임시배터리 충전과정에 대한 이해, 임시배터리 아래 스펙 제품을 기준으로 충전 과정에 대해서 이해해보자. 단순히 5V를 배터리에 직접 넣는 것은 아니다. 제품 내부에서 USB 5 V → 충전 IC → Li-ion CC/CV 충전 → 1S4P 셀 순으로 진행됩니다.
- 셀: 3.7 V / 2,600 mAh × 4
- 구성: 1S4P (즉, 4개 셀을 병렬을 연결해놨다고 가정)
- 배터리팩: 약 3.7 V / 10,400 mAh
- 에너지: 약 38.5 Wh
- 외부 충전 입력: USB 계열 5 V라고 가정
- 배터리: 일반적인 1S Li-ion, 완충전압 4.2 V 계열이라고 가정
1. 전체 충전 구조
제품 내부를 단순화하면 다음과 같습니다.
USB 충전기
│
│ 5 V
▼
┌─────────────────┐
│ USB-C / 입력부 │
└────────┬────────┘
│
▼
┌─────────────────┐
│ 보호/입력회로 │
│ OVP / OCP / ESD │
└────────┬────────┘
│
▼
┌─────────────────┐
│ Li-ion Charger │
│ IC │
│ │
│ CC / CV │
└────────┬────────┘
│
│ 약 4.2 V
▼
┌─────────────────┐
│ 1S4P │
│ │
│ 3.7 V nominal │
│ 10,400 mAh │
└─────────────────┘핵심은 USB 5 V가 배터리에 직접 들어가지 않는다는 것입니다.
2. Step 1 — 충전기를 연결한다
예를 들어 충전기를 연결합니다.
충전기
5 V / 2 A
│
▼
USB-C
│
▼
제품충전기는 5 V를 공급합니다.
여기서 중요한 것은:
5 V는 배터리 충전전압이 아닙니다.
배터리는 1S Li-ion이므로 완충전압은 일반적으로 약 4.2 V입니다.
따라서:
USB 입력
5 V
│
▼
충전 IC
│
▼
배터리
최대 약 4.2 V로 변환해야 합니다.
3. Step 2 — 제품이 충전기의 능력을 확인한다
USB-C PD/PPS 제품이라면 여기서 조금 더 복잡해집니다.
충전기와 제품이 통신하여:
"당신은 어떤 전압/전류를 공급할 수 있는가?"
를 확인합니다.
예를 들어 충전기가:
5 V / 3 A
9 V / 3 A
12 V / 2.5 A
PPS ...등을 지원할 수 있습니다.
제품은 자신에게 필요한 조건을 선택합니다.
다만 제품 내부의 1S4P 배터리를 충전한다고 해서 반드시 PD/PPS가 필요한 것은 아닙니다.
제품이 단순한 5 V 입력 충전기라면:
충전기
5 V
│
▼
충전 IC만으로 충전할 수 있습니다.
4. Step 3 — 충전 IC가 5 V를 배터리 충전용 전력으로 변환한다
여기서 충전 IC가 핵심입니다.
USB:
5V5V
를 입력받아서 배터리 충전에 적합한 전압/전류로 제어합니다.
USB 5 V
│
▼
┌───────────────┐
│ Battery │
│ Charger IC │
│ │
│ CC / CV │
│ Current limit │
│ Temperature │
│ Protection │
└───────┬───────┘
│
▼
1S4P Battery여기서 충전 IC가 CC/CV 충전 프로파일을 수행합니다.
5. Step 4 — 처음에는 CC(Constant Current)
배터리가 많이 방전되어 있다고 합시다.
예를 들어 배터리 전압이:
3.2V3.2V
정도라고 해보겠습니다.
충전 IC는 일정한 충전전류를 흘립니다.
예를 들어:
2A2A
라고 가정하면:
5 V USB
│
▼
충전 IC
│
│ 약 2 A
▼
1S4P Battery
3.2 V배터리 전압은 충전되면서 점점 올라갑니다.
3.2 V
↓
3.3 V
↓
3.5 V
↓
3.7 V
↓
3.9 V
↓
4.1 V이 구간이 CC(Constant Current) 영역입니다.
6. 왜 1S4P인데 충전전류가 2 A인가?
