배터리 충전 기술과 셀 발란싱에 대하여....

배터리 충전과 셀 발란싱

1. 서론

우리 생활에 가장 밀접하게 연관이 있다고 해도 과언이 아닐만큼 배터리는 우리 주변 어느곳에서 찾아볼 수 있다. 

우리가 하루동안 가장 많이 사용하는 핸드폰은 물론, 블루투스 헤드셋, 자동차, 전기 면도기, 손전등 등등등 수많은 움직이는 물건에는 배터리가 내장되어 있다.

배터리를 효율적으로 관리하기 위하여 우리가 어떻게 해야 할 것인지 알아 보는 시간 중 첫번째 시간, 배터리 충전과 셀 밸런싱에 대해 알아 보고자 한다.

2. 배터리 종류와 셀발란싱

일반적으로 어느 배터리나 셀 밸런싱을 하여야 배터리 성능을 모두 발휘할 수 있다. 하지만 실직적으로 밸런싱 충전을 도입한 것은 리튬이온이나 리튬 폴리머 배터리가 등장하면서 부터이다.

원인은 과충전시 폭발/화재의 위험 때문이며, 과방전시 배터리의 수명(SOH) 단축도 한몫 한다.

납축이던, 니카드던 어떤 종류던 간에 배터리는 고유 내부저항이 다르기 때문에 오래 사용하면 셀간 충전량(SOC)가 다르게 되며 이로 인해 특정셀의 과충전 및 과방전이 진행된다.

* SOC(State of Charging, 충전상태) : 말그대로 충전상태를 뜻하며, 배터리가 완전 충전되어 있을 상태를 100%, 완전 방전 되어 있는 상태는 0%라 한다.

* SOH(State of Health, 예상 수명) : 배터리의 예상되는 수명을 나타낸다. 새 배터리의 경우 100%, 수명이 다한 배터리를 0%로 지시한다.

3. 배터리 충전 이론

배터리 충전은 어떻게 이루어 지는 것일까?

보편적으로 취미생활용으로 가장 많이 사용하는 B6, UNA9, X4등 배터리 충전기를 유심히 보면 비슷하게 충전이 진행된다.

예를들어. 4.2V 1000mAh 1셀 리튬 폴리머를 1C로 충전한다고 가정하자.

3.81V이었던 배터리를 충전기에 물리고 4.2V 1A로 셋팅해서 충전 시작 버튼을 누른다면

3.81V 1A가 액정화면에 표시되는 모습을 볼 수 있다. 그리고 시간이 지나면 지날수록 전압을 올라가지만 충전되는 전류를 보면 일정하다.

그러다 4.2V에 도달하게 되면 반대로 전압이 일정하고 전류가 점점 감소하며 4.2V에 0A가 유지되면 충전이 종료된다.

이게 배터리 충전의 전부다.

이를 조금 전문적인 용어를 섞어서 알아보자.

CV 모드 CC 모드에 대해 들어본적 있나요?

Constant Voltage(CV, 정전압) : 전류를 변화시켜 전압을 유지. 따라서 파워가 변하더라도 전압은 변하지 않는다.

Constant Current (CC, 정전류) : 전압을 변동시켜 전류를 유지. 설정한 전류를 초과하지 않는다.

우리가 일반적으로 충전기에 사용하는 SMPS 12V 짜리의 경우 확실한 CV 모드이지요. 

출력에 충전기를 물려 파워를 끌어가면.. 전류를 증가시키고 전압은 12V로 유지시켜 줍니다. 파워는 전류 증가된 만큼 올라가겠지요.

다시 돌아와서 아까 충전과정에 대해 글로 설명한 것을 그래프로 그리면 아래 사진과 같습니다.

<출처 : 구글, 구글에서 긁어와서 수정하였습니다. 저작권 문제시 이메일 주시면 조치하겠습니다. email : wa4bism@naver.com>

배터리를 충전 시작하게 되면 CC모드로 동작하여 1A를 유지하고 충전이 진행될 수록 배터리 전압은 상승하게 됩니다. 

당연 CC모드로 충전하기 때문에 충전기는 1A를 유지하기 위하여 전류를 레퍼런스로 잡아 충전컨트롤을 하게 됩니다.

이 상태를 충전기에서는 BULK MODE 라고 부릅니다.

