납산 배터리 팩은 밸런싱을 유지할 경우 많은 혜택을 얻을 수 있다. 균형을 이룬 배터리 팩은 스택에서 가장 용량이 낮은 배터리 전압에 제한 받지 않고 배터리 지속 시간이 연장된다. 뿐만 아니라 배터리 수명 또한 연장돼 고장으로 인한 스택의 배터리 교체 비용을 줄일 수 있다. 리니어의 LTC3305에 의해 제공되는 완벽한 납산 밸런싱 솔루션은 최소의 설계 노력으로 배터리 팩을 밸런싱할 수 있게 한다.



납산 배터리는 다양한 산업 및 애플리케이션에 광범위하게 이용된다. 통신산업은 4개의 납산 배터리로 구성된 직렬 스택을 사용해 48 V 스택을 제공한다. 에너지 저장 솔루션(ESS)은 다양한 직렬 및 병렬 구성의 납산 배터리로 풍력, 태양광과 같은 재생가능 에너지원에 의해 발생된 에너지를 저장한다.

직렬 연결 납산 배터리는 무정전 전원장치(UPS)에 광범위하게 채택돼 주 전원의 전력공급이 중단될 때 백업 전원을 제공한다. 골프 카트나 기타 산업용 전기자동차는 주로 직렬 연결 납산 배터리 스택에 의해 구동된다.

위에서 언급한 모든 예에서 2개 이상의 납산 배터리가 직렬로 연결된다. 스택에서 하나의 납산 배터리가 손상되면, 배터리스택의 성능을 유지하기 위해 직렬 스택의 모든 납산 배터리를 교체해야 한다. 이는 상당한 비용을 유발한다.

배터리가 제조될 때 배터리는 품질과 최소 수명을 보장하고 다양한 표준을 만족하기 위해 에너지 용량, 유효 직렬저항(ESR, effective series resistance), 누설 전류 및 방전 사이클 수와 같은 파라미터에 대한 엄격한 규격을 따른다. 하지만, 이들 규격은 단일 배터리에만 적용된다. 배터리 규격에는 제조공정의 제한으로 인해 편차가 존재하며, 여러 개의 배터리를 직렬로 적층할 경우 이러한 규격은 더 이상 배터리 스택에 적용되지 않는다.

직렬 연결 배터리는 불균등한 누설 전류로 인해 시간이 지남에 따라 처음의 상태에서 벗어나고, 개별 배터리의 용량은 시간이 지나면서 달라질 수 있다. 극한 동작조건과 잦은 방전 사이클은 이러한 문제를 더욱 악화시켜, 궁극적으로 스택에 있는 배터리중 하나가 손상될 수 있다. 이러한 경우 전체 배터리 스택을 쓰지 못하게 돼 스택의 모든 배터리를 교체해야 한다.



고장난 배터리 자체를 교체한다고 문제가 해결되는 것은 아니다. 교체 후에도 배터리 특성은 스택 내의 배터리와 매우 달라 스택고장이 재발하게 되기 때문이다. 이러한 문제는 납산 배터리에만 해당되지 않으며 모든 화학전지로 구성되는 배터리 스택에 해당된다.

대부분의 직렬 연결 배터리 스택에서는 스택의 최고치에 있는 전압만 측정되며, 스택에 있는 모든 배터리가 정합된다. 따라서 전하를 균등하게 공유한다고 가정된다.

그림 1은 스택의 최고 전압이 53.2 V로 프로그래밍되지만, 개별 배터리 전압은 알 수 없으며 모든 배터리가 13.6 V라고는 볼 수 없는 하나의 상황을 보여준다. 스택에 있는 모든 배터리가 전하를 균등하게 공유하지 않아 배터리 중 하나가 저충전 상태에 있는 동안 스택의 일부 배터리는 심각하게 과충전될 수 있다. 납산 배터리의 과충전과 저충전은 모두 배터리 수명을 단축시킨다.

납산 배터리 과충전이 발생하면 전해액 중의 물이 산소와 수소 가스로 분해돼 배터리 내의 전해액 비중을 낮아지게 한다. 이것은 두 가지 영향을 미친다.

전해액의 황산 농도를 증가시켜, 배터리 판을 손상시키고 배터리 수명을 단축시킨다. 더욱이, 전해액 비중이 낮아지기 때문에 배터리 판의 일부가 공기에 노출됨으로써 배터리 판의 산화를 초래하고 배터리용량을 줄어들게 한다.

밀폐형 납산 배터리(SLA)와 젤배터리는 손실된 모든 전해액을 대체할 수 없기 때문에 특히 과충전에 약하다. 납산 배터리 저충전은 배터리판을 황산화시켜 황산과 배터리판의 상호작용으로 납 표면에 결정을 형성한다.

