※ 주의! : 18650과 같은 리튬배터리는 직접적인 합선(쇼트)이나 회로내에서의 합선 등에 의해 불꽃과 소폭발의 가능성이 있는 제품이므로 다루실 때 충분한 주의와 사전지식이 필요하니 주의하시기 바랍니다.
【 배터리와 충전】 18650 BMS PCM 리튬배터리 + TP4056 충전모듈 1S2P 2S1P 개념에 대하여 정리
최근 18650 배터리는 강력하고 충분한 전류용량과 착한 가격 등으로 인해 크고 작은 공작회로나, 무선으로 작동되는 기기의 전원으로 많이 각광받고 있는 배터리인데요. 하지만, 18650의 주요 성분은 리튬이온으로 구성되어 있고, 이는 과충전이나 과방전이 되면 화재, 폭발, 사용불능 등의 문제가 있기 때문에 관련 보호회로 등의 모듈을 장착하여 안전하게 사용할 수 있도록 하는 것이 중요합니다. 하지만 PCM, BMS, 1S 2P, 2S 2P, 직병렬 사용시의 조합이나 구성 등의 개념이 정리되어 있지 않으면 직접 DIY하기에는 어려운 부분이 있어 개념적인 정리를 도와드릴까 합니다.
예를 들어, 리튬이온전지의 한 종류로 가장 많이 사용하는 것 중이 18650이라는 것이 있습니다.
- 18650 자체가 이름인데, 가로(직경) 18mm X 높이(길이) 650mm 여서 18650이라는 이름이 붙여졌습니다. (충전 보호회로 높이 없는 모듈 길이)
마찬가지로 최근에 출시되고 있는 모듈중에 하나로 길이가 3cm 짧은 18350이 있습니다.
- 18650의 경우 보통 완충 전압이 4.2V에 3000mA 정도의 용량을 가지는데, 베터리를 직렬로 연결하면 전압(V-볼트)만 연결한 만큼 높아집니다.(전류 용량은 그대로) 이렇게 18650 두 개를 직렬로 연결한 것을 2S라 하고 S는 직렬(Serial)을 의미합니다. 4.2V+4.2V= 8.4V가 됩니다.
- 18650 배터리를 병렬로 연결하면 전류(A-암페어)가 연결한 만큼 높아집니다.(전압은 그대로) 이렇게 18650 두 개를 병렬로 연결한 것을 2P로 표시하고 P는 병렬(Parallel)을 의미합니다. 용량이 3000mA(= 3A)배터리라면 3A+3A= 6A 암페어가 됩니다.
- 예를 들어, 3S10P 라고 되어 있으면, 3개를 직렬(S)로 연결한 것을 10개 병렬로 연결해(전기적으로) 놓은 묶음을 말합니다. 이때의 배터리팩의 용량은 12.6V 전압(4.2x3)에, 전류 30A (3Ax10) 가 됩니다.
( 일반적으로 사용되는 18650 3.6~3.7V 스펙 배터리를 기준으로 설명 드립니다. 실제 출력은 3.7V 이상 나올 수 있으며, 보통 완충을 위한 전압은 4.2V 정도를 사용합니다.)
[ 1. PCM ] (Protection Circuit Module)로서 과충전(Over Charge)과 과방전(Over Dischage)을 방지하려는 주목적으로 사용되는 모듈입니다.
일반적으로 18650 충전을 위해서는 3.7V 보다 높은 4.2V(완충전압) 정도의 전압으로 충전하게 됩니다. 하지만 충전시 이 전압(4.2v) 이상을 넘어서는 전압이 유입 되지 않토록 과충전 보호기능이 필요하게 됩니다.
또한 리튬이온 배터리 특성상 2.5V 이하로 방전이 되면 배터리 기능이 현저히 저하되어 일반적인 성능을 기대할 수 없게 되는데요, 이를 위해 출력(방전) 전압이 2.5V 이하가 되면 출력을 차단하는 과방전 방지 기능이 필요하게 되죠.
이 두가지의 주요 기능이 들어 있는 회로를 PCM회로 라고 합니다.
아래 사진에 보이는 것 처럼, 위 사진속의 보호회로 있는 18650 배터리에 이런 PCM회로가 들어가 있습니다.
그리고 위의 PCM 보호회로가 없는 18650을 DIY회로에 직접 연결해서 사용할 수 있는 PCM내장형 18650소켓도 이렇게 판매되고 있어요. 하나는 3.7V 입출력(충방전)이 되는 PCM 1S2P 2구 소켓 이고, 하나는 7.4V 입출력(충방전)이 되는 PCM 2S1P용 2구 소켓입니다. (현재 옥션 등에도 판매중 http://itempage3.auction.co.kr/DetailView.aspx?ItemNo=A544086734&frm3=V2 ) 1S2P , 2S1P 에서 S는 Serial(직렬 연결), P는 Parallel(병렬)을 의미 합니다.
그리고 아래와 같은 여러셀을 위한 DIY용 PCM(BMS)도 있습니다.
일반적으로 판매하고 있는 제품 중에 저가형(PCM)의 경우 BMS도 같이 병기해서 판매하고 있지만, PCM기능이 주요 기능이며, BMS기능이 제대로(충실히) 적용 되지 않을 수도 있습니다.
