프로 조정 팀을 상상해 보세요. 모든 선수가 똑같은 힘과 체력을 가진 완벽한 복제품이라면 보트는 물 위를 힘들이지 않고 미끄러지듯 나아갈 것입니다. 이제 노를 젓는 선수 한 명이 조금 더 약하거나 조금 더 빨리 지친다고 상상해 보세요. 그 한 사람만 속도가 느려지는 것이 아니라 보트 전체가 즉시 위험에 처하게 됩니다. 리듬이 깨지고 보트가 코스를 벗어나면 다른 노 젓는 사람들이 이를 보완하기 위해 더 열심히 노력해야 합니다.
멀티셀 배터리 팩은 조정 팀과 똑같습니다.
산업용 드론이나 휴대용 의료용 카트를 위해 새로 구입한 고가의 배터리 팩이 1년 만에 수명이 급감하는 경우를 경험해 보셨을 것입니다. 배터리를 열어보니 '불량' 셀이 하나 발견됩니다. 하지만 그 셀이 정말 결함이 있는 것일까요, 아니면 처음부터 전체 팩에 문제가 있었던 것일까요? 경험에 비추어 볼 때, 그 답은 거의 항상 셀 매칭과 셀 밸런싱이라는 두 가지 기본적이지만 종종 간과되는 프로세스의 실패에 있습니다.
자율 창고 로봇부터 해양 백업 전력에 이르기까지 다양한 애플리케이션을 위한 미션 크리티컬 배터리 시스템을 설계하는 엔지니어로서, 매칭과 밸런싱은 선택적 '기능'이 아니라 안정적이고 안전하며 오래 지속되는 배터리 팩의 절대적인 기반이라고 말할 수 있습니다.
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12V 100AH 나트륨 이온 배터리
첫째, 우리는 무엇을 이야기하고 있는 걸까요? 매칭 및 밸런싱 정의
결과에 대해 자세히 알아보기 전에 먼저 정의를 정리해 보겠습니다. 이 두 용어는 서로 연관되어 있지만 별개의 용어입니다.
셀 매칭: 제조 "지문"
동일한 고품질 생산 배치에서 나온 100% 배터리 셀은 두 개도 동일하지 않습니다. 모든 셀은 "제조 지문"에 미세한 차이가 있다고 생각하면 됩니다. 셀 매칭은 주요 특성에 따라 개별 셀을 테스트하고 그룹화하는 엄격한 데이터 기반 프로세스입니다. 전에 팩으로 용접됩니다.
최소한 전문 배터리 조립업체와 매칭해야 합니다:
- 용량(Ah/mAh): 각 셀의 개별 "연료 탱크"의 크기입니다.
- 내부 저항(mΩ): 셀이 전력 전달에 얼마나 저항하는지를 측정합니다. 내부 저항이 낮을수록 좋으며 일관성이 핵심입니다.
- 자체 방전 속도: 선반 위에 놓아두는 동안 셀이 얼마나 빨리 충전량을 잃는지 알아보세요.
일치하지 않는 팩을 제작하는 것은 마치 피스톤이 맞지 않는 고성능 엔진을 제작하는 것과 같습니다. 실패의 지름길입니다.
셀 밸런싱: 팀 동기화 유지
경기 전에 보트에 탑승할 선수를 완벽하고 동일하게 고르는 것이 매칭이라면, 밸런싱은 조타수가 해야 할 일입니다. 동안 모두가 완벽한 조화를 이루기 위해 끊임없이 조금씩 조정하는 레이스입니다.
셀 밸런싱은 전자 기능으로, 다음에서 관리합니다. 배터리 관리 시스템(BMS)를 사용하여 팩 내 각 셀(또는 병렬 셀 그룹)의 충전 상태(SoC)를 균일화합니다. 이는 시간이 지남에 따라 셀이 자연스럽게 흩어지는 경향에 맞서 싸우는 능동적이고 지속적인 프로세스입니다.
악순환: 불균형하고 일치하지 않는 팩에서는 어떤 일이 발생하나요?
그렇다면 세포 하나가 약간 다르다고 해서 무슨 큰 문제가 될까요? 그 결과는 심각하며 전체 팩을 조기에 죽이는 하향 나선형을 만듭니다.
모든 것은 "가장 약한 연결"에서 시작됩니다.
모든 셀 시리즈에서 전체 팩의 성능은 가장 약한 셀, 즉 실제 용량이 가장 낮은 셀에 의해 결정됩니다. 이 셀은 충전과 방전 모두에서 제한 요소가 됩니다.
