현대 배터리 기술에서는 '배터리 밸런싱'이라는 용어를 자주 접하게 됩니다. 그런데 그게 무슨 뜻인가요? 근본 원인은 제조 공정과 배터리에 사용되는 재료에 있으며, 이로 인해 배터리 팩 내 개별 셀 간에 차이가 발생합니다. 이러한 차이는 온도, 습도 등 배터리가 작동하는 환경의 영향도 받습니다. 이러한 변화는 일반적으로 배터리 전압의 차이로 나타납니다. 또한, 배터리는 전극에서 활물질이 분리되고 플레이트 사이의 전위차로 인해 자연스럽게 자체 방전이 발생합니다. 자체 방전율은 제조 공정의 차이로 인해 배터리마다 다를 수 있습니다.
이를 예를 들어 설명하겠습니다. 배터리 팩에서 한 셀의 충전 상태(SOC)가 다른 셀보다 높다고 가정해 보겠습니다. 충전 과정에서 이 셀이 먼저 완전 충전되어 아직 완전히 충전되지 않은 나머지 셀이 조기에 충전을 중단하게 됩니다. 반대로, 한 셀의 SOC가 낮으면 방전 중에 먼저 방전 차단 전압에 도달하여 다른 셀이 저장된 에너지를 완전히 방출하지 못하게 됩니다.
이는 배터리 셀 간의 차이를 무시할 수 없음을 보여줍니다. 이러한 이해를 바탕으로 배터리 밸런싱의 필요성이 대두됩니다. 배터리 밸런싱 기술은 배터리 팩의 전반적인 성능을 최적화하고 수명을 연장하기 위한 기술적 개입을 통해 개별 셀 간의 차이를 최소화하거나 제거하는 것을 목표로 합니다. 배터리 밸런싱은 배터리 팩의 전반적인 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 배터리 수명을 크게 연장시킵니다. 따라서 에너지 활용을 최적화하려면 배터리 밸런싱의 본질과 중요성을 이해하는 것이 중요합니다.
정의: 배터리 밸런싱은 배터리 팩의 각 개별 셀이 일관된 전압, 용량 및 작동 조건을 유지하도록 보장하기 위해 특정 기술과 방법을 사용하는 것을 의미합니다. 이 프로세스는 기술적 개입을 통해 배터리 성능을 최적화하고 수명을 극대화하는 것을 목표로 합니다.
중요성: 첫째, 배터리 밸런싱은 전체 배터리 팩의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 밸런싱을 통해 개별 셀의 열화로 인한 성능 저하를 방지할 수 있습니다. 둘째, 밸런싱은 셀 간의 전압 및 용량 차이를 줄이고 내부 저항을 낮추어 배터리 팩의 수명을 연장시켜 배터리 수명을 효과적으로 연장시킵니다. 마지막으로, 안전 관점에서 배터리 밸런싱을 구현하면 개별 셀의 과충전 또는 과방전을 방지하여 열폭주와 같은 잠재적인 안전 위험을 줄일 수 있습니다.
배터리 설계: 개별 셀 간의 성능 불일치를 해결하기 위해 주요 배터리 제조업체는 배터리 설계, 조립, 재료 선택, 생산 공정 제어 및 유지 관리와 같은 영역에서 지속적으로 혁신하고 최적화합니다. 이러한 노력에는 셀 설계 개선, 팩 설계 최적화, 공정 제어 강화, 엄격한 원료 선택, 생산 모니터링 강화, 보관 조건 개선 등이 포함됩니다.
BMS(Battery Monitoring System) 밸런싱 기능: 개별 셀 간의 에너지 분포를 조정하여 불일치를 줄이고 배터리 팩의 사용 가능한 용량과 수명을 늘립니다. BMS에서 균형을 이루는 두 가지 주요 방법은 수동 균형과 능동 균형입니다.
에너지 소산 밸런싱이라고도 알려진 수동 밸런싱은 전압이나 용량이 더 높은 셀에서 과도한 에너지를 열의 형태로 방출하여 다른 셀과 일치하도록 전압과 용량을 줄이는 방식으로 작동합니다. 이 프로세스는 초과 에너지를 분류하기 위해 개별 셀에 연결된 병렬 저항기에 주로 의존합니다.
한 셀의 전하가 다른 셀보다 높을 경우, 초과 에너지는 병렬 저항을 통해 소산되어 다른 셀과 균형을 이룹니다. 단순성과 저렴한 비용으로 인해 수동 밸런싱은 다양한 배터리 시스템에서 널리 사용됩니다. 그러나 에너지가 효과적으로 활용되지 않고 열로 방출되기 때문에 에너지 손실이 크다는 단점이 있다. 엔지니어는 일반적으로 밸런싱 전류를 낮은 수준(약 100mA)으로 제한합니다. 구조를 단순화하기 위해 밸런싱 프로세스는 수집 프로세스와 동일한 배선 하네스를 공유하며 두 프로세스가 교대로 작동합니다. 이 설계는 시스템 복잡성과 비용을 줄이는 반면, 균형 효율성이 낮아지고 눈에 띄는 결과를 얻는 데 더 오랜 시간이 걸립니다. 패시브 밸런싱에는 고정 션트 저항기와 스위치형 션트 저항기라는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 전자는 고정 션트를 연결해 과충전을 방지하고, 후자는 스위칭을 정밀하게 제어해 과잉 에너지를 소산시킨다.
반면에 능동적 균형은 보다 효율적인 에너지 관리 방법입니다. 과도한 에너지를 낭비하는 대신 인덕터, 커패시터, 변압기 등의 구성요소를 통합하도록 특별히 설계된 회로를 사용하여 용량이 큰 셀에서 용량이 낮은 셀로 에너지를 전달합니다. 이는 셀 간의 전압 균형을 맞출 뿐만 아니라 전체 에너지 활용률을 높입니다.
예를 들어, 충전 중에 셀이 전압 상한에 도달하면 BMS는 능동 밸런싱 메커니즘을 활성화합니다. 상대적으로 용량이 낮은 셀을 식별하고 신중하게 설계된 밸런서 회로를 통해 고전압 셀에서 이러한 저전압 셀로 에너지를 전달합니다. 이 프로세스는 정확하고 효율적이므로 배터리 팩의 성능을 크게 향상시킵니다.
패시브 및 액티브 밸런싱은 모두 배터리 팩의 사용 가능한 용량을 늘리고 수명을 연장하며 전체 시스템 효율성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.
패시브 및 액티브 밸런싱 기술을 비교할 때 설계 철학과 실행이 크게 다르다는 것이 분명해집니다. 능동 밸런싱에는 일반적으로 전송할 에너지의 정확한 양을 계산하는 복잡한 알고리즘이 포함되는 반면, 수동 밸런싱은 초과 에너지를 소멸시키기 위해 스위치 작동 타이밍을 정확하게 제어하는 데 더 많이 의존합니다.
밸런싱 프로세스 전반에 걸쳐 시스템은 각 셀의 매개변수 변화를 지속적으로 모니터링하여 밸런싱 작업이 효과적일 뿐만 아니라 안전한지 확인합니다. 셀 간의 차이가 미리 정의된 허용 범위 내에 들어오면 시스템은 밸런싱 작업을 종료합니다.
적절한 밸런싱 방법을 신중하게 선택하고 밸런싱 속도와 정도를 엄격하게 제어하며 밸런싱 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 관리함으로써 배터리 팩의 성능과 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다.
