24V 리튬 배터리 충전기 및 납산 충전기 | 충전 알고리즘 및 안전 가이드

24V 리튬 배터리 충전기와 표준 납산 충전기 비교: 완전한 충전 알고리즘 및 안전 비교

배터리 시스템 설계자, 장비 제조업체 및 수출 소싱 전문가의 경우 24V 배터리 시스템에 적합한 충전기를 선택하는 것은 배터리 수명, 충전 안전 및 장비 가동 시간에 직접적인 영향을 미칩니다. 표준 납산 충전기는 과충전이나 부적절한 종료로 인해 리튬 배터리를 손상시킬 수 있는 정전압 또는 간단한 정전류 정전압 알고리즘을 사용합니다. 24V 리튬 배터리 충전기 정밀 전압 조절, 다단계 충전 알고리즘, 배터리 성능과 안전을 최적화하는 통신 프로토콜을 통해 리튬 이온 화학을 위해 특별히 설계되었습니다. 이러한 충전기 유형 간의 차이점을 이해하면 구매자가 전기 스쿠터부터 자재 취급 장비에 이르는 응용 분야에 대한 최적의 솔루션을 선택하는 데 도움이 됩니다.

표준 납산 충전기는 일반적으로 공칭 24V 시스템에서 흡수용으로 약 28.8V, 부동용으로 27.6V의 전압 설정점을 갖는 3단계 벌크, 흡수, 부동 알고리즘을 사용합니다. 이 알고리즘은 납축 배터리가 과충전을 허용하고 충전을 유지하기 위해 부동 단계가 필요하기 때문에 납축 배터리에 작동합니다. 리튬 배터리는 일반적으로 전류가 0.05C~0.1C로 떨어질 때 정전압 단계의 끝에서 정밀하게 종료되는 정전류 정전압 알고리즘이 필요합니다. 부동 충전은 필요하지 않으며 리튬 도금을 유발하여 리튬 배터리를 손상시킬 수 있습니다. 다음 표에는 24V 리튬 배터리 충전기와 표준 납산 충전기 간의 주요 차이점이 요약되어 있습니다.

업계 테스트에 따르면 전용 24V 리튬 배터리 충전기를 사용하면 납산 충전기를 사용하는 경우에 비해 리튬 배터리 수명이 30~50% 연장되는 것으로 확인되었습니다. 배터리가 상당한 비용 구성 요소인 애플리케이션의 경우, 적절한 리튬 충전기에 대한 투자는 배터리 수명 연장을 통해 빠르게 회수됩니다.

리튬 배터리 충전 단계 및 알고리즘 이해

24V 리튬 배터리 충전기는 리튬 이온 화학을 위해 설계된 특정 충전 알고리즘을 사용합니다. 각 단계를 이해하면 구매자는 충전기가 특정 배터리 유형에 맞게 올바르게 구성되었는지 확인하는 데 도움이 됩니다.

정전류 단계는 충전의 첫 번째 단계로, 전압이 상승하는 동안 충전기가 배터리에 고정 전류를 전달합니다. 24V 리튬 배터리 시스템의 경우 일반적인 정전류 값은 배터리 사양 및 충전기 용량에 따라 0.5C~1.0C 범위입니다. 예를 들어, 0.5C에서 충전된 20암페어 시간 배터리는 이 단계에서 10암페어를 수신합니다. 정전류 단계는 배터리 전압이 최대 충전 전압 설정점(일반적으로 리튬 철 인산염 또는 LFP 화학의 경우 29.2V, 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 또는 NMC 화학의 경우 29.4V)에 도달할 때까지 계속됩니다. 이 단계에서는 전체 충전량의 약 70~80%가 전달됩니다.

배터리가 최대 충전 전압에 도달하면 정전압 단계가 시작됩니다. 충전기는 이 전압을 유지하는 반면 배터리가 완전 충전에 가까워짐에 따라 전류는 점차 감소합니다. 전류 감소는 일정한 전류 값에서 시작하여 배터리가 포화됨에 따라 0을 향해 떨어지는 지수 곡선을 따릅니다. 건강한 리튬 배터리의 경우 정전압 단계는 일반적으로 0.5C 충전 속도에서 15~30분 동안 지속됩니다. 지속 시간은 배터리 수명, 온도, 초기 충전 상태에 따라 달라집니다. 이 단계에서 배터리는 용량의 나머지 20~30%를 받습니다.