충전 문제: 한 셀이 "멈춰!"를 외치다 너무 일찍
팩을 충전할 때 모든 셀은 동일한 양의 전류를 공급받습니다. 연료 탱크가 더 작은 '약한' 셀이 먼저 충전되어 최대 안전 전압(예: 많은 리튬 이온 유형의 경우 4.2V)에 도달합니다. 제대로 작동하는 BMS는 이를 감지하고 위험한 과충전을 방지하기 위해 전체 충전 프로세스를 올바르게 중지합니다.
결과: 용량이 더 큰 다른 건강한 세포는 만성적으로 충전이 부족한 상태로 남아 있습니다. 팩 절대 실제 설계 용량에 도달합니다. 100Ah 팩은 95Ah까지만 충전될 수 있습니다.
방전 문제: 한 세포가 먼저 포기하는 문제
다른 쪽에서도 같은 일이 벌어집니다. 여러분의 산업 장비 전력을 소모하면 공급할 연료가 적은 약한 셀이 먼저 방전되어 최소 안전 전압(예: 3.0V)에 도달합니다. 그러면 BMS가 제 역할을 수행하여 전체 팩의 전원을 차단하여 한 셀이 과방전되어 영구적으로 손상되지 않도록 보호합니다.
결과: 더 강한 셀은 여전히 10-15%의 에너지가 남아있을 수 있지만 완전히 사용할 수 없습니다. 팩의 유효 런타임이 크게 단축됩니다.
조기사망으로 가는 내리막길
이것은 한 번으로 끝나는 문제가 아닙니다. 충전과 방전을 반복할 때마다 이러한 불균형은 더욱 심해집니다. 약한 셀은 절대 최대치에서 절대 최소치로 밀려나면서 지속적으로 스트레스를 받습니다. 반면에 강한 세포는 땀 한 방울 흘리지 않고 편안한 중간 범위에서 순환합니다. 이렇게 약한 세포의 노화가 가속화되면 내부에 있는 95%의 세포가 여전히 완벽하게 건강하더라도 화학적 특성이 급격히 저하되고 내부 저항이 증가하여 결국 고가의 팩 전체가 고장 나게 됩니다.
실제 솔루션: 두 가지 밸런싱 방법 이야기
BMS는 이러한 하락세에 맞서 싸우는 영웅입니다. 주로 두 가지 방법 중 하나로 이를 수행합니다.
패시브 밸런싱: "잔디 깎기"
일부 잔디밭이 다른 잔디밭보다 조금 더 빨리 자라는 잔디밭을 상상해 보세요. 패시브 밸런싱은 잔디 깎는 기계를 가장 짧은 잔디밭의 높이로 설정하고 그에 맞춰 모든 잔디를 깎는 것과 같습니다. 작업은 완료되지만 본질적으로 낭비입니다. BMS는 가장 빠르게 충전되는 셀에 작은 저항을 배치하여 느린 셀이 따라잡을 때까지 말 그대로 작은 열로 과도한 에너지를 "태워버립니다".
액티브 밸런싱: "로빈 후드 방법"
액티브 밸런싱은 더 스마트합니다. 배터리 내부에 있는 작고 효율적인 로빈 후드와 같습니다. 이 기능은 "풍부한" 셀(충전량이 가장 많은 셀)에서 에너지를 조금씩 가져와 "부족한" 셀(충전량이 가장 적은 셀)에 효율적으로 공급합니다. 작고 효율적인 컨버터(커패시터 또는 인덕터 등)를 사용하여 에너지를 팩 주위로 이동시켜 열로 낭비되는 에너지가 없도록 합니다.
| 기능 | 패시브 밸런싱 | 액티브 밸런싱 |
|---|
| 방법 | 과도한 에너지를 열로 연소 | 세포 간 에너지 전송 |
| 효율성 | 낮음(낭비적) | 높음(최대 95% 효율) |
| 속도 | 느림(일반적으로 충전 주기의 최상위에서만 작동) | 빠름(충전, 방전, 휴식 중 언제든 작동 가능) |
| 비용 및 복잡성 | 저렴한 비용, 간단한 회로 | 더 높은 비용, 더 복잡한 회로 |
| 최상의 대상 | 저가형 팩, 가전제품, 저전류 애플리케이션. | 고성능 팩, 상업용 ESS사용 가능한 용량을 극대화하고 주기 수명 가 중요합니다. |
배터리 공급업체에 반드시 물어봐야 할 질문
저렴한 배터리 팩 견적은 종종 이러한 중요한 프로세스에서 비용이 절감되었다는 적신호입니다. 제품, 예산, 회사의 평판을 보호하려면 잠재적 공급업체에게 다음과 같은 질문을 하세요:
- "세포 소싱 및 입고 품질 관리(IQC) 프로세스는 어떻게 되나요?" (파나소닉, 삼성, CATL과 같은 평판이 좋은 제조업체의 A등급 셀을 사용하나요, 아니면 추적할 수 없는 B등급 셀을 사용하나요?)
