구성은 배터리가 얻는 이점을 결정합니다: 셀을 직렬로 연결하면 총 전압이 증가하고, 병렬로 연결하면 암페어시(Ah) 용량이 증가합니다. 2V 셀 3개를 직렬로 연결하면 약 6V가 생성되는 반면, 동일한 2V, 10Ah 셀 3개를 병렬로 연결하면 전압은 약 2V로 유지되지만 30Ah를 제공합니다. 실제 실험실 조립에서는 셀 매칭, 접촉 저항, 밸런싱이 측정된 성능이 이러한 이론적 값에 얼마나 근접하는지를 결정합니다.
직렬은 전압을 더하고, 병렬은 용량을 더합니다. 직렬 용량은 사실상 가장 약한 셀에 의해 제한되며, 병렬 그룹은 셀이 적절하게 매칭되었을 때 전류를 공유하고 Ah 정격을 합산합니다.
직렬 연결이 배터리 성능을 변화시키는 방법
직렬 셀은 전압을 증가시킵니다
직렬 연결은 한 셀의 양극 단자를 다음 셀의 음극 단자에 연결합니다. 이때 셀 전압이 합산됩니다:
- 2V 셀 3개 직렬 연결: 약 6V
- 3.7V 셀 4개 직렬 연결: 약 14.8V 공칭 전압
정확한 작동 전압은 셀 화학 성분, 충전 상태, 부하 및 온도에 따라 달라집니다.
직렬은 용량을 더하지 않습니다
직렬로 연결된 동일한 셀의 경우, 팩의 Ah 용량은 셀 하나와 거의 동일하게 유지됩니다.
예를 들어, 3.7V, 10Ah 셀 4개를 직렬로 연결하면 다음과 같은 결과가 생성됩니다:
- 14.8V
- 10Ah
- 148Wh 공칭 에너지
직렬 스트링은 더 높은 전압을 전달할 수 있지만, Ah 용량이 4배가 되지는 않습니다.
가장 약한 셀이 스트링을 제한합니다
실제 직렬 스트링에서 사용 가능한 용량은 충전 중 상한 전압에 먼저 도달하거나 방전 중 하한 전압에 먼저 도달하는 셀에 의해 결정됩니다.
따라서 용량이 낮거나 내부 저항이 높거나 충전 상태가 다른 셀은 전체 스트링의 사용 가능한 에너지를 감소시킬 수 있습니다.
병렬 연결이 배터리 성능을 변화시키는 방법
병렬 셀은 용량을 증가시킵니다
병렬 연결은 양극 단자끼리, 음극 단자끼리 연결합니다. 전압은 셀 하나와 거의 동일하게 유지되면서 용량이 합산됩니다:
- 2V, 10Ah 셀 3개 병렬 연결: 약 2V, 30Ah
- 3.7V, 5Ah 셀 2개 병렬 연결: 약 3.7V, 10Ah
병렬 셀은 부하 전류를 공유할 수 있어 더 높은 전류 성능이 필요할 때 유용합니다.
병렬 연결은 유효 저항을 감소시킵니다
잘 매칭된 셀의 경우, 셀을 병렬로 연결하면 전류가 여러 전도 경로로 분산되기 때문에 그룹의 유효 내부 저항이 감소합니다.
이는 부하 시 전압 안정성을 향상시키고 가용 전력을 증가시킬 수 있지만, 셀 저항이 다르면 전류 공유가 불균일해질 수 있습니다.
직병렬 조립은 두 효과를 모두 결합합니다
배터리 모듈은 종종 P × S 또는 S × P로 표기되는 직병렬 구조를 사용합니다.
예를 들어, 10Ah 셀을 사용하는 5P95S 구성은 다음과 같은 성능을 제공합니다:
- 병렬 5개 셀: 병렬 그룹당 50Ah
- 직렬 95개 그룹: 셀 전압 95개와 동일한 전압
- 공칭 전압 약 3.2V인 LFP 셀의 경우: 약 304V 및 50Ah
병렬 수는 용량과 전류 공유 능력을 설정하고, 직렬 수는 전압을 설정합니다.
