전기차 배터리는 여러 개의 셀(Cell)이 모여 모듈(Module)을 만들고, 이러한 모듈이 모여 팩(Pack)을 구성합니다. 배터리의 성능과 수명을 유지하려면 각 셀의 전압이 균일해야 하는데요. 만약 전압 차이가 발생하면 이를 조정하는 셀 밸런싱(Cell Balancing) 기능이 작동합니다. 이번 시간에는 셀 밸런싱이 무엇인지, 어떤 원리로 동작하는지 자세히 살펴보겠습니다.
‘셀 밸런싱(Cell Balancing)’이란?
‘셀 밸런싱(Cell Balancing)’은 배터리를 구성하는 셀 간의 전압 편차를 조정해 균형을 맞추는 작업입니다. 이는 팩에 탑재된 배터리 관리 시스템(이하 BMS)에서 수행하는데요. BMS는 배터리의 안전성을 위해 충∙방전 전압 및 전류, 온도 등을 제어할 뿐만 아니라 셀 밸런싱을 통해 배터리의 효율을 최적화하는 역할도 하죠.
리튬이온배터리는 과충전, 과방전을 방지하기 위해 20~80%의 SoC(State of Charge) 값을 유지하지만, 여러 요인으로 인해 셀 간의 편차가 발생할 수 있습니다.
셀 간의 전압 차이가 발생하는 조건에서 배터리가 충∙방전될 경우 특정 셀에 과충전, 과방전이 발생하여, 셀 간의 전압 편차를 이야기할 수 있습니다. 이에 배터리를 효율적으로 보존하면서 안정적으로 관리하기 위해 셀 밸런싱 기능은 필수적입니다.
셀 밸런싱의 방식, 수동형 셀 밸런싱 & 능동형 셀 밸런싱
이러한 셀 밸런싱은 크게 ‘수동형(Passive) 셀 밸런싱 Balancing’과 ‘능동형(Active) 셀 밸런싱’ 방식으로 나뉩니다.
먼저 수동형 셀 밸런싱은 배터리를 충전할 때 적용 가능한 방식으로, 저항을 사용하여 전압이 높은 셀 에너지를 열로 방출해, 나머지 셀들과 전압을 조정하는 방식으로 작동합니다. 이 원리는 구현하기 쉽고, 비용이 저렴할 뿐만 아니라 시스템이 차지하는 공간이 매우 작아 경제적입니다. 하지만 수동형 셀 밸런싱 과정에서는 에너지가 단순히 열로만 소비되기 때문에 이를 재사용할 수 없는데요. 이로 인해 효율성이 낮다는 단점이 있습니다.
또 수동형 셀 밸런싱은 Fixed Shunting Resistor 방식과 Switched Shunting Resistor 방식 등으로 구분됩니다. Fixed Shunting Resistor는 고정된 저항으로 셀의 전압을 일정 수준으로 유지하는 방식이며, 회로 구성이 간단해 비용이 저렴한 편입니다. Switched Shunting Resistor는 스위치로 저항을 제어하는 방식으로 셀마다 방전용 저항과 스위치를 구축해 전압을 조정합니다.
능동형 셀 밸런싱은 높은 전압을 가진 셀의 에너지를 해당 전압을 낮은 전압을 가진 셀로 이동시키는 원리입니다. 에너지를 분배하여 에너지 효율을 높이는 방식이며, 충∙방전 시 모두 적용이 가능하다는 특징이 있습니다. 하지만 복잡한 구성과 기술력이 요구돼, 회로를 구성하는데 상대적으로 높은 비용이 발생합니다. 능동형 셀 밸런싱은 셀 간 에너지 전달 방식에 따라 커패시터, 컨버터, 변압기 등을 사용하는 방식으로 분류할 수 있습니다.
그렇다면 수동형 셀 밸런싱과 능동형 셀 밸런싱 원리를 그림1, 2, 3을 통해 비교해 볼까요?
그림 1은 셀 밸런싱이 적용되지 않은 여러 셀의 모습입니다. 셀 밸런싱이 적용되지 않을 경우 SoC가 각각 다른 Cell 1, 2, 3에서 에너지 불균형이 발생할 수 있죠. 그림 2는 수동형 셀 밸런싱이 적용된 것인데요. 충전 상태와 전압이 가장 낮은 Cell 2를 기준으로, Cell 1과 Cell 3의 초과 에너지를 소모해 Cell 2와 균형을 맞춥니다. 능동형 셀 밸런싱에 대해서는 그림 3에서 알아볼 수 있습니다. 능동형 셀 밸런싱은 충전 상태와 전압이 높은 셀 에너지를 전압이 낮은 셀로 이동시켜 전체 전압의 균형을 맞추기 때문에, 에너지의 손실이 거의 없습니다.
배터리 핵심 기능, 셀 밸런싱 기술의 미래
고용량 배터리에 대한 니즈가 증가하면서, 배터리 팩에 탑재되는 셀의 개수도 늘어나는 추세입니다. 특히 전기차와 ESS(에너지저장장치)에는 수백에서 수천 개 이상의 셀을 필요로 하는데요. 때문에 배터리의 성능을 최대 효율로 사용하기 위해서는 정교한 셀 밸런싱 기술이 필요합니다.
이러한 흐름에 맞춰 배터리 업계에서는 셀 밸런싱에 대한 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 그 일환으로 수동형 셀 밸런싱 방식과 능동형 셀 밸런싱 방식을 결합한 ‘하이브리드 셀 밸런싱’ 기술도 관심을 받고 있는데요. 하이브리드 셀 밸런싱은 셀 간 불균형이 미세한 경우 수동형 셀 밸런싱이 작동하고, 불균형이 심한 경우 능동형 셀 밸런싱을 수행하는 기술입니다. 이는 셀 간의 에너지를 효율적으로 이동시키면서도 구조를 단순하게 유지하고, 비용을 절감할 수 있는 장점을 갖췄죠. 또 인공지능(AI) 기술의 지속적인 발전으로 AI를 활용한 ‘지능형 셀 밸런싱’ 기술도 연구되고 있습니다.
셀 밸런싱은 배터리 셀 간의 전압 차이를 줄여 충전 상태를 균형 있게 만들어 주는 중요한 기술입니다. 셀 밸런싱 기술 덕분에 우리가 배터리를 더 효율적이고 안전하게 사용할 수 있는 것이죠. 배터리의 효율성과 안전성을 책임지는 셀 밸런싱! 향후 셀 밸런싱이 어떻게 발전해 나가는지 지켜봐 주세요.