 충전과 보호를 원칩으로 실현하는 배터리 제어용 IC의 응용회로 사례

      전지팩의 충방전 제어와 잔량관리 표시 시스템
■ 스마트 배터리 시스템과 응용

스마트 배터리 시스템(Smart Battery System)과 SM 버스(System Management Bus) 통신: 등장 배경과 구성
SM 버스의 물리 구조와 SM 버스에 있어서의 커뮤니케이션
Bus arbitration과 타이밍, SM 버스의 통신 포맷과 통신 파형, SM 버스 프로그래밍의 주의점, SM 버스의 과전압 보호회로
2차전지의 잔량 예측 수법: 전지전압 방식과 전류적분 방식, 전지전압 방식 잔량 예측법, 전류적분 방식 잔량 예측법
전류적분의 실현 방식: A-D 컨버터에 의한 전류적분, V-F 컨버터에 의한 전류적분
오프셋 전압의 경감 방법: 오프셋 전압의 영향을 배제하는 방법, 동적평형 완전차동 방식
스마트 배터리의 어플리케이션 사례: 니켈수소 배터리용 스마트 배터리, 리튬이온 배터리용 스마트 배터리, 충방전 제어의 노하우, 전지팩의 문제점, 리튬이온 배터리를 위한 회로 예
 배터리 잔량을 LED나 LCD로 표시하는  배터리 잔량표시용 IC의 구성과 응용: 배터리 잔량검출 전용 IC, 전지 잔량의 검출 방법, 마이컴을 사용하지 않고 고정밀도 전압 검출, 잔량 표시 IC의 사례