균형이 이루어지지 않은 다중셀 배터리는 전체 시스템 용량을 정할 때 가장 취약한 셀이 사용될 것입니다. 이 경우 개별 셀의 노화에 차이가 있어 용량을 효과적으로 정할 수 없습니다. 아무리 철저히 선택해도 모든 셀의 용량이 동일하도록 보장할 수 없습니다. 이 문제를 해결하는 방법이 다양하게 있습니다.
리튬이온 배터리는 다른 배터리 유형과 마찬가지로 충전과 방전 과정에서 화학 변화 때문에 마모가 생깁니다. 리튬이온 배터리에서 애노드(anode)는 탄소나 그래파이트 화합물로 코팅되어 있는 구리 포일로 구성됩니다. 캐소드(cathode)는 리튬 화합물로 구성됩니다. 전극 사이의 전해질은 액화 상태의 리튬염입니다. 전해질이 액체인지 고체인지에 따라 리튬 이온 또는 리튬 폴리머 배터리라고 말합니다.
셀은 주로 캐소드 물질에서 차이가 있는데, 이 물질은 코발트, 망간, 니켈-코발트, 니켈-코발트-망간(NKM), 인산철 또는 티탄산철로 구성될 수 있습니다. 캐소드 물질마다 야기하는 에너지 밀도, 전력 밀도, 공칭 전압, 가능한 충전 사이클이 다릅니다.
원활한 충전
이러한 셀에 사용되는 IU 충전 방식은 정전류와 정전압으로 작동합니다(정전류 = CC, 정전압 = CV). 이 절차에서는 배터리가 정전류로 먼저 충전됩니다. 따라서 충전 전류가 너무 높아지지 않도록 제한됩니다. 정전류 충전은 최종 충전 전압에 도달할 때까지 지속됩니다. 이후에는 정전압으로 계속 충전되기 때문에 최종 충전 전압이 초과되지 않습니다. 충전량이 증가하면 충전 전류가 감소합니다.
수명과 마찬가지로 충전 시간도 여러 요인에 좌우되는데 충전량이 클 경우 특히 온도에 좌우됩니다. 충전과 방전 주기가 짧으면 전극 물질에 부정적인 영향을 주어 수명과 사이클 횟수가 감소합니다. 충전과 방전이 원활하면 리튬이온 셀의 수명이 상당히 길어집니다.
리튬 도금
높은 충전 전류나 낮은 온도에서 리튬이온 셀을 충전하면 리튬 도금이 손상될 수 있습니다. 리튬이온은 그래파이트 층 사이로 삽입되지 않고 애노드 표면에 증착됩니다. 이 때문에 성능, 내구성, 안전성에서 상당한 손실이 야기됩니다. 극한 경우에서는 리튬 도금으로 인해 회로 단락이나 화재가 야기될 수도 있습니다(금속성 리튬은 인화성이 높아).
배터리의 품질과 디자인에 따라 다르지만 충전 사이클이 주로 500에서 1000 이상에 이릅니다. 배터리의 남은 요량이 원래 용량의 80% 미만이면 마모된 것으로 간주합니다.
문제점
클러스터 또는 배터리 팩은 일반적으로 공칭 전압을 높이기 위해 직렬로 연결되어 있는 여러 개의 단일 셀 또는 셀 블록으로 구성됩니다. 노화로 인해 이러한 셀의 용량, 내부 저항 및 기타 매개변수에 변동이 생깁니다. 가장 취약한 셀을 기준으로 로딩 규모와 언로딩 규모가 결정됩니다.
여러 셀이 직렬로 연결된 배터리의 경우 이로 인해 각 셀의 충전과 방전에 차이가 생깁니다. 네트워크에서 심부 방전이나 과충전이 발생하거나 개별 셀이 과충전될 경우 최종 충전 전압이 초과됩니다. 배터리 유형에 따라 개별 셀에 회복할 수 없는 손상이 생길 수도 있습니다. 그 결과 전체 배터리 팩의 용량 손실이 일어납니다.