충전 전류가 미리 설정된 임계값(일반적으로 배터리 용량의 0.05C~0.1C) 아래로 떨어지면 종료가 발생합니다. 20암페어 시간 배터리의 경우 종단 전류는 1.0~2.0암페어입니다. 종료 시 충전기는 전류 공급을 완전히 중단해야 합니다. 리튬 배터리에는 플로트 스테이지가 필요하지 않습니다. 연속 플로트 전압을 적용하면 양극에 리튬 도금이 발생하여 용량이 영구적으로 감소하고 안전 위험이 발생합니다. 고품질 24V 리튬 배터리 충전기는 배터리 전압이 재충전 임계값(일반적으로 26.0~27.0V) 아래로 떨어질 때까지 완전히 차단되거나 출력 전압 없이 대기 모드로 들어갑니다.

온도 보상은 극한 환경에서 리튬 충전을 위한 중요한 기능입니다. 리튬 배터리는 납축전지와 같은 수준의 온도 보상이 필요하지 않지만, 리튬 도금을 방지하려면 10도 이하의 저온에서는 충전 전압을 낮추고, 열화를 방지하려면 45도 이상의 고온에서는 충전 전압을 낮추어야 합니다. 프리미엄 충전기에는 배터리에 장착되어 그에 따라 충전 매개변수를 조정하는 온도 센서가 포함되어 있습니다. 충전기와 배터리가 동일한 환경에 있는 애플리케이션의 경우 주변 온도 보상으로 충분할 수 있습니다.

통신 프로토콜 및 스마트 충전 기능

최신 24V 리튬 배터리 충전기에는 충전기가 배터리 관리 시스템 또는 BMS와 데이터를 교환할 수 있는 통신 프로토콜이 통합되어 있습니다. 이 스마트 충전 기능은 기존 충전기로 가능한 것 이상으로 성능과 안전성을 최적화합니다.

CAN 버스 통신은 산업 및 전기 자동차 애플리케이션을 위한 가장 일반적인 프로토콜입니다. 충전기는 차량의 컨트롤러 영역 네트워크에 연결되어 BMS로부터 배터리 전압, 전류, 온도, 충전 상태, 최대 허용 충전 전류 등의 실시간 데이터를 수신합니다. 충전기는 이 데이터를 기반으로 출력 매개변수를 조정하여 배터리가 너무 뜨겁거나 차가우면 충전 전류를 줄이고 셀이 전압 제한을 초과하면 충전을 종료합니다. 또한 CAN 버스 통신을 통해 원격 모니터링 및 차량 관리가 가능하므로 운영자는 중앙 위치에서 여러 차량의 충전 상태를 추적할 수 있습니다.

SMBus 또는 시스템 관리 버스 통신은 전동 공구, 전자 자전거 및 휴대용 장비를 포함한 소형 배터리 시스템에 일반적으로 사용되는 2선 프로토콜입니다. SMBus는 CAN 버스와 유사한 기능을 제공하지만 데이터 속도가 더 낮고 배선이 더 간단합니다. 충전기와 배터리는 전압, 전류, 온도 및 제조업체 데이터에 대한 정보를 교환합니다. SMBus는 또한 배터리 인증을 지원하여 안전 위험을 초래할 수 있는 위조 또는 호환되지 않는 배터리의 사용을 방지합니다. 수출 애플리케이션의 경우 지역 안전 표준을 준수하기 위해 SMBus 호환성이 필요한 경우가 많습니다.