이후 배터리 전압이 상승하여 설정 전압에 근접하게 되면 충전기는 CV모드로 변경이 되어 전압을 유지하게 됩니다. 

저는 4.2V로 설정하였으니 4.2V를 맞추기 위해 충전기는 4.2V를 넘지않게 하기 위해 PWM 늘렸다 줄였다 하면서 컨트롤을 하게 되고 

충전량이 어느 이상되면 전류는 점차 감소하게 됩니다.

배터리가 가진 충전량 = 배터리 전압 이므로.. 4.2V를 유지해서 계속 밀어넣다 보면 전류는 점차 줄어 들게 되지요.

이때 까지의 과정을 충전기에서는 Absorption MODE 라고 합니다.

일반적으로 우리가 알고 있는 충전기는 여기서 충전기 종료되게 됩니다.

(하지만 그래프상에 float 모드가 하나 더 있지요. 배터리 메인터넌스 모드라 보시면 됩니다.

일정 전압을 유지하도록 하여 미세전류를 꾸준히 흘려주어 배터리를 관리하는 모드입니다.

우리가 관심갖을 사항은 아닙니다.)

자, 우리가 갖고 있는 충전기는 위와 같은 구성으로 충전을 진행합니다.

2직렬 이상의 경우에도 마찬가지 입니다. 특별한 방법(UNA9)이 아닌 이상 2직렬이던 100직렬이든 위와 같은 방법을 사용하여 충전합니다.

여기서 문제가 발생하게 되지요.

배터리 스트링 전체에 전류를 밀어넣다 보니 충방전을 반복하게 되면 내부 저항에 따라 충전량이 각기 다르게 됩니다.

셀밸런싱의 필요성은 여기서 발생하게 됩니다.

4. 셀 밸런싱의 필요성

예를 하나 들어 보지요.

위와 같은 4셀 리튬 폴리머 배터리가 있어요..

미세(?)하게 셀마다 전압이 다르지요? 이는 밸런싱 없이 충방전을 진행하게 되면 자연스레 발생하는 현상입니다.

이 배터리팩은 현재 14.64V를 지시하고 있구요. 만충전압을 4.2V/CELL 로 가정하고 16.8V 까지 충전을 진행하게 되면.

자 충전기는 직렬연결된 4Cell의 시작과 끝을 연결하여 충전을 진행합니다. 전압 계측하여 16.8V에  Absorption MODE가 종료되고 충전이 끝난 것이지요.

하지만!!! 이게 뭔가요? 우리는 각 셀당 4.2V로 만충시키기 위해 4.2*4 = 16.8를 충전기에 입력하고 충전시켰더니.... 만충시킨 팩 전압은 16.8V 이지만

셀당 전압은 4.2V가 아니네요?

4.25V로 만충된 애들도 있고 4.17V로 아직 충전을 더 해야 하는 셀도 있네요.

일반적인 충전만 해서는 셀당 같은 충전량을 유지할 수 없습니다.

따라서 셀당 개별 충전 컨트롤을 해야 합니다.

5. 셀 밸런싱 방법

가장 간단한 방법은 충전시 가장 전압이 높은 셀을 방전시켜가며 충전을 하여 가장 낮은 셀과 동등하게 만드는 것이다. 설명의 편의를 위하여 충전중이 아닌 상태의 밸런싱에 대해서만 서술합니다.

사진과 같이 가장 낮은 셀을 제외하고 나머지 셀의 양단에 저항을 연결합니다. 당연 방전이 이루어 지겠지요. 저항에서는 전력을 소비하니 열이 날테구요.

그럼 시간이 지나면 아래와 같아지겠지요.

가장 낮은 셀과 동등해 진 셀은 저항을 오픈(개방)합니다. 이제 두셀은 같아지고 두셀 남았습니다.

자. 높았던 두셀중 한셀은 같아져서 저항을 개방하였고 마지막 한셀 남았습니다.

드디어 모든셀이 같아졌습니다.

충전을 하지 않은 상태에서 설명드렸지만 실제로는 위와 같은 과정을 충전중에 진행을 하게 됩니다. 따라서 가장 낮은놈의 전압이 올라가게 되고 결국에는 모든셀의 전압이 4.2V가 되게 됩니다.

위와 같은 방식을 패시브 밸런싱(Passive balancing) 방식이라 불립니다.