실험실 조립에서의 의미
먼저 전기적 목표를 정의하십시오
원하는 시스템 전압에 따라 직렬로 연결할 셀 또는 그룹의 수가 결정됩니다. 필요한 Ah 용량과 전류 성능에 따라 병렬로 배치할 셀의 수가 결정됩니다.
이러한 구분은 설계를 평가하기 쉽게 만듭니다:
- 직렬 수: 전압 제어
- 병렬 수: Ah 용량 및 전류 공유 제어
- 셀 화학 성분: 공칭 전압, 작동 한계 및 충전 요구 사항 결정
연결 전 셀을 매칭하십시오
동일한 직병렬 조립에 사용되는 셀은 다음 사항이 긴밀하게 매칭되어야 합니다:
- 용량
- 초기 전압
- 충전 상태
- 내부 저항
- 온도 특성
균일한 전극 코팅, 일관된 압착 밀도, 신뢰할 수 있는 단자 부착 및 반복 가능한 밀봉은 셀 간의 변동을 줄이는 데 도움이 됩니다.
각 셀을 개별적으로 측정하십시오
실험실 테스트 시스템은 공칭 사양에만 의존하지 말고 조립 전에 셀의 특성을 파악해야 합니다.
유용한 측정 항목은 다음과 같습니다:
- 제어된 충방전 중 용량
- 개방 회로 또는 초기 전압
- 내부 저항
- 온도 응답
- 사이클링 동작
개별 테스트를 통해 직렬 스트링의 제한 요소가 되거나 병렬 그룹에서 불균일한 전류 공유를 유발할 수 있는 셀을 식별합니다.
물리적 및 전기적 접촉 품질을 제어하십시오
조립 고정 장치, 프레스, 압착기 및 연결 하드웨어는 일관된 기계적 압력과 저저항 전기 접촉을 유지해야 합니다.
불량하거나 일관되지 않은 접촉은 셀 자체의 문제로 오인될 수 있는 저항을 유발하여 전력, 효율성, 발열 및 용량 측정을 왜곡할 수 있습니다.
에너지와 전력이 변화하는 이유
공칭 에너지는 거의 합산됩니다
배터리 에너지는 다음과 같이 추정할 수 있습니다:
[ \text{에너지 (Wh)} \approx \text{전압 (V)} \times \text{용량 (Ah)} ]
셀을 직렬로 배치하든 병렬로 배치하든, 동일한 수의 동일한 셀을 추가하면 거의 동일한 공칭 총 에너지가 생성됩니다. 배치는 그 에너지가 더 높은 전압으로 나타날지, 더 높은 용량으로 나타날지를 결정합니다.
실제 사용 가능한 에너지는 전압 한계, 저항, 온도, 밸런싱 및 작동을 먼저 제한하는 셀에 따라 달라집니다.
직렬은 고전압 시스템에 유리합니다
직렬 배치를 사용하면 특정 전력 수준에서 매우 높은 전류를 요구하지 않고도 시스템이 목표 전압에 도달할 수 있습니다.
이유:
[ \text{전력 (W)} = \text{전압 (V)} \times \text{전류 (A)} ]
절연, 스위칭, 측정 및 안전 시스템이 해당 전압에 맞게 설계된 경우, 더 높은 전압은 동일한 전력에 필요한 전류를 줄일 수 있습니다.
병렬은 더 높은 전류 성능에 유리합니다
병렬 그룹은 Ah 용량을 증가시키고 전류가 셀 전체에 공유되도록 합니다. 이는 부하 시 각 개별 셀의 전압 강하와 발열을 줄일 수 있습니다.
그러나 전류 공유는 셀과 상호 연결부의 저항 및 전기적 상태가 충분히 유사할 때만 신뢰할 수 있습니다.