여기서 1S4P의 장점이 나타납니다.
셀 하나가 2,600 mAh이고 4개가 병렬이므로 전체 용량은:
10,400mAh10,400mAh
입니다.
만약 충전전류가 2 A라면 전체 배터리 기준 C-rate는:
2A10.4Ahfrac{2A}{10.4Ah}≈0.192Capprox0.192C
즉 약 0.19C입니다.
각 셀에 이상적으로 균등하게 분배된다면:
2A4=0.5Afrac{2A}{4} = 0.5A
정도가 각 셀에 흐릅니다.
따라서 셀 하나 기준으로:
0.5A2.6Ah≈0.19Cfrac{0.5A}{2.6Ah} approx0.19C
입니다.
7. Step 5 — 배터리 전압이 4.2 V에 접근한다
충전이 계속되면 배터리 전압이 올라갑니다.
예:
3.2 V
3.4 V
3.6 V
3.8 V
4.0 V
4.1 V
4.2 V1S Li-ion의 일반적인 완충전압이 약:
4.2Vboxed{4.2V}
이므로 충전 IC는 이 전압을 넘지 않도록 제어합니다.
8. Step 6 — CV(Constant Voltage)로 전환
배터리 전압이 4.2 V에 도달하면 충전방식이 바뀝니다.
처음에는:
CC
전류 일정
2 A
│
│
▼
배터리 전압 상승이었다면,
4.2 V 근처에서는:
CV
전압 일정
4.2 V
│
│
▼
충전전류 감소가 됩니다.
예를 들어:
2.0 A
↓
1.5 A
↓
1.0 A
↓
0.5 A
↓
0.2 A
↓
0.1 A처럼 충전전류가 점점 감소합니다.
9. Step 7 — 충전 종료
충전전류가 충분히 낮아지면 충전 IC가:
"배터리가 거의 완충되었다."
고 판단하고 충전을 종료하거나 매우 낮은 유지 수준으로 관리합니다.
즉 전체 과정은:
CC CV
│ │
│ │
▼ ▼
전류 일정 전압 일정
│ │
│ │
▼ ▼
전압 상승 전류 감소
│ │
└─────────┬──────────────┘
│
▼
충전 종료입니다.
10. 그렇다면 5 V / 2.1 A 출력과 충전은 같은 회로인가?
반드시 같은 회로는 아닙니다.
이 제품은 배터리에서 USB로 전력을 꺼낼 때와 USB에서 배터리로 전력을 넣을 때 서로 다른 전력변환 기능이 필요합니다.
방전
Battery
3.7 V
│
▼
Boost Converter
│
▼
5 V / 2.1 A USB충전
USB
5 V
│
▼
Li-ion Charger
│
▼
1S4P Battery
약 4.2 V max즉 방향이 반대입니다.
11. 전체 제품을 보면
제품 내부에는 개념적으로 다음 기능들이 들어갑니다.
USB-C
│
┌──────┴──────┐
│ │
충전 방향 방전 방향
│ │
▼ ▲
┌────────────┐ ┌────────────┐
│ Charger IC │ │Boost │
│ CC / CV │ │Converter │
└─────┬──────┘ └──────┬─────┘
│ │
└───────┬───────┘
│
▼
┌──────────┐
│ 1S4P │
│ Battery │
│ 3.7 V │
│ 10,400mAh│
└──────────┘12. 충전할 때 에너지 흐름
충전기에서 5 V / 2 A를 공급한다고 가정하면:
PUSB=5V×2AP_{USB}=5Vtimes2A=10W=boxed{10W}
입니다.
충전 IC 효율이 예를 들어 90%라고 하면 배터리로 들어가는 실제 전력은 대략:
10W×0.9=9W10Wtimes0.9 = 9W
정도입니다.
배터리가 약 3.7 V라면 평균적으로:
Ibattery≈9W3.7VI_{battery} approx frac{9W}{3.7V}≈2.43Aapprox2.43A
정도의 충전전류가 가능하지만, 실제 충전전류는 충전 IC가 설정한 최대 충전전류와 배터리 상태에 의해 결정됩니다.