[ 2. BMS ] (Battery Management System) 의 약자로서 주요 기능은 아래와 같아요.
- 병렬로 연결된 배터리 들의 전압과 충전상태를 체크해서 배터리 셀당 충전이나 방전이 고르게 이루어 지도록 해주는 기능이 핵심 기능인데요. ( 충방전 밸런스 기능)
- 이와 함께 보통, 과충전 과방전 과전류 등의 보호 기능도 들어 있는데요, 과전류 또는 단락시(합선) 연결을 차단하는 등의 일반적인 기능을 말합니다.
BMS의 핵심기능인 밸런스 기능은 18650을 직렬로 연결했을 때 필요한 기능 이므로, 만약 18650 2셀(cell)을 병렬로(3.7V) 연결 사용해서 충방전 할 때는 크게 의미가 없는 기능입니다. 하지만, 모듈을 사용하면 안 되는 것은 아니며, 이럴때는 좀더 가격이 저렴한 PCM모듈 정도를 사용하면 됩니다.
- BMS의 밸런싱 기능에 대해 좀더 설명 드리면, 이 기능이 무조건 필요하다기 보다는, 병렬로 연결된 여러셀을 충방전 하면서 사용하다 보면, 충전이 고르게 되지 않을 경우 셀 중 1~2개는 방전이나 충전이 빨리 되거나 하여 수명이 일찍 다 되어 교체를 해주어야 하는 경우가 생길 수 있기 때문에 , 스폿 용접이나 패키징이 완전히 되어 있는 그래서 부분교체가 힘든 노트북 배터리 셀과 같은 배터리 팩에는 반드시 집어 넣게 됩니다.
- BMS는 연결되는 배터리 수량과 충전 용량(전류)에 따라 다양한 모듈이 나와 있으니 스팩을 확인하여 구매후 사용해야 합니다.
참고로 같은 보드회사에서도 PCM 보드와 밸런싱 기능이 있는 BMS 보드를 판매하고 있는데요, 아래 사진에서 볼 수 있듯, 밸런싱용 부품이 더 들어가 있습니다.
연결은 똑같이 하면 됩니다.
그리고 그냥 전압만 맞추어 주면 되는 것이 아니라, 입력되는 전류도 과전류가 유입되지 않도록 제한되어 충전해 줄 수 있는 전용 충전기가 필요해요. 예를 들면, 두개 직렬 충전 8.4V BMS를 사용할 경우 아래와 같은 8.4V 출력의 아답터나 전용 모듈을 이용해야 안전합니다.
보통 3.7V 두개를 직렬 연결하면 7.4V 이지만, 개당 완충전압을 기준으로 해야 함으로 완충전압 4.2V 기준으로 두개 직렬 연결이면 8.4V이므로 리튬두개 2S 연결은 아래와 같은 8.4V의 전용 충전기가 필요합니다.
완충 목표 전압을 고정시키고 충전 전류를 오버하지 않고 되도록 일정하게 넣어준다고 보시면 됩니다.
[ 3. TP4056 ]
18650 보호회로에 들어 있는 주요 기능과 같으며, 따라서 주로 비보호회로 18650 셀을 가지고 소규모 공작물을 만들 때 사용하게 됩니다. 즉, 주요 기능은 과충전, 과방전, 과전류 또는 단락시(합선) 연결을 차단하는 등의 기능이 있는 모듈입니다. 따라서, 여러개의 배터리에 충방전을 고르게 시켜주는 BMS와 같은 기능은 없습니다. 물론 보호회로가 있는 18650을 사용해도 무방하나 단가가 조금더 높아지겠지요.
또한 개당 용량(1A)이 크지 않아 18650셀 하나당 TP4056 하나만 연결해서 사용해야 문제가 생기지 않습니다.
따라서, 여러개의 셀을 사용할 때는 아래 처럼 TP4056 모듈을 각각 추가해 주어야 합니다.
또한 , 전자 키트나 공작물 DIY를 하다보면, 5V가 필요한 키트에 3.7V 18650 배터리 하나만 사용해서 작동도 되고 충전도 되게 하고 싶을 때가 생기는데요, 이럴 때는 아래처럼, 18650의 3.7V 출력을 5V 정격 출력으로 승압(전압 UP 업) 시켜주는 모듈을 사용해서 연결해 주면 됩니다.
18650 1개가 들어가는 소형 보조배터리를 뜯어 보면 딱, 이와 같은 구조로 되어 있어요.
TP4056 보호기능과 5V 전압 업 기능이 합쳐진 134N3P 이라는 이름의 아래와 같은 스텝업 모듈을 사용합니다.
만약, PCM이나 BMS 모듈을 여기에 덧붙여 사용하게 되면 충방전 보호 과전류 방지 기능이 당연히 포함 되어 있으므로 TP4056은 추가적으로 사용할 필요 없게 됩니다. 만약 추가 연결하여 사용하게 되면 추가적인 열, 에너지 손실 등 오히려 효율이나 성능이 떨어질 수 있습니다.
태양전지 충전판을 이용해서 충전과 함께 5V 출력을 얻어 내는 회로는 아래와 같으니 참고해보세요.
아래 회로에서 tp4056은 과충전방지회로가 없는 타입을 사용했지만, 과충전방지회로가 있는 타입 또한 Out+, - 단자를 이용해서 같은 연결로 사용하면 됩니다.
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