자동차 배터리 회로의 NTC 서미스터 신뢰성

전기 차량 배터리 관리 시스템에 유연 PCB를 사용할 경우 레이저 납땜으로 인한 기계적 응력 및 온도 변화로 인해 표면 실장 NTC 서미스터에 열 균열이 발생할 수 있으며, 이로 인해 감지하기 어려운 심각한 고장이 유발될 수 있습니다. 종단이 유연한 벌크 금속 산화 서미스터를 활용하여 부품 균열의 위험을 최소화할 수 있습니다.

전기 차량(EV) 시장이 급성장함에 따라 기술적인 과제와 이를 해결하기 위해 개발되는 혁신적인 제품도 함께 증가하고 있습니다. 설계 엔지니어는 배터리 기술, 전력 회로 효율성 및 고속 충전 솔루션을 개선하는 데 가장 중점을 두고 있습니다.

현재 EV에 가장 널리 사용되는 배터리 화학 물질은 단일 셀 전압이 3.6V ~ 3.7V인 리튬 이온입니다. 따라서 전체 전압이 500V ~ 900V인 전력 시스템을 구축하려면 직렬-병렬 설정에서 이러한 셀이 최대 수백 개 필요합니다. 또한 이렇게 많은 셀이 포함된 시스템의 성능을 최적화하려면 효율적인 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 온도, 임피던스(내부 셀 저항), 전압, 충전 및 방전 전류를 모니터링해야 합니다. 이러한 각각의 사양이 배터리 성능에 영향을 미칩니다.

BMS는 셀 관리 컨트롤러(CMC)와 마스터 중앙 장치 또는 배터리 관리 컨트롤러(BMC)로 구성됩니다. CMC는 다중 채널 집적 회로(IC)(현재 최대 16개 채널이 실장됨)를 사용하여 모니터링 기능을 수행하고, BMC는 개별 CMC의 제어 기능을 처리합니다. 이 유형의 시스템에서 측정되는 핵심 파라미터는 온도, 임피던스, 전압 및 전류입니다.

온도 측정을 구체적으로 살펴보면 반비례 온도 계수(NTC) 서미스터가 가장 일반적인 부품 솔루션입니다. 일반적으로 이러한 장치는 셀, 모듈 벽 또는 전기 연결부에 매우 가깝게 부착되어 '과열점'을 식별합니다. 서미스터 온도가 상승하면 부품의 큰 반비례 온도 저항 계수로 인해 전기 저항이 고감도 곡선으로 감소합니다. 온도는 IC에 통합된 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 통해 저항기-서미스터 네트워크의 전압을 측정하여 결정됩니다. 배터리의 적절한 기능과 시스템의 안전을 위해 정확한 온도 판독이 필수이며, 정밀한 온도 측정을 위해서는 NTC와 측정 회로 저항이 매우 중요합니다.

일반 표면 실장 NTC (이미지 출처: Vishay)

고전압 배터리 시스템은 조립된 배터리 구조를 감싸는 유연 회로에 배치된 20개 이상의 표면 실장 NTC 서미스터로 구성될 수 있습니다. 실장 기판이 FR4 PCB인 경우 이러한 부품을 리플로 또는 웨이브 납땜할 수 있습니다. 하지만 일부 유연 회로에서는 이러한 납땜 기술을 사용할 수 없으며, 대신에 다른 민감한 부품의 손상을 방지하기 위해 국소 가열을 통한 레이저 납땜을 사용합니다. 이 공정을 엄격하게 제어하지 않으면 세라믹 부품에 열 균열이 발생할 수 있습니다. 마찬가지로 조립 및 작동 중에 전체 배터리 시스템에 큰 기계적 응력이 발생할 수 있습니다. 여기서도 유연 회로 조립품은 부품 종단을 통해 비틀림 응력에 노출되거나 부품에 직접적인 압력이 가해져서 균열이 발생할 수 있습니다.

최소 4%의 납이 함유된 주석/납(SN/Pb) 도금 무광 마감 (이미지 출처: Vishay)

이러한 유형의 고장에는 다양한 요인이 작용하므로 감지하기 어렵고 예측 가능성이 낮습니다. 또한 다층 세라믹 커패시터 관련 문서에도 설명된 바와 같이, 실제 부품 고장(부품 균열)은 시스템이 배포되고 오랜 시간이 지난 후에도 나타날 수도 있습니다. 이러한 유형의 고장 또한 잠재적으로 매우 심각하여 교체/수리 비용이 많이 듭니다.

온도 변화에 따른 부품 균열 위험 또는 유연 PCB를 사용할 때 나타날 수 있는 기계적 응력을 완화하기 위해 Vishay NTCS 계열 서미스터에서는 소성 후막 소재 대신 니켈 주석 전기 도금 처리된 경화 에폭시 폴리머 종단을 가진 벌크 금속 산화 소재를 사용합니다. 이 솔루션의 유연한 종단 구조는 응력 테스트에서 여타 종단 소재보다 훨씬 뛰어난 성능을 보이며, 다층 구조 세라믹 부품에서 볼 수 있는 다른 제조업체의 유연한 종단 솔루션보다도 더욱 우수합니다.

유연 PCB 회로를 사용하는 배터리 관리 조립품에 가해지는 응력은 조립품마다 다를 수 있으므로, 비틀림 힘과 열응력을 흡수할 수 있는 유연한 종단 솔루션을 사용하면 현장 고장 가능성을 크게 줄여 신뢰성과 유효 수명을 개선할 수 있습니다.