일부 제조업체에서는 승인된 충전기와 배터리만 함께 작동하는 폐쇄형 시스템을 만들기 위해 독점 통신 프로토콜을 사용합니다. 이러한 프로토콜은 제조업체별 명령 세트가 있는 RS485 또는 RS232와 같은 표준 물리적 계층을 기반으로 할 수 있습니다. 독점 프로토콜을 통해 제조업체는 충전 환경을 제어하고 안전이나 성능을 저하시킬 수 있는 인증되지 않은 타사 장비의 사용을 방지할 수 있습니다. OEM 고객의 경우 맞춤형 충전기 솔루션을 제공하는 제조업체를 포함한 많은 제조업체가 브랜드 요구 사항에 맞는 독점 프로토콜을 개발합니다.

LED 상태 표시기는 디지털 프로토콜이 없는 충전기에서도 기본적인 통신을 제공합니다. 표준 표시기에는 전원 켜짐, 충전 진행 중, 충전 완료 및 오류 상태가 포함됩니다. 보다 정교한 충전기는 다색 LED 또는 디지털 디스플레이를 사용하여 충전율, 전압, 전류, 온도 및 오류 코드를 표시합니다. CAN 버스 또는 SMBus 통합이 불가능한 애플리케이션의 경우 가시성이 높은 LED 표시기는 운영자에게 충전기를 안전하고 효과적으로 사용하는 데 필요한 정보를 제공합니다.

리튬 충전을 위한 안전 기능 및 보호 회로

납축 배터리와는 고장 모드가 다른 리튬 배터리를 충전할 때는 안전이 가장 중요합니다. 고품질 24V 리튬 배터리 충전기에는 위험한 상황을 방지하기 위해 여러 보호 회로가 통합되어 있습니다.

과전압 보호 기능은 충전기가 배터리의 최대 안전 전압을 초과하는 것을 방지합니다. 충전기 내부 전압 감지 회로에 오류가 발생하거나 배터리 연결이 끊어지면 과전압 보호 기능이 출력을 차단합니다. 중복 과전압 보호는 ​​하드웨어 및 소프트웨어 모니터링을 모두 사용하며 하드웨어 회로는 마이크로 컨트롤러와 독립적으로 최종 안전 장치 역할을 합니다. 과전압 트립 지점은 일반적으로 일반 최대 충전 전압보다 0.5~1.0V 높게 설정되어 배터리를 보호하는 동시에 마진을 제공합니다.

역극성 보호 기능은 충전기 출력이 양극 및 음극 연결이 반대인 배터리에 연결된 경우 손상을 방지합니다. 극성을 반대로 바꾸면 충전기와 배터리가 모두 손상되어 화재나 폭발이 발생할 수 있습니다. 보호 방법에는 역전류를 차단하지만 충전 효율을 감소시키는 직렬 다이오드, 역극성이 감지되면 출력을 차단하는 P 채널 MOSFET 또는 잘못된 연결을 방지하는 물리적 커넥터가 포함됩니다. 모바일 애플리케이션의 경우 역전을 방지하기 위해 물리적으로 고정된 Anderson Powerpole 또는 XT 시리즈 커넥터와 같은 커넥터 설계가 권장됩니다.

단락 보호는 양극 리드와 음극 리드가 함께 단락되는 경우 충전기 출력을 차단합니다. 이는 배터리 연결 중에 충전기 리드가 서로 접촉하거나 케이블 절연이 손상된 경우 발생할 수 있습니다. 단락 보호는 일반적으로 전류 감지를 사용하여 과도한 출력 전류를 감지한 다음 마이크로초 내에 출력을 차단합니다. 단락이 제거된 후 충전기는 애플리케이션에 따라 자동으로 재설정되거나 수동 재설정이 필요합니다. 신뢰성이 높은 애플리케이션의 경우 수동 재설정이 필요한 래칭 단락 보호가 선호됩니다. 이는 오류가 발생했음을 운영자에게 알리기 때문입니다.

열 보호 기능은 내부 충전기 온도를 모니터링하고 온도가 안전 한도를 초과하는 경우 출력 전력을 줄이거나 차단합니다. 충전기는 작동 중에, 특히 높은 출력 전류에서 열을 발생시킵니다. 충전기를 밀폐된 공간에 설치하거나 주변 온도가 높은 곳에서 작동할 경우 내부 부품이 과열되어 고장이나 화재가 발생할 수 있습니다. 열 보호는 스위칭 트랜지스터, 변압기 및 출력 정류기를 포함한 중요한 구성 요소에 서미스터를 사용합니다. 온도가 설정점(일반적으로 섭씨 85~100도)을 초과하면 충전기는 출력 전류를 줄이거나 온도가 정상화될 때까지 시간 제한이 있는 재시작 주기에 들어갑니다.

