셀 밸런싱으로 배터리 용량이 복구될까? 충전량 불균형과 셀 열화의 차이

셀 밸런싱을 하면 줄어든 배터리 용량도 되살아날까요? 셀마다 남은 충전량이 달라서 쓰지 못하던 전기를 더 쓸 수 있게 되는 경우는 있습니다. 하지만 열화로 줄어든 셀 자체의 용량까지 새것처럼 회복되는 것은 아닙니다.

여러 셀을 직렬로 연결한 배터리는 한 셀이 먼저 충전이나 방전의 한계에 도달하면 사용이 제한될 수 있습니다. 다른 셀에 여유가 남아 있어도 마찬가지입니다. 밸런싱은 이런 충전 상태의 차이를 줄여주는 기능입니다.

목차

1. 잔량이 다른 것과 용량이 줄어든 것은 어떻게 다를까
2. 패시브와 액티브는 어떻게 작동할까
3. 밸런싱에는 얼마나 걸릴까
4. 셀 전압이 비슷해지면 끝난 걸까

충전량 불균형과 셀 자체의 용량 감소는 다릅니다

충전량 차이와 셀의 용량 감소는 구분해야 합니다

용량이 모두 4Ah인 셀 세 개에 각각 3Ah, 3Ah, 2Ah가 남아 있다고 가정해 보겠습니다. 직렬로 연결한 셀에는 같은 전류가 흐릅니다. 따라서 잔량이 2Ah인 셀이 먼저 방전 한계에 도달하면, 다른 셀에 전기가 남아 있어도 팩의 방전을 멈춰야 할 수 있습니다. 이 경우 세 셀의 최대 용량은 같지만, 처음 남아 있던 충전량이 다릅니다.

반대로 처음에는 모두 4Ah였는데 한 셀의 최대 용량이 3Ah로 줄었다면 문제가 다릅니다. 세 셀을 각각 완충해도 최대 용량은 4Ah, 4Ah, 3Ah로 차이가 납니다. SOH와 SOC의 차이처럼, 얼마나 충전돼 있는지와 완충했을 때 얼마나 쓸 수 있는지는 별개입니다. 충전 상태를 맞췄다고 줄어든 용량까지 돌아오지는 않습니다.

패시브는 일부를 소모하고, 액티브는 다른 곳으로 옮깁니다

패시브 밸런싱은 선택한 셀에 저항을 연결해 일부 전하를 빼는 방식입니다. 충전 중 먼저 가득 차는 셀의 전하를 저항으로 소모시키면, 다른 셀을 더 충전할 여유가 생깁니다. 회로가 비교적 간단한 대신 저항에서 열이 나며, 그 에너지가 다른 셀로 전달되는 것은 아닙니다.

액티브 밸런싱은 변환 회로를 통해 셀 사이, 또는 셀과 팩 사이에 에너지를 옮깁니다. 남은 에너지를 필요한 쪽으로 보내 팩에서 쓸 수 있는 양을 늘리는 데 도움이 될 수 있습니다. 다만 실제로 어느 셀에서 어느 쪽으로 옮길 수 있는지, 얼마나 큰 전류를 흘릴 수 있는지는 회로에 따라 다릅니다. 변환 과정에서 손실도 발생합니다.

구분	패시브	액티브
작동 방식	선택한 셀의 일부 전하를 소모	셀 또는 팩 사이에 에너지를 전달
설계할 때 볼 부분	발열, 전류, 동작 시간	전달 경로, 효율, 전류, 제어 방식
공통으로 할 수 없는 일	열화로 줄어든 셀 자체의 용량을 새것처럼 회복시키는 것

밸런싱 방식과 실제 동작 시간이 중요한 이유

전류가 작으면 충전량 차이를 줄이는 데도 오래 걸립니다

한 셀에서 0.2Ah를 빼야 하고, 저항으로 흐르는 전류가 0.05A로 일정하다고 가정해 보겠습니다. 필요한 시간은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

시간(h) = 줄일 전하량(Ah) ÷ 밸런싱 전류(A)

0.2 ÷ 0.05 = 4시간입니다. 밸런싱이 중간에 멈추지 않고 계속 켜져 있을 때의 계산입니다. 여기서 0.2Ah는 줄일 전하량이지, 셀 사이의 전압 차이 0.2V가 아닙니다.

실제 BMS는 셀 전압과 온도 등을 확인하면서 밸런싱을 켜거나 끕니다. 한 번에 동작할 수 있는 셀 수가 제한되기도 합니다. 따라서 실제로 걸리는 시간은 계산한 4시간보다 길어질 수 있습니다. 액티브 방식의 시간을 계산할 때는 사양에 적힌 전류가 어느 쪽에서 흐르는 전류인지, 에너지를 옮길 때 손실은 얼마나 되는지도 확인해야 합니다.

전압이 비슷해졌다고 용량과 내부저항까지 같아진 것은 아닙니다

셀 전압은 충전량뿐 아니라 흐르는 전류와 내부저항의 영향도 받습니다. 전류가 흐를 때 벌어졌다가 배터리를 쉬게 두면 줄어드는 전압 차이와, 같은 시간 쉬게 둬도 계속 남는 차이는 나눠서 봐야 합니다. 전류에 따라 전압이 달라지는 이유는 DCIR 측정 조건에 관한 글에서도 설명했습니다.

전압과 SOC의 관계는 배터리 종류와 온도, 상태에 따라 달라집니다. 전압이 비슷하다는 이유만으로 셀의 최대 용량이나 내부저항도 같다고 볼 수는 없습니다. 밸런싱이 언제 시작되고 끝나는지는 해당 BMS의 기준도 확인해야 합니다. 배터리를 감시하고 보호하는 다른 기능은 BMS의 핵심 기능에서 함께 살펴볼 수 있습니다.

밸런싱 후 사용 시간이 늘었다면 셀 사이의 잔량 차이가 줄어, 다른 셀에 남아 있던 전기를 더 쓸 수 있게 됐을 가능성이 있습니다. 이를 셀 자체의 용량이 회복된 것으로 받아들이면 안 됩니다. 잔량 차이인지, 용량이나 내부저항의 차이인지 구분하고 같은 조건에서 기록을 비교해야 밸런싱으로 해결할 문제인지도 판단할 수 있습니다.

참고 기술 자료

• Analog Devices — 셀의 용량·내부저항 차이와 밸런싱