셀 화학은 각 셀의 전압과 작동 한계를 설정하며, 직렬-병렬 구성은 이러한 특성을 완전한 배터리 팩으로 확장합니다. 셀을 직렬로 연결하면 총 전압이 증가하고, 병렬로 연결하면 셀 전압은 유지하면서 암페어시 용량과 전류 공급 능력이 증가합니다. 화학과 토폴로지는 함께 팩의 공칭 전압, 용량, 에너지, 안전 한계 및 안정적인 작동에 필요한 BMS 기능을 결정합니다.
직렬 연결 수는 전압을 결정하고, 병렬 연결 수는 용량을 결정하며, 화학은 BMS가 모니터링해야 하는 전압 범위, 열 거동 및 보호 한계를 결정합니다. 일반적인 팩 BMS는 각 직렬 그룹을 모니터링하며, 보다 고도화된 아키텍처는 병렬 그룹 내 개별 셀도 모니터링할 수 있습니다.
직렬 및 병렬 연결이 팩 정격을 설정하는 방식
직렬 연결은 전압을 증가시킵니다
공칭 전압이 (V_\text{cell})인 셀의 경우, 직렬로 연결된 (S)개 셀로 구성된 스트링은 대략 다음과 같습니다.
[ V_\text{pack} = S \times V_\text{cell} ]
예를 들어 LFP 셀은 일반적으로 공칭 전압이 약 3.2 V인 것으로 간주됩니다. 따라서 95직렬 LFP 구성은 다음과 같은 전압을 생성합니다.
[ 95 \times 3.2\text{ V} = 304\text{ V} ]
직렬 연결 수는 셀의 완전 충전 및 방전 한계가 동일한 수만큼 배수로 적용되므로 팩의 최대 및 최소 작동 전압도 결정합니다.
병렬 연결은 용량을 증가시킵니다
용량이 (C_\text{cell})인 셀의 경우, 병렬로 연결된 (P)개 셀로 구성된 그룹은 대략 다음과 같습니다.
[ C_\text{group} = P \times C_\text{cell} ]
따라서 10 Ah 셀 5개를 병렬로 연결하면 LFP 셀 하나의 전압을 유지하면서 약 50 Ah를 제공합니다.
병렬 셀은 부하 전류를 분담하여 각 개별 셀에 요구되는 전류를 줄일 수도 있습니다. 셀의 특성이 잘 일치하고 인터커넥트가 전류를 균등하게 분배한다면 이는 출력 성능을 향상시킬 수 있습니다.
결합 표기법이 전기적 결과를 정의합니다
5P95S 팩은 95개의 직렬 그룹으로 구성되며, 각 그룹에는 5개의 병렬 셀이 있습니다. 10 Ah LFP 셀을 사용할 경우 다음과 같습니다.
- 공칭 전압: 약 304 V
- 용량: 약 50 Ah
- 공칭 에너지: 약 15.2 kWh, 304 V × 50 Ah로 계산
6.5 Ah LFP 셀을 사용하는 90S 팩은 다음을 제공합니다.
- 공칭 전압: 약 288 V
- 용량: 약 6.5 Ah
- 공칭 에너지: 약 1.87 kWh
이는 공칭 정격입니다. 실제 사용 가능한 에너지는 전압 한계, 온도, 전류, 노화 및 BMS 작동 범위에 따라 달라집니다.
화학이 팩 설계를 바꾸는 방식
LFP는 셀당 더 낮은 공칭 전압을 설정합니다
LFP 셀은 일반적으로 약 3.2 V의 공칭 전압과 비교적 평탄한 방전 전압 프로파일을 가집니다. 따라서 공칭 셀 전압이 더 높은 화학계열에 비해 목표 팩 전압에 도달하려면 더 많은 직렬 셀이 필요할 수 있습니다.
평탄한 전압 프로파일은 방전 범위의 일부 구간에서 전압 기반 충전 상태 추정을 덜 정밀하게 만들 수 있습니다. 따라서 BMS는 쿨롱 카운팅, 보정된 전압 측정, 온도 보상 및 주기적인 상태 추정 보정을 활용하는 것이 좋습니다.
LMO는 서로 다른 전압 및 열 한계를 사용합니다
LMO 셀은 LFP 셀과 공칭 전압, 충전 한계, 방전 한계, 임피던스 특성 및 열 거동이 다릅니다. BMS는 LFP 팩의 전압 임계값이나 SOC 모델을 그대로 재사용할 수 없습니다.
기본 설명에서는 35 Ah LMO 셀을 여러 서브팩에 걸쳐 2P95S로 배열하고 총 전압 651 V 및 용량 70 Ah를 갖는 것으로 설명합니다. 70 Ah 용량은 2 × 35 Ah에서 직접 도출됩니다. 그러나 추가적인 직렬 연결 서브팩 정보가 없으면 단일 95S LMO 스트링에서 총 651 V를 도출할 수 없습니다. 따라서 해당 수치를 팩 정격으로 간주하기 전에 전체 서브팩 토폴로지와 전압 정의를 확인해야 합니다.