24V 리튬 배터리 충전기에 대한 애플리케이션별 선택

다양한 애플리케이션에는 특정 24V 리튬 배터리 충전기 구성이 필요합니다. 이러한 요구 사항을 이해하면 구매자가 장비 및 작동 조건에 맞는 충전기 사양을 선택하는 데 도움이 됩니다.

전기스쿠터와 전기자전거에는 작고 가벼운 충전기가 필수다. 출력 전류는 일반적으로 5~20암페어 시간 용량의 표준 배터리의 경우 2~5암페어 범위입니다. 충전기는 실외 사용을 위해 IP54 이상으로 밀봉되어야 하며 변형 방지 출력 케이블이 있어야 합니다. LED 상태 표시기는 표준이며 일부 모델에는 모바일 앱 모니터링을 위해 Bluetooth 연결이 추가되어 있습니다. 차량과 함께 판매되는 전기 자전거 충전기의 경우 XLR, RCA 또는 배럴 커넥터와 같은 일치하는 커넥터가 필요합니다. 유럽 ​​시장으로 수출하려면 충전기가 전력 보조 사이클에 대한 EN 15194를 준수해야 합니다.

자동 가이드 차량 및 팔레트 잭을 포함한 자재 취급 장비의 경우 충전기는 차량이나 전용 충전소에 통합되는 경우가 많습니다. 출력 전류는 시간당 40~200암페어 용량의 배터리의 경우 일반적으로 10~40암페어로 더 높습니다. CAN 버스 또는 기타 산업용 프로토콜을 사용하여 차량의 배터리 관리 시스템과 통신하는 것이 필수적입니다. 자재 취급 애플리케이션용 충전기는 세척 환경을 위한 IP65 이상의 밀봉 성능을 갖춰 견고해야 합니다. 고속 충전 애플리케이션의 경우 1C 이상의 속도를 지원하는 충전기를 사용할 수 있지만, 더 높은 충전 속도에서는 배터리 수명이 단축될 수 있습니다.

해양 및 RV 애플리케이션의 경우 24V 리튬 충전기는 염수 분무, 습기 및 진동을 견뎌야 합니다. 출력 전류는 일반적으로 100~300암페어 시간의 가정용 배터리 뱅크에 대해 10~30암페어 범위입니다. 여러 개의 배터리 뱅크를 독립적으로 충전할 수 있는 멀티 뱅크 충전기가 일반적입니다. 충전기는 연료 증기의 스파크 점화를 방지하기 위해 해양 응용 분야에 대한 점화 보호 장치를 갖추어야 합니다. RV 애플리케이션의 경우, 탑승자가 자고 있는 동안 충전기가 작동할 수 있으므로 자동으로 작동하는 충전기가 선호됩니다. 해양 설치의 경우 원격 패널이 있는 충전기를 사용하면 조종석이나 객실에서 모니터링할 수 있습니다.

태양광 충전 애플리케이션의 경우 광전지 입력용으로 설계된 24V 리튬 충전기를 최대 전력 지점 추적 또는 MPPT와 함께 사용할 수 있습니다. MPPT 알고리즘은 태양광 패널 출력 전압을 최적화하여 배터리로의 충전 전류를 최대화하여 표준 충전기에 비해 에너지 수확량을 20~30% 향상시킵니다. 태양광 충전기에는 과방전으로부터 배터리를 보호하기 위한 저전압 차단 기능과 조명 또는 기타 DC 부하를 관리하기 위한 부하 제어 출력이 포함되어 있습니다. 오프 그리드 시스템의 경우 발전기 시작 기능이 있는 충전기는 배터리 전압이 설정점 아래로 떨어지면 자동으로 백업 발전기를 시작합니다.