전기차처럼 많은 전력을 요하는 기기에는 배터리 팩 하나에 수많은 셀들이 들어갑니다. 그런데 만약 어떤 셀은 아직 전력이 아직 많이 남았는데 또 다른 셀은 전력을 모두 사용해버렸다면 어떻게 될까요? 이번 시간에는 이와 관련하여 ‘셀 밸런싱(Cell Balancing)’에 대해 알아보겠습니다.
셀 밸런싱(Cell Balancing)이란?
배터리의 기본이 되는 단위를 셀이라고 합니다. 그런데 같은 셀이라도 제조 공정이나 외부적인 요인에 의해 서로 전압 차가 발생하기도 하는데요. 예를 들어, 직렬로 연결된 셀 2개를 충전할 때 첫 번째 셀은 4.2v 전압을 달성했지만 두 번째 셀은 전압이 4.0v에 그치는 경우가 생기는 것이죠. 이때 이렇게 직렬로 연결된 배터리 셀 간의 전압 차이를 조정하여 맞추는 것을 ‘셀 밸런싱’이라고 합니다.
셀 간의 불균형은 배터리 용량과 수명에 영향을 끼치고, 과충전과 과방전에 의한 화재 위험을 일으킬 수 있기 때문에 셀 밸런싱은 반드시 필요한데요. 셀 밸런싱은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 셀 전압을 낮추기 위해 저항으로 셀의 충전 에너지를 소비시키는 수동형(Passive) 셀 밸런싱이 있고, 높은 전압을 가진 셀의 충전 에너지를 낮은 전압의 셀로 이동시키는 능동형(Active) 셀 밸런싱이 있죠.
수동형(Passive) 셀 밸런싱
수동형 셀 밸런싱은 열 방출을 통해 용량이 더 많은 셀에서 전하를 제거해 모든 셀의 충전량을 동일하게 만드는 방식입니다. 비교적 단순하고 비용이 낮아 경제적이지만, 여분의 전압을 활용하지 않고 소비시키기 때문에 에너지 효율성이 다소 떨어집니다. 또, 충전 중에만 적용할 수 있죠.
능동형(Active) 셀 밸런싱
능동형 셀 밸런싱은 용량이 적은 셀에 더 많은 용량을 전달하면서 셀의 전하를 재분배해 동일하게 만들어주는 방법입니다. 열을 방출하는 수동형 구조와는 달리 에너지를 분배하기 때문에 에너지 효율이 높고 충전 속도도 빠릅니다. 능동형은 충·방전 시 모두 적용할 수 있지만, 추가적인 회로 구성이 복잡해 비용이 많이 드는 편입니다.
이러한 수동형 밸런싱과 능동형 밸런싱은 모두 BMS(Battery Management System)에서 이뤄지는데요. BMS 내부의 CMU(Cell Monitoring Unit)가 셀의 상태를 측정해 밸런싱 작업을 수행하기 때문에 배터리를 더 안전하게 사용할 수 있는 것이죠. 배터리를 더 오래, 더 안전하게 사용할 수 있도록 배터리 곳곳에는 안전 장치가 숨어있다는 것을 기억해 주세요.