[CCTV뉴스=이나리 기자] 에너지 밀도와 피크 전력이 높은 리튬 폴리머 또는 리튬 인산철(LiFePO4) 셀을 직렬로 연결한 대형 배터리 스택이 완전 전기차(EV 또는 BEV)와 가솔린·전기 하이브리드차(Hybrid Electric Vehicle),  플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 에너지 저장 시스템(Energy Storage System) 등 다양한 애플리케이션에서 사용되고 있다. 특히 전기차 시장은 배터리 셀을 직렬·병렬로 연결한 대형 배터리 어레이에 대한 수요가 폭발적으로 늘어날 것으로 전망된다. 2016년에는 전세계 PHEV 판매가 77만 5000 대였는데, 2017년에는 이 판매가 113만 대에 달할 것으로 전망된다.(출처: EVvolumes.com)

이처럼 고용량 셀의 수요는 갈수록 증가하고 있지만, 배터리 가격은 여전히 꽤 높게 유지되고 있다. 특히 배터리는 EV 또는 PHEV에서 가장 비싼 부품으로 자리잡았다. 수백 킬로미터의 주행 거리가 가능한 배터리 가격은 통상적으로 약 1만 달러 대로 판매된다. 이런 높은 가격 때문에 대다수 배터리는 저가격대의 제품 또는 재생 셀이 사용되고 있다. 그러나 이런 셀은 용량 불일치가 높기 때문에 단일 충전으로 가능한 사용시간, 즉 주행거리를 단축시킨다. 또 가격이 비싸고 품질이 우수한 셀이라 하더라도 계속해서 사용하면 노후화가 진행되고 차이가 발생되는 문제가 발생한다. 

차이가 발생한 셀들을 사용해 스택 용량을 높이기 위해서는 두 가지 접근법이 필요하다. 첫째는, 애초부터 더 큰 배터리를 사용하는 것이다. 하지만 이 방법은 비용적으로 효과적이지 않다. 둘째는, 능동 밸런싱을 하는 것이다. 능동 밸런싱은 배터리 팩으로 용량을 회복하기 위한 새로운 기법으로서 최근 들어 사용률이 빠르게 늘고 있다.

“모든 직렬 연결 셀, 밸런싱 필요로 한다”

배터리 스택의 모든 셀은 동일한 충전 상태(State of Charge: SoC)일 때 ‘밸런싱(평형)’이 된다. SoC는 배터리를 충전하고 방전할 때 개별 셀이 자신의 최대 용량 중에서 현재 남아 있는 용량을 의미한다. 예를 들어 10Ahr(암페어시) 셀은 용량이 5Ahr가 남았으면 50% SoC라고 할 수 있다. 

배터리 셀의 손상이나 수명 단축을 방지하기 위해서는 일정한 SoC 범위 이내로 유지해야 한다. 그러나 적정한 SoC의 최소 또는 최대 값은 애플리케이션에 따라 달라진다. 예를 들어, 배터리 사용 시간을 중요하게 요구하는 애플리케이션의 경우에는 모든 셀을 20% 최소 SoC에서부터 100% 최대 SoC(최대로 충전된 상태) 범위로 동작할 수 있다. 반면 배터리 수명을 되도록 길게 해야 하는 애플리케이션에서는 SoC 범위를 30% 최소에서부터 70% 최대로 제한할 수 있다. 전기차와 전기 저장 시스템은 통상적으로 이런 SoC 한계를 사용한다.

배터리 수명을 되도록 길게 해야 하는 애플리케이션은 크고 비싼 배터리를 사용해야 하고, 배터리를 교체하려면 비용이 엄청나게 비싸다. 따라서 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)의 주된 역할은 배터리 스택 내의 모든 셀을 면밀하게 모니터링하고 어떤 셀도 해당 애플리케이션의 최소 또는 최대 SoC 한계 이상으로 충전되거나 방전되지 않도록 하는 것이다.

직렬·병렬 셀 어레이의 경우, 병렬로 연결된 셀들은 자동으로 상호 간에 밸런싱이 된 것으로 간주할 수 있다. 다시 말해서, 셀 단자들 사이에 전도 경로가 존재한다면, 시간이 경과하면서 병렬로 연결된 셀들 간에 충전 상태가 자동으로 균등화될 것이다. 마찬가지로 직렬로 연결된 셀들에 대해서는 여러 가지 요인에 의해서 시간이 지나면서 셀들의 충전 상태가 차이가 날 것으로 간주할 수 있다. 

팩 내부의 온도 차이 또는 셀들 간에 임피던스, 자체 방전 비율, 부하 부담 등의 차이로 인해 점차적으로 SoC가 달라질 것이다. 배터리 팩 충전과 방전 전류에 비해 이런 셀들 간의 차이가 작더라도 셀들을 규칙적으로 밸런싱하지 않는 한 누적된 차이가 점점 더 커질 것이다. 이런 이유로 셀들 간에 SoC가 점차적으로 차이 나는 것을 보정하기 위해 직렬 연결 배터리를 밸런싱 한다. 통상적으로 수동 또는 소모성 밸런싱은 용량이 잘 매칭된 셀로 이루어진 스택으로 SoC를 다시 밸런싱 하고자 할 때 사용하기 적합하다.

수동 밸런싱[그림 1a]은 단순하면서 비용이 저렴하지만 속도가 느리고, 배터리 팩 내에서 원치 않는 열을 발생시키며, 스택 내에서 SoC가 가장 낮은 셀을 기준으로 나머지 모든 셀의 남은 용량을 낮추는 방식으로 밸런싱을 한다. 또 수동 밸런싱에서 흔하게 발생되는 오차 요인은 용량 차이로 인한 SoC 오차를 효과적으로 처리하지 못한다. 일반적으로 모든 셀은 노후화될수록 점점 용량이 감소하는데, 앞에서 언급된 이유로 인해 용량 감소가 각기 다른 비율로 일어나게 된다. 

스택 전류는 모든 직렬 셀들이 똑같이 흘러 들어가고 나온다. 또 스택 내에서 용량이 가장 낮은 셀로 인해 스택으로 사용할 수 있는 용량이 결정된다. 그러므로 [그림 1b]과 [그림 1c]처럼, 같은 능동 밸런싱 기법을 사용해야만 스택 전체에 걸쳐서 전하를 재분배하고 셀들 간의 차이로 인해 용량이 감소되는 것을 방지할 수 있다.