그렇다면 다른 방식이 있어야 겠지요?

다른 한가지 방식은 액티브 밸런싱(Active balancing) 방식이 있습니다. 

차이점은 이렇습니다. 충전중 밸런싱을 위해 전류를 소모할 것이냐. 충전에 이용할 것이냐에 따라 구분됩니다. 패시브는 소모를 하며 액티브는 충전에 고스란히 이용합니다. 당연 훨씬 좋은 방식이겠지요?

하지만 엄청난 단점이 있으니, 바로 회로적으로 복잡합니다. 그럼 소자가 많이 들어가게되고, 복잡하게 되겠지요.

대표적인 액티브 밸런싱 차저가 바로 UNA9 입니다.

<출처 : 구글 검색, 미안해요ㅠㅠ 그리기 귀찮아서 구글에서 빌려왔어요>

위 사진은 UNA9의 다이어그램이라 불러도 될만큼 유사합니다. 사실 100% 같지는 않지만 원리는 같습니다.

12V 서플라이를 가지고 개별적인 셀에 전원 공급을 할 수 없습니다. 모든 배터리를 쇼트시키는 꼴이 되고 맙니다. 따라서 서플라이 입력전압을 트랜스를 사용하여 절연시켜야 합니다.

그리고 트랜스의 2차 측에 각 셀을 꼽게 되고, 모든 셀을 개별적으로 제어하여 충전을 진행합니다.

따라서 각 셀에 개별적인 전류를 넣음으로써 모든 셀에 소비 없는 발란싱 충전을 진행하게 됩니다.

실제로 UNA9를 뜯어보거나 옆의 에어벤트 안의 모습을 보시면 노란테이프가 감긴 트랜스가 여러개 있는것을 보실 수 있습니다. 그게 절연을 위해 사용되는 트랜스이며 이 트랜스 및 FET의 용량 설계 때문에 대용량 전류를 흘리기 어려운 단점이 있습니다.

위와 같은 액티브 밸런싱 말고 조금 간단한 액티브 밸런싱 방식도 있습니다.

먼지 복잡하지요???

패시브 방식과 마찬가지고 셀의 시작과 끝에 전류를 흘리는 것은 동일합니다. 하지만 셀중 높은 전압을 가진 셀이 발생하면 그 하위 셀에 전류를 전해 주는 방식입니다. 그러니까. 1번셀이 전압이 높다면 캐패시터에 충전해서 2번셀로 전해주는 방식(위 그림의 좌측)을 취하거나 인덕터에 기전력을 저장하여 2번셀에 흘려 충전시키는 방식(위 그림의 우측)을 사용합니다.

결과적으로는 높은 셀 전압을 바이패스 시켜 다음셀에게 전달해 주는 것이지요. 저항으로 태워 열로 손실내는 것과는 차이가 있지요.

이로서 밸런싱에 대해 알아 보았구요.

장단점 정리를 하자면,

패시브 밸런싱은 간단한 회로로 구성이 가능하다는 단점이 있지만 충전 효율이 떨어지며(밸런싱을 위해 저항을 통해 전력을 태워버림), 충전 시간이 다소 길어질 수 있겠네요.

액시브 밸런싱 중 트랜스를 활용하여 절연하여 충전하는 방식의 경우 모든셀을 개별적으로 충전하기 때문에 충전시간에 제약이 없고 충전기가 밸런싱한다고 헤매는 일이 발생하지 않으며 절연구조라 조금 안전한 사용이 가능하겠구요. 회로가 복잡하고 단가가 높다는 단점이 있겠네요.

이로써 배터리 충전 기술과 셀 밸런싱에 대한 내용을 정리하겠습니다.

* 일부 이미지는 구글에서 검색하여 붙여넣었습니다. 문제 발생시 연락주시면 조치하겠습니다.

* 이 글은 모두 제가 작성한 것입니다. 퍼가실땐 연락을 주시고 퍼가시기 바라며 추후 저작권 관련 민형사상 책임이 발생될 수 있습니다.

* 저는 전문적인 이론을 습득하고 있지 않습니다. 제가 아는 선에 최대한 객관적으로 표현하였습니다만 분명 잘못된 내용이 발생할 수 있습니다. 잘못된 내용은 지적하여 주시면 적극 반영토록 하겠습니다.