배터리 관리 시스템(BMS)
BMS는 전기차, 하이브리드 차량, 로봇 공학 등과 같은 자율 전력 전자 용도(E-파워)에서 사용되는 고성능 배터리 팩의 충전과 방전 과정을 제어하고 모니터링하는 기능을 담당합니다. 그 주된 일은 로딩과 언로딩 과정에서 각 셀이 용도에 맞게 정의된 충전 상태(SoC) 한계를 초과하는지 미치지 못하는지를 확인하는 것입니다. SoC 값은 배터리의 공칭 값을 기준으로 배터리에 남은 가용 용량입니다. 이 값은 완전 충전 상태 대비 비율로 표시됩니다. 예: 30%는 배터리가 완전 충전 상태를 기준으로 할 때 잔여 충전률이 30%임을 의미합니다. 용도에 따라 SoC 상한값과 하한값은 20% - 100%(최대 전력) 또는 100%(최대 전력)입니다. 30%~70%(최대 사용 수명).
BMS는 배터리 전압, 셀 온도, 셀 용량, 충전 상태, 전류 방출, 잔여 작동 시간, 충전 사이클 등과 같은 특성을 모니터링합니다. 여러 배터리 셀을 결합해 총 배터리 용량을 높여야 하기 때문에 이러한 제어 장치는 필수입니다. 밸런서는 이러한 배터리 관리 시스템에서 그 중요성이 점차 커지고 있습니다.
배터리 밸런싱: 패시브
패시브 밸런싱은 기술적인 측면에서 비교적 단순해 널리 사용되는 방식입니다. 이 방식은 배터리 백의 셀이 거의 다 충전되는 충전 종료 시점에만 작동합니다. 최종 충전 전압에 이미 도달한 셀은 저항기가 밸런서에 병렬로 연결되어 있어 전압이 최종 충전 전압으로 제한됩니다. 이후 이 셀은 약간만 충전되거나 방전까지 됩니다. 아직 최종 충전 전압에 도달하지 않은 직렬로 연결된 셀에는 최대 충전 전류가 계속 공급됩니다. 병렬 저항기의 전력을 충전 전류로 조정해야 하는데 잉여 에너지가 저항기에서 열의 형태로 나타나기 때문입니다. 이 방식의 이점은 비용이 많이 들지 않고 기술적으로 시행하기가 쉽다는 것입니다. 단점은 필요한 가장 취약한 셀이 SOC 값에 도달하기까지 충전 시간이 너무 오래 걸린다는 것입니다. 그리고 원치 않는 열 때문에 많은 에너지가 낭비됩니다. 이러한 열 손실도 배터리 셀의 사용 수명에 부정적인 영향을 주며, 화재 위험도 상당히 높습니다.
배터리 밸런싱: 액티브
액티브 밸런서는 훨씬 더 복잡하지만 더 효율적입니다. 이 방식은 셀 사이로 전하를 전달할 때 사용합니다. 충전량이 더 큰 셀의 에너지가 충전량이 더 적은 셀로 전달됩니다. 기본적으로 여러 개의 전환 조정기가 충전을 제어합니다. 이 조정기는 용도에 맞게 최적화되어 있고 셀 단위로 작동하며 능동적으로 에너지를 전달합니다. 이 과정은 로딩 과정에서 진행될 수 있습니다. 그러나 패시브 밸런싱처럼 대부분 충전 종료 영역에서만 시작합니다. 양방향 밸런서 시스템에서는 이 전하 교환이 로딩 및 언로딩 과정에서 일어납니다. 따라서 양방향 밸런서가 훨씬 더 효율적입니다.
액티브 밸런싱의 주요 이점은 잉여 에너지가 소량만 열로 전환되기 때문에 효율이 훨씬 더 높다는 것입니다. 액티브 밸런싱은 현재 E-모빌리티(EV = 전기차, BEV = 배터리 전기차, HEV = 하이브리드 전기차, PHEV = 플러그인 하이브리드 전기차) 같은 영역에서 더 큰 출력(E-파워) 용도로 사용되고 있습니다.