트레이드오프 이해하기
직렬 스트링은 밸런싱과 모니터링이 필요합니다
직렬 연결된 셀은 자동으로 동일한 충전 상태를 유지하지 않습니다. 충전 중에는 전압이 가장 높거나 SoC가 가장 높은 셀이 먼저 상한에 도달할 수 있고, 방전 중에는 가장 약한 셀이 먼저 하한에 도달할 수 있습니다.
적절한 모니터링과 밸런싱이 없으면 충전기나 부하가 조기에 멈춰 다른 셀에 사용 가능한 에너지가 남게 됩니다.
병렬 그룹은 불균일한 전류 공유를 겪을 수 있습니다
병렬 셀은 전기적으로 공통 전압에 연결되어 있지만 전류를 동일하게 공유하지 않을 수 있습니다. 내부 저항, 온도, 충전 상태 또는 연결 저항의 차이로 인해 한 셀이 다른 셀보다 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있습니다.
따라서 셀은 매칭되어야 하며 제어된 저저항 상호 연결부로 연결되어야 합니다.
셀이 많을수록 복잡성이 증가합니다
더 큰 직병렬 조립은 더 많은 연결, 더 많은 측정 지점 및 더 많은 조립 결함 가능성을 수반합니다.
고전압 모듈은 또한 적절한 절연, 결함 감지, 릴레이 제어, 열 모니터링 및 안전한 테스트 절차가 필요합니다.
공칭 값을 작동 한계로 사용하지 마십시오
셀의 공칭 전압은 편리한 정격일 뿐, 전체 충전 또는 방전 범위를 의미하지 않습니다. 실험실 프로토콜은 선택한 화학 성분 및 셀 설계에 지정된 전압, 전류, 온도 및 차단 한계를 사용해야 합니다.
다중 셀 리튬 이온 시스템의 경우, 배터리 관리 시스템(BMS)은 일반적으로 개별 셀 전압 및 온도 감지, 전류 측정, 충전 상태 추적, 결함 경보 및 적절한 보호 제어가 필요합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
전기적 요구 사항과 셀 및 테스트 장비의 한계에 따라 구성을 선택하십시오.
- 주요 초점이 더 높은 시스템 전압인 경우: 매칭된 셀 또는 병렬 그룹을 직렬로 연결한 다음, 각 직렬 셀 또는 그룹의 전압 및 충전 상태 불균형을 모니터링하십시오.
- 주요 초점이 더 높은 용량 또는 전류 성능인 경우: 매칭된 셀을 병렬로 연결하고, 저저항 상호 연결부를 사용하여 균일한 전류 공유를 촉진하십시오.
- 주요 초점이 정의된 전압과 용량인 경우: 직병렬 설계를 사용하고, 직렬 수로 전압을, 병렬 수로 Ah 용량을 설정하십시오.
- 주요 초점이 신뢰할 수 있는 실험실 데이터인 경우: 셀을 개별적으로 특성화하고, 조립 압력과 접촉 저항을 제어하며, 제어된 열 및 전기 조건 하에서 완성된 모듈을 테스트하십시오.
직렬은 전압을 결정하고, 병렬은 용량을 결정하며, 철저한 셀 매칭은 조립된 배터리가 안전하고 예측 가능하게 작동하는지를 결정합니다.
요약 표:
| 구성 | 전압 | 용량 (Ah) | 영향 |
|---|---|---|---|
| 직렬 | 합산 (예: 3×2V = 6V) | 셀 하나와 동일 | 더 높은 전압, 가장 약한 셀에 의해 제한됨 |
| 병렬 | 셀 하나와 동일 | 합산 (예: 3×10Ah = 30Ah) | 더 높은 용량, 저항 감소, 밸런싱된 셀 필요 |
| 직병렬 | 직렬이 전압 설정 | 병렬이 용량 설정 | 맞춤형 전압 및 용량, 모니터링 및 밸런싱 필요 |
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