셀 밸런싱(Cell Balancing)

안녕하세요 이번 시간에는 배터리 셀 밸런싱(Cell Balancing)에 대하여 알아보겠습니다.


1. ‘셀 밸런싱(Cell Balancing)’ 이란?

리튬 이온 배터리가 사용 되면서 필요해진 기술로, 직렬 연결 된 배터리가 충전 또는 방전이 진행 될 때 전압의 차이를 최소화 하기 위한 기술 입니다. 배터리 팩 내부에는 적용 어플리케이션에 따라 수많은 셀 들이 직렬로 연결되어 있습니다.

‘BMS(Battery Management System)’의 제어에 따라 충전 또는 방전시 과충전과 과방전을 방지하게 됩니다. 이때 BMS는 직렬로 연결된 모든 전지의 전압 데이터를 받아 일을 수행하게 됩니다.

셀 직렬 연결
[출처:배터리 인사이드]
위 사진 처럼 하나의 셀이 ‘NCM’ 만충 기준 전압 4.2V를 달성하게 되면 충전을 중단하게 됩니다. 그럼 아직 4V까지만 충전된 전지는 만충 전압에 도달 하지 못하고 충전이 중단되게 됩니다.  배터리 팩의 충전과 방전 시 각 셀의 ‘내부 저항(IR)’이 다르기 때문에 전압 차이가 발생하게 됩니다. 이런 차이를 최소화 하기 위해 셀 간의 전압 차이를 조정하여 맞추는 것을 ‘셀 밸런싱’이라고 합니다.

셀 밸런싱 방법에는 크게 아래와 같이 두 가지 방법으로 나뉘게 됩니다.

  1. 수동형(Passive) 방식 : 셀 전압을 직접적으로 낮추기 위해 전지에 저항을 병렬로 연결하여 에너지를 소비 시키는 방법
  2. 능동형(Active) 방식 : 높은 전압의 에너지를 낮은 전압의 셀로 에너지를 이동 시키는 방법

2. 수동형(Passive) 셀 밸런싱

수동형 셀 밸런싱 방식은 배터리 충전 중 셀 간 일정량 이상의 전압 차이가 발생하게 되면 높은 전압을 가진 셀의 에너지를 병렬 연결된 저항에 열 에너지로 날려 버리는 방법입니다. 만들기가 쉽고 제작 비용이 낮아 경제적이지만 에너지를 버리는 작업이기 때문에 효율이 다소 떨어지는 방식 입니다. 하지만 생산성과 경제성을 고려해 현재 가장 많이 쓰이는 방식 입니다.

수동형 셀 밸런싱
[출처:배터리 인사이드]

3. 능동형(Active) 셀 밸런싱

능동형 셀 밸런싱 방식도 마찬가지로 배터리 충전 중 셀 간 일정량 이상의 전압 차이가 발생하게 되면 밸런싱이 시작 됩니다. 밸런싱이 시작 되면 높은 전압을 가진 셀의 에너지를 캐패시터 또는 인덕터를 통해 보다 적은 에너지를 가진 셀에게 이동하는 방식 입니다. 에너지 효율을 보면 당연히 이 방식을 사용해야 하지만, 회로가 복잡하여 만들기가 쉽지 않고, 제작 단가가 높아 고전압 배터리 팩에서는 사용이 잘 되지 않고 있습니다. 직렬 개수가 적은 배터리 팩의 경우에는 밸런싱에 필요한 수동소자들이 적어 많이 쓰이고 있습니다.

능동형 셀 밸런싱
[출처:배터리 인사이드]

능동형 셀 밸런싱2

간단히 설명 드리자면 높은 전압을 가진 셀이 캐패시터에 순간적으로 에너지를 뺏기고, 에너지를 뺏은 캐패시터가 보다 낮은 전압의 배터리와 연결되며 순간적으로 에너지를 충전 시켜주는 방식입니다. 스위치가 알맞게 열리고 닫히며 전압이 높은 셀의 전류를 바이패스 시켜 전압이 낮은 셀 에게 전달이 되는 방식 입니다.

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