제어 시스템의 더 큰 전환 노력 때문에 당연히 초기 비용이 더 많이 듭니다. 그러나 배터리 관리용 제어 시스템은 실질적인 이점을 발휘합니다. 지능형 및 적응형 소프트웨어를 사용하는 상위 충전 제어를 통해 다양한 직렬 회로에서도 강한 셀의 전하를 약한 셀로 재분배할 수 있어 고성능 배터리 팩의 사용 수명을 크게 늘릴 수 있습니다.
코일이 있는 2단 액티브 밸런서의 주 회로. 출처: Wikipedia
보호
전기차 같은 E-파워 용도에서는 배터리 팩이 가장 큰 비용 요인입니다. 소비자들은 최대 성능 용량, 가장 빠른 충전, 긴 사용 수명, 절대적 안정성을 요구합니다. 충족하기가 쉽지 않은 요구입니다.
리튬계 배터리는 튼튼한 납산 배터리보다 전력 밀도가 훨씬 높습니다. 그러나 과전압과 부족 전압에 매우 민감합니다. 따라서 개별 셀의 조기 고장, 과열 또는 회로 단락을 확실하게 방지할 수 있도록 보호하고 모니터링해야 합니다. 이러한 예비 장치는 장시간 결함 없이 작동해야 합니다. 이러한 장치는 충격과 진동은 물론 겨울철의 냉기와 여름철의 열기도 견딜 수 있어야 합니다.
이러한 장치는 최대 충전과 방전 전류가 최소한의 손실로 통과할 수 있어야 합니다. 전원 켜기, 끄기, 가속 등의 반복 저항도 반드시 필요합니다.
정전류(CC)와 정전압(CV)을 사용하는 IU 충전 방식
맞춤 퓨즈
그러나 배터리 팩의 가장 큰 적은 과열, 단락, 맥동 과전류입니다. 고성능 배터리 팩의 디자인과 용도에 따라 과전류 차단과 온도에 중점을 두어야 합니다. 그러나 대부분은 동시에 몇 가지 잠재적인 문제가 수반됩니다. 따라서 실제로는 차단용 맞춤 솔루션이 필요합니다. 과전류와 과열을 차단할 수 있도록 펄스에 강한 퓨즈 조합이 가능하며 실제로 구현되고 있습니다. 이것은 칩 기술을 이용해 필요한 기계적 저항을 보장하는 것입니다.
최대 안전성과 수명을 보장하는 최대 전력 밀도: 이 방식은 개별 셀뿐만 아니라 전체 에너지 장치에도 적용됩니다.
경제성
물론 언제든 최신 배터리 기술을 사용할 수 있으며 가능한 최고 성능 용량을 제공할 수 있습니다. 그러나 이 경우는 비용이 많이 들고 장기간 경험이 부족합니다. 따라서 업계는 표준 용도(예: 노트북)에서 수백만 번 입증된 정립된 기술을 이용하려는 경향이 있습니다. 이후 단계에서 제조 공정을 최적화하고, 입력 및 출력 흐름의 한계를 확인하고, 가능한 최대로 스케일링할 수 있는 메커니즘을 개발합니다. 앞으로는 지능형 충전 및 방전 공정이 매우 중요해질 것입니다. 최적화된 밸런싱은 최대 성능과 최대 한계 수명으로 구성됩니다.
노련한 파트너
현재 SCHURTER는 다양한 용도(배터리 관리, 공조 장치, 디젤/휘발유 엔진용 엔진 관련 전자 소자 등)에서 사용되는 AEC-Q200에 따른 광범위한 퓨즈를 제공합니다. 과전류와 과열을 차단하는 수백만 개의 퓨즈 및 퓨즈 조합이 전 세계에서 사용되고 있습니다. 국제 자동차 기구 및 업계와의 긴밀한 정보망을 형성하고 있는 SCHURTER는 자동차 공학의 전자 소자 보호에 관한 모든 문제를 해결할 수 있는 역량 있는 파트너입니다.