이는 배터리가 완전 충전을 받아들일 수 있는 능력을 저하시키고, 저충전으로 인해 더욱 악화되며, 조기 배터리 고장으로 이어질 수 있다.
배터리 스택 수명을 증가시키려면 스택의 개별적인 배터리에 대한 밸런싱이 필요하다. 기존의 방법은 납산 배터리 직렬 스택을 과충전해 스택 내의 개별 배터리 밸런싱을 달성하는 것으로, 이론적으로는 배터리 수명을 연장하는데 도움을 주지만, 이 방법에는 결함이 있다.

스택의 모든 배터리가 동일한 전압에 있도록 보장하는 유일한 방법은 과충전된 배터리에서 넘어선 전하를 방출해 저충전된 배터리에 여분의 전하를 제공하는 밸런싱 솔루션을 이용하는 것이다. 효율적인 배터리 밸런싱 솔루션은 균형을 이루는 배터리 스택을 달성하기 위해 하나의 배터리에서 다른 배터리로 전하를 이동하는데 사용할 수 있는 스위치 네트워크를 필요로 한다. 제어회로는 복잡하며 디스크리트 구현은 방대하고 많은 비용이 든다. LTC3305 납산 배터리 밸런서는 직렬 연결된 스택의 개별적인 배터리를 상호 밸런싱할 수 있게 하는 업계 최초의 유일한 능동 납산 밸런서다.



그림 2a는 단일 LTC3305를 사용해 4개의 직렬 연결된 납산배터리를 밸런싱하는 애플리케이션을 보여준다. 스택의 각 배터리는 개별적으로, 그리고 순차적으로 LTC3305에 의해 제어되는 10개의 외부 로우 RDS(ON)NMOS 트랜지스터 네트워크를 사용하는 보조 셀과 병렬 연결된다. 만약 전압이 다르면, 전류는 개별 배터리와 보조 셀의 전압 같아질 때까지 적절한 방향으로 흐른다. 그런 후에 LTC3305는 스택의 다음 배터리와 통신한다. 이러한 순서(1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4)는 스택의 모든 배터리와 보조 셀의 전압이 지정된 임계값 내에서 균등해질 때까지 계속된다(그림 2b의 곡선). 모든 연결에서 흐르도록 허용된 최대 전류량은 외부 양의 온도 계수(PTC) 서미스터 소자에 의해 제한된다.

LTC3305는 MODE 핀과 4개의 종료 임계값을 통해 프로그래밍할 수 있는 두 가지 동작 모드를 제공하며, 종료 임계값은 TERM1 및 TERM2 핀을 통해 프로그래밍할 수 있다. LTC3305는 또한 배터리 전압을 모니터링 하는 과전압 및 저전압 비교기를 내장하고 있어, 배터리 전압이 프로그래밍된 임계값을 넘어서면 오류를 보고한다. 저전압 및 과전압 임계값은 ISET 핀과 함께 각각 VL및 VH 핀을 사용해 프로그래밍할 수 있다.



4개 이상의 직렬 연결된 납산 배터리로 구성된 배터리 스택을 밸런싱하기 위해 여러 개의 LTC3305 디바이스를 적층할 수 있다. 그림 3은 3개의 LTC3305 디바이스를 사용해 배터리 스택에서 최대 10개의 배터리를 밸런싱하는 것을 보여준다. 각 LTC3305는 밸런싱 동작을 위해 자체적인 보조 셀을 필요로 한다.

LTC3305를 사용해 납산 배터리를 밸런싱하는 것은 또 다른 이점을 제공한다. 그림 4에서 보듯이 저전압 회로는 배터리 스택에 불균형을 초래하지 않고도 중간 스택 노드로부터 전력을 공급받을 수 있다. 이는 디스크리트 부품과 IC 비용이 정격 전압과 비례해 증가하기 때문에 솔루션 비용을 낮추는 데 도움을 준다. 보조 셀의 용량은 스택 용량을 보충하므로 배터리 지속 시간을 연장시켜준다.




결론적으로, 납산 배터리 팩은 밸런싱을 유지할 경우 많은 혜택을 얻을 수 있다. 균형을 이룬 배터리 팩은 스택에서 가장 용량이 낮은 배터리 전압에 제한 받지 않고 배터리 지속 시간이 연장된다. 뿐만 아니라 배터리 수명 또한 연장돼 고장으로 인한 스택의 배터리 교체 비용을 줄일 수 있다.
LTC3305에 의해 제공되는 완벽한 납산 밸런싱 솔루션은 최소의 설계 노력으로 배터리 팩을 밸런싱할 수 있게 한다.
 

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