- "구체적인 셀 매칭 프로토콜과 허용 오차 범위는 어떻게 되나요?" (모호한 답변은 받지 마세요. 예를 들어 "용량은 ±1% 이내, 내부 저항은 ±2mΩ 이내로 맞춥니다."와 같이 구체적인 수치를 요구하세요.)
- "BMS는 어떤 유형의 밸런싱을 사용하나요(수동 또는 능동)?" (이 답변을 통해 팩의 품질과 용도에 대해 많은 것을 알 수 있습니다.)
- "BMS의 밸런싱 전류는 얼마인가요?" (30mA의 작은 밸런싱 전류는 200Ah 팩에서는 쓸모가 없습니다. 전류는 팩의 용량에 맞게 적절히 조절해야 합니다.)
- "생산 팩의 초기 셀 밸런스와 사양을 보여주는 공장 테스트 보고서를 제공해 주시겠습니까?" (자신감 있는 고품질 공급업체는 '예'라고 대답할 것입니다.)
결론
궁극적으로 배터리 팩은 가장 약하고 스트레스를 많이 받는 셀만큼만 강해집니다. 첫날부터 세심하게 셀을 매칭하지 않으면 실패할 수밖에 없는 기능 장애 팀을 구성하는 것과 같습니다. 수명 내내 지능적인 밸런싱이 이루어지지 않으면 팀은 점점 더 동기화되지 않은 채로 표류하게 됩니다.
셀 매칭 및 밸런싱은 비용이 아니라 사용 가능한 용량, 작동 수명, 그리고 가장 중요한 안전에 대한 타협할 수 없는 선행 투자입니다. 배터리 팩의 보이지 않는 심장과도 같은 역할을 합니다. 작품해마다
미션 크리티컬 애플리케이션을 위한 배터리를 지정하는 경우 데이터시트의 최상위 사양만 보지 마세요. 내부에 무엇이 들어 있는지 어려운 질문을 던져보세요. 매칭과 밸런싱에 대한 공급업체의 철학을 이해하는 것이 장기적인 성공을 보장하는 가장 중요한 첫 번째 단계입니다.
자주 묻는 질문
불균형 상태가 된 배터리 팩의 밸런스를 수동으로 조정할 수 있나요?
DIY 프로젝트의 경우 전문 취미 충전기나 전용 밸런싱 보드를 사용하면 기술적으로 가능하지만 느리고 세심해야 하며 잠재적으로 위험한 과정입니다. 상업적으로 밀봉된 팩의 경우 거의 항상 비실용적이며 보증이 무효화됩니다. 진정한 해결책은 애초에 심각한 불균형 발생을 방지하는 우수한 BMS입니다.
액티브 밸런싱이 항상 패시브 밸런싱보다 낫나요?
반드시 그렇지는 않습니다. "더 나은"은 애플리케이션에 따라 다릅니다. 비용이 가장 중요하고 마지막 한 방울의 용량도 중요하지 않은 저전력 디바이스의 경우 잘 구현된 패시브 밸런싱 시스템으로 충분합니다. 고용량의 경우 에너지 저장 시스템(ESS) 또는 효율성과 수명이 비용으로 직결되는 전기 자동차의 경우, 액티브 밸런싱의 높은 초기 비용은 몇 배의 비용으로 회수할 수 있습니다.
팩에 있는 '불량' 셀 하나만 교체할 수 없는 이유는 무엇인가요?
왜냐하면 당신은 이제 막 길을 걷고 있기 때문입니다. 낡고 부분적으로 마모된 오래된 팩에 새로운 전체 용량 셀을 도입하면 악화 불균형. 새 셀은 완전히 활용되지 못하고 오래된 셀은 더 많은 스트레스를 받게 됩니다. 제대로 수리하려면 전체 팩 모듈을 새로 일치하는 셀로 재구성해야 합니다.
내 디바이스가 손전등과 같이 하나의 셀만 사용하는 경우 어떻게 하나요? 걱정할 필요가 있나요?
아니요. 셀 매칭 및 밸런싱은 여러 개의 셀이 직렬로 연결된 배터리 팩에만 해당됩니다. 장치에서 단일 셀(예: 단일 18650 또는 21700)을 사용하는 경우에는 이러한 문제가 적용되지 않습니다.