따라서 5 V / 2 A 충전기를 연결했다고 해서 반드시 배터리에 2.43 A가 들어가는 것은 아닙니다.
13. 실제로는 충전기가 결정하는 것이 아니라 충전 IC가 결정한다
이 부분이 중요합니다.
예를 들어:
충전기
5 V / 3 A 가능
│
▼
제품
충전 IC 최대 2 A
│
▼
배터리라면 배터리 충전은 2 A 이하로 이루어집니다.
반대로:
충전기
5 V / 1 A
│
▼
제품
충전 IC 최대 2 A
│
▼
배터리라면 충전기에서 공급할 수 있는 전력이 부족하므로 실제 충전전류는 그보다 낮아질 수 있습니다.
즉:
충전전류=충전기능력, 충전IC설정, 배터리상태boxed{ 충전전류 = 충전기 능력, 충전IC 설정, 배터리 상태 }
의 영향을 받습니다.
14. 이 제품에서 가장 중요한 충전 경로
결국 지금 제품은 다음과 같이 이해하면 됩니다.
충전
[AC 220 V]
│
▼
[USB 충전기]
│
│ 5 V
▼
[USB-C 입력]
│
▼
[충전 IC]
│
│ CC/CV
▼
[1S4P Battery]
│
│
├─ 3.7 V nominal
├─ 10,400 mAh
└─ 약 38.5 Wh방전
[1S4P Battery]
│
│ 3.x~4.2 V
▼
[Boost Converter]
│
│ 5 V
▼
[USB Output]
│
└─ 최대 2.1 A15. 한 단계 더 중요한 것: 1S4P에서는 셀 밸런싱이 어떻게 되는가?
여기서는 4개 셀이 병렬이므로 4S 배터리처럼 별도의 셀 간 직렬 밸런싱을 하는 구조가 아닙니다.
1S4P
Cell 1 ─┐
Cell 2 ─┤
Cell 3 ─┼── 같은 전압
Cell 4 ─┘4개 셀은 같은 병렬 노드에 연결되어 있기 때문에 전압은 기본적으로 동일하게 됩니다.
다만 각 셀의 내부저항, 초기 SOC, 용량 등이 다르면 전류분배가 완전히 동일하지 않을 수 있습니다.
그래서 실제 제품에서는 셀 매칭과 보호회로가 중요합니다.
16. 최종적으로 하나의 그림으로 이해하면
충전
│
▼
┌─────────────┐
│ USB Charger │
│ 5 V │
└──────┬──────┘
│
▼
USB-C INPUT
│
▼
┌───────────────┐
│ CHARGER IC │
│ │
│ CC → CV │
│ │
│ 5 V → 4.2 V │
└───────┬───────┘
│
▼
┌─────────────────────┐
│ 1S4P │
│ │
│ 3.7 V nominal │
│ 10,400 mAh │
│ ≈ 38.5 Wh │
└─────────┬───────────┘
│
│ 방전
▼
┌───────────────┐
│ BOOST DC-DC │
│ │
│ 3.x~4.2 V │
│ ↓ │
│ 5 V │
└───────┬───────┘
│
▼
USB OUTPUT
5 V / 2.1 A
≈ 10.5 W핵심만 압축하면
충전할 때
5VUSB→충전IC→CC/CV→4.2V1S→1S4Pboxed{ 5V_{USB} rightarrow 충전IC rightarrow CC/CV rightarrow 4.2V_{1S} rightarrow 1S4P }
방전할 때
3.7V1S4P→Boost DC/DC→5V→2.1Aboxed{ 3.7V_{1S4P} rightarrow Boost DC/DC rightarrow 5V rightarrow 2.1A }
즉 충전 시에는 5 V를 배터리의 Li-ion 충전 프로파일에 맞게 제어하고, 방전 시에는 배터리의 3.x~4.2 V를 Boost Converter로 5 V로 승압하는 양방향의 서로 다른 전력 경로가 있다고 이해하면 됩니다.