화학이 보호 임계값을 결정합니다
BMS는 다음 항목에 대해 화학계열별 한계를 사용해야 합니다.
- 최대 셀 충전 전압
- 최소 셀 방전 전압
- 충전 및 방전 전류
- 온도 범위
- 저온 충전
- 과온 및 저온 조건
- SOC 및 배터리 건강 상태 추정
직렬-병렬 배열은 시스템의 규모를 변경하지만 화학계열별 보호 로직의 필요성을 없애지는 않습니다.
BMS가 모니터링해야 하는 항목
직렬 그룹 전압 모니터링
고전압 팩에서 가장 중요한 전기적 측정값은 모든 직렬 그룹의 전압입니다. BMS는 이러한 측정값을 사용하여 다음을 감지합니다.
- 충전 중 과전압
- 방전 중 저전압
- 셀 또는 그룹 불균형
- 비정상적인 전압 강하
- 개방 회로 또는 인터커넥트 결함
일반적인 5P95S 설계에서 BMS는 각 병렬 그룹을 하나의 전압 노드로 취급하므로 일반적으로 약 95개의 직렬 그룹 전압 채널을 갖습니다. 추가적인 셀 수준 감지가 제공되지 않는 한 BMS는 5개의 병렬 셀 각각의 전압을 구분하지 못할 수 있습니다.
온도 모니터링
팩 전체의 대표적인 위치, 특히 고전류 인터커넥트, 열 인터페이스 및 열 위험이 높은 셀 주변에는 온도 센서가 필요합니다.
온도 데이터는 충전 및 방전 출력 제한, 열 관리 제어, 과온 차단, 저온 충전 보호 및 비정상적인 국부 발열 감지를 지원합니다.
전류 측정
팩 전류 감지를 통해 BMS는 과전류 및 단락 조건을 식별하는 동시에 SOC 추정을 위한 쿨롱 카운팅을 지원할 수 있습니다.
변화하는 부하에서 전압만으로는 남은 용량을 안정적으로 파악할 수 없기 때문에 전류 측정은 특히 중요합니다.
절연 저항 테스트
고전압 팩은 고전압 도체와 팩 인클로저 또는 차량 섀시 사이의 절연을 모니터링해야 합니다. 절연 저항 감소는 수분 침투, 절연 손상, 오염 또는 내부 결함을 나타낼 수 있습니다.
이 기능은 셀 전압 모니터링과는 별개입니다. 셀 전압이 정상인 팩이라도 위험한 절연 결함이 발생할 수 있습니다.
컨택터 및 릴레이 제어
BMS는 고전압 컨택터 또는 릴레이를 제어하여 배터리를 외부 시스템에 연결하거나 분리합니다. 일반적인 기능으로는 프리차지 제어, 비상 차단, 충전 활성화 제어 및 결함 감지 후 절연이 포함됩니다.
컨택터 전략은 팩의 공칭 전압뿐만 아니라 총 전압과 저장 에너지도 고려해야 합니다.
결함 경보 및 SOC 추적
BMS는 전압, 온도, 전류, 절연, 통신, 센서 및 컨택터 결함에 대한 온라인 경보를 생성해야 합니다. 또한 SOC와 필요한 경우 배터리 건강 상태 및 가용 전력을 추적해야 합니다.
SOC 추정은 셀 화학과 팩의 노화 상태를 모두 반영해야 합니다. 셀이 노화하거나 불균형해지면 병렬 용량 확장이 완벽하게 유지되지 않습니다.
셀 매칭이 중요한 이유
병렬 그룹은 전류를 균등하게 분담해야 합니다
병렬로 배치되는 셀은 용량, 내부 저항, 전압 및 충전 상태가 서로 밀접하게 일치해야 합니다. 저항 차이로 인해 전류가 불균등하게 분배될 수 있으며, 저항이 낮은 셀이 더 많은 부하를 부담하거나 더 많은 충전 전류를 받을 수 있습니다.
이러한 불균등한 거동은 그룹 내 국부 발열을 유발하고 노화를 가속할 수 있습니다.
직렬 스트링은 가장 약한 그룹에 의해 제한됩니다
직렬 스트링의 사용 가능한 용량은 전압 한계에 가장 먼저 도달하는 그룹에 의해 제한됩니다. 하나의 약한 그룹만으로도 BMS가 방전을 조기에 중단하거나 더 강한 그룹이 완전히 활용되기 전에 충전을 종료할 수 있습니다.
따라서 셀 제조 및 조립 과정에서 전극 코팅, 압밀 밀도, 초기 전압, 용량 및 내부 저항의 일관성이 중요합니다.
제조 품질은 BMS 작업량에 영향을 미칩니다
고정밀 제조 및 조립은 전압 편차, 열 불균형 및 불필요한 밸런싱 작업을 줄입니다. BMS는 여전히 필요하지만, 특성이 더 잘 일치하는 셀을 사용하면 측정값의 예측 가능성이 높아지고 개입 빈도가 줄어듭니다.
