한 배터리 속의 셀 간 편차를 조절하는 셀 밸런싱

과충전 과방전을 막아 배터리 내에서 발생하는 열을 관리하고 효율을 높인다

전기차에서 가장 많은 에너지가 오가는 배터리에는 여러 셀로 구성되어 있다. 같은 차에 들어 있는 셀이라도 여러 요인으로 인해 서로 전압차가 발생하기도 한다. 이런 셀 간의 불균형은 배터리 용량과 수명에 영향을 끼치고, 과충전과 과방전에 의한 화재 위험을 일으킬 수 있다. 그래서 배터리 열관리를 위해서 배터리의 셀 간 전압 편차를 줄이는 셀 밸런싱을 수행한다.

수동형 셀 밸런싱과 능동형 셀 밸런싱 - 버리는 에너지가 없어 능동형이 더 효율적이다. - 에너담 자료

서로 전압이 맞지 않으면 가장 쉬운 방법은 충전 중에 충전량이 많은 셀의 전력은 소비해서 가장 낮은 쪽에 맞추는 방법이 있다. 그러나 이런 수동형은 열을 방출하고, 에너지 효율도 떨어진다. 그래서 최근에는 용량이 적은 셀에 더 많은 용량을 전달하면서 셀의 전하를 재분배해 동일하게 만들어주는 능동형 셀 밸런싱이 주를 이루고 있다.

능동형 셀 밸런싱 회로의 구조 - 충/방전의 메인 게이트 외에도 셀간 전력 흐름도 제어해야 하기 때문에 구조가 복잡하다.

능동형 셀 밸런싱은 열을 방출하는 수동형 구조와는 달리 에너지를 분배하기 때문에 에너지 효율이 높고 충전 속도도 빠르다. 충전뿐 아니라 주행 중에도 계속 적용할 수 있기 때문에 배터리의 효율적인 관리에도 도움이 된다. 다만 추가적인 회로 구성이 복잡해서 생산 단가가 높다.

BMS의 다양한 기능들 배터리 전류 전압 온도 충전상태를 모니터링해서 최적의 상태를 유지하도록 한다. - 현대 오트론 자료

셀 밸런싱 절차는 BMS에서 이루어진다. BMS 내부의 Cell Monitoring Unit, CMU가 셀의 온도, 전압, SOC 레벨 등을 측정해서 최적 상태를 유지할 수 있도록 관리한다. 셀 개수가 많아질수록 모니터링해야 하는 주체가 늘어나기 때문에 BMS 설계 측면에서는 셀 하나의 용량이 큰 것이 유리하다. 이런 경향을 반영하듯 테슬라도 원통형 표준 배터리의 사이즈를 2170에서 4680으로 키우고 있다.