트레이드오프 이해하기
직렬 셀이 많을수록 전압과 모니터링 복잡성이 증가합니다
직렬 연결 수를 늘리면 팩 전압이 상승하고 동일한 출력 수준에서 전류를 줄일 수 있습니다. 그러나 전압 모니터링 채널 수, 절연 요구 사항, 컨택터 정격 및 결함 발생 시 영향도 함께 증가합니다.
따라서 고전압 설계에는 전기, 기계, 열 및 안전 엔지니어링의 통합적인 검토가 필요합니다.
병렬 셀이 많을수록 용량은 증가하지만 밸런싱 문제가 추가됩니다
병렬 연결 수를 늘리면 공칭 전압을 높이지 않고 용량과 전류 공급 능력을 증가시킬 수 있습니다. 그러나 셀, 인터커넥트 및 결함 경로가 늘어나고 전류가 불균등하게 분담될 가능성도 커집니다.
일반적인 BMS는 병렬 그룹의 결합 전압만 감지할 수 있으므로, 셀 수준 감지나 추가 진단 방법이 없다면 해당 그룹 내부의 개별 셀 결함을 식별하기 어려울 수 있습니다.
토폴로지 표기법은 실제 아키텍처와 일치해야 합니다
5P95S라는 표기는 일반적으로 그룹당 5개의 병렬 셀과 직렬로 연결된 95개의 그룹을 의미합니다. 100S4P로 설명된 설계는 실제 배열과 BMS 아키텍처에 따라 BMS가 100개의 병렬 블록을 모니터링하는지 또는 여러 개의 독립적인 직렬 스트링을 모니터링하는지가 달라질 수 있으므로 신중하게 해석해야 합니다.
토폴로지를 잘못 해석하면 전압 채널 수가 부정확해지고, 적합하지 않은 밸런싱 하드웨어를 사용하게 되며, 보호 동작이 잘못될 수 있습니다.
공칭 전압만으로는 전체 전압 사양을 설명할 수 없습니다
팩의 공칭 전압은 시스템 수준의 비교에 유용하지만, BMS는 전체 최소-최대 전압 범위를 기준으로 작동해야 합니다. 이 범위는 화학계열의 셀 한계와 직렬 셀 수에 따라 달라집니다.
충전기, 인버터, 컨택터, 절연 시스템, 퓨즈 및 측정 전자 장치는 모두 가능한 최대 팩 전압을 기준으로 정격이 설정되어야 합니다.
목표에 맞는 선택
올바른 설계는 필요한 전압, 에너지, 출력, 작동 온도, 안전 한계 및 BMS 아키텍처를 정의하는 것에서 시작합니다.
- 주요 목표가 더 높은 시스템 전압인 경우: 직렬 연결 수를 늘리고 화학계열에 맞는 전압 한계를 선택하며, 그 결과 발생하는 최대 전압에 맞춰 BMS, 절연 모니터링, 컨택터 및 전력 전자 장치의 정격을 설정합니다.
- 주요 목표가 더 큰 용량 또는 전류 공급 능력인 경우: 병렬 연결 수를 늘리고 전류 분담 및 셀 매칭을 검증하며, 추가되는 열 및 진단 복잡성을 고려합니다.
- 주요 목표가 BMS 단순화인 경우: 각 병렬 그룹을 직렬 단위로 의도적으로 모니터링하는 명확한 병렬 우선 아키텍처를 사용하되, 개별 셀 결함에는 추가 감지가 필요할 수 있음을 인지합니다.
- 주요 목표가 안전성과 유지보수성인 경우: 직렬 그룹 전압 감지, 온도 모니터링, 전류 감지, 절연 테스트, 컨택터 제어, 결함 경보 및 화학계열별 SOC 및 보호 알고리즘을 제공합니다.
- 주요 목표가 신뢰성 높은 수명 성능인 경우: 셀 제조 및 조립 편차를 관리하여 병렬 그룹과 직렬 스트링 전체에서 용량, 내부 저항, 전압 및 열 거동이 균일하게 유지되도록 합니다.
화학은 셀의 전기적 및 안전 거동을 결정하며, 직렬-병렬 패키징은 이러한 거동을 팩으로 확장합니다. 따라서 팩의 전압, 용량 및 BMS 요구 사항은 하나의 통합 시스템으로 설계되어야 합니다.
요약 표:
| 요소 | 직렬 연결 | 병렬 연결 |
|---|---|---|
| 전압에 미치는 영향 | 총 전압 증가 (V = S × V_cell) | 셀 수준의 전압 유지 |
| 용량에 미치는 영향 | 용량 변화 없음 | 용량 증가 (C = P × C_cell) |
| 전류에 미치는 영향 | 동일한 출력에서 전류 감소 | 전류 공급 능력 증가 |
| BMS 모니터링 | 각 직렬 그룹의 전압 모니터링 | 그룹 전압 모니터링, 개별 셀은 모니터링하지 않는 경우가 많음 |
| 주요 위험 | 고전압에 따른 절연 및 컨택터 정격 필요 | 불균등한 전류 분담, 셀 매칭 필요 |
| 설계 영향 | 직렬 셀 증가 = 전압 상승, BMS 채널 증가 | 병렬 셀 증가 = 용량 증가, 열 복잡성 증가 |
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