초기 DC 저항 차이는 병렬 리튬 이온 셀 간의 전류 분배 방식을 직접적으로 변화시킵니다. 모든 병렬 분기는 거의 동일한 단자 전압을 공유하므로 내부 저항이 낮은 셀은 저항이 높은 셀보다 충전 또는 방전 전류를 처음에 더 많이 부담합니다. 이러한 불균형은 고전류로 작동할 때와 충전 또는 방전이 끝날 무렵에 가장 두드러지는 경우가 많으며, 이때 SOC, 분극 및 OCV 차이가 그 영향을 증폭시킵니다. 따라서 조립 전에 셀을 선별하고 매칭하여 불균일한 발열, 노화 및 용량 활용을 방지하려면 정밀한 셀 테스트가 필수적입니다.

병렬 배터리 팩에서는 셀이 병렬로 연결되어 있다는 이유만으로 전류를 자동으로 동일하게 분배하지 않습니다. 예측 가능한 전류 분배와 긴 팩 수명을 달성하려면 DC 저항, SOC, 용량 및 전압 거동을 정확하게 측정하고 매칭해야 합니다.

저항 편차가 전류 분배를 변화시키는 방식

병렬 셀은 전압을 공유하지만 반드시 전류를 동일하게 공유하지는 않습니다

병렬로 연결된 셀은 공통 단자 전압으로 제한되지만, 각 셀은 고유한 내부 전기적 특성을 가집니다. 단순화한 관계식은 다음과 같습니다.

[ V_{\text{terminal}} = V_{\text{OCV}} - I R_{\text{internal}} ]

이는 방전 중의 관계이며, 충전 중에는 저항 항의 방향이 반대로 바뀝니다.

OCV와 SOC가 유사한 셀의 경우, 저항이 낮은 셀은 전류를 전달하는 데 필요한 내부 전압 강하가 더 작습니다. 따라서 충전 중에는 더 많은 전류를 받아들이고, 방전 중에는 더 많은 전류를 공급합니다.

저항이 낮은 셀이 초기 부담을 더 많이 부담합니다

정전류 충전 중에는 저항이 낮은 분기가 인가된 전류의 불균형적으로 큰 부분을 초기에 흡수합니다. 방전 중에도 동일한 분기가 부하에 더 많은 전류를 공급하는 경향이 있습니다.

그 결과 저항 손실에 의한 전력 소모가 불균일해집니다.

[ P_{\text{loss}} = I^2R ]

저항이 낮은 셀의 (R) 값은 더 작지만, 전류가 크게 증가하면 전력이 전류의 제곱에 비례하여 상승하기 때문에 총 발열량이 더 커질 수 있습니다.

전류 불균형은 일시적일 수 있지만 그 영향은 지속됩니다

저항이 낮은 셀이 더 많은 충전을 받아들이면 해당 셀의 SOC와 OCV가 인접 셀보다 더 빠르게 상승합니다. 이로 인해 발생하는 전압 차이는 해당 분기로 유입되는 추가 전류를 억제하여 부분적인 자기 보정 효과를 만듭니다.

이러한 피드백은 시간이 지나면서 전류 차이를 줄일 수 있지만, 초기 불균형의 결과를 없애지는 못합니다. 해당 셀은 여전히 더 큰 열 스트레스와 빠른 노화를 겪을 수 있으며, 병렬 그룹의 다른 셀과 다른 SOC 변화를 보일 수 있습니다.

작동 한계에 가까워질수록 불균형이 심각해지는 이유

SOC 차이가 구동력을 변화시킵니다

서로 다른 OCV를 가진 셀은 동일한 전기화학적 상태에서 시작하지 않기 때문에 초기 SOC 차이가 중요합니다. 셀을 병렬로 연결하면 팩을 외부 충전기나 부하에 연결하기 전에도 전압 차이로 인해 일시적인 균등화 전류가 발생할 수 있습니다.

더 높은 SOC에서 시작한 셀은 작동 조건에 따라 SOC가 낮은 셀보다 충전 전류를 덜 받아들이거나 더 많은 방전 전류를 공급할 수 있습니다. 따라서 저항과 SOC는 독립적인 변수가 아니라 서로 상호작용합니다.

분극이 전류 편차를 증가시킵니다

충전 또는 방전이 계속되면 각 셀은 화학적 특성, 온도, SOC 및 전류 이력과 관련된 분극 거동을 나타냅니다. 이러한 영향은 각 분기의 유효 전압 관계를 변화시킵니다.

충전이 끝날 무렵에는 저항, SOC 또는 분극의 작은 차이도 분기 전류에 큰 변화를 일으킬 수 있습니다. 한 셀은 전압 또는 전류 한계에 도달하는 반면, 다른 셀은 아직 충분히 충전되지 않은 상태로 남을 수 있습니다.

방전 전압이 조기에 떨어질 수 있습니다

높은 부하에서 내부 저항은 셀의 단자 전압을 낮추는 전압 강하를 발생시킵니다. 저항이 높은 셀은 저항 강하로 인해 여전히 사용 가능한 화학적 용량이 남아 있더라도 팩의 저전압 차단 지점에 더 일찍 도달할 수 있습니다.

이는 팩 차단이 모든 셀의 실제 고갈이 아니라 전기적 불균형을 반영할 수 있음을 의미합니다. 결과적으로 병렬 블록의 가용 용량은 작동 성능이 가장 약한 분기에 의해 제한됩니다.

팩 수준의 저항이 나타내는 것

동일한 셀은 저항을 예측 가능하게 낮춥니다

동일한 (N)개의 셀이 병렬로 연결된 경우 이상적인 관계식은 다음과 같습니다.

[ C_{\text{block}} = N C_{\text{cell}} ]

그리고

[ R_{\text{block}} = \frac{R_{\text{cell}}}{N} ]

이는 셀의 저항, 용량, 온도, SOC 및 전기적 연결 상태가 서로 유사하다는 가정에 기반합니다.

서로 다른 셀에는 병렬 저항 모델이 필요합니다

저항이 서로 다른 셀의 경우 등가 저항은 다음과 같습니다.

[ \frac{1}{R_{\text{block}}}

\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \cdots ]

등가 저항만으로는 전류가 균형 있게 분배되는지 알 수 없습니다. 한 분기가 다른 분기보다 지속적으로 더 많은 전류를 부담하더라도 팩의 종합 저항은 허용 가능한 수준으로 나타날 수 있습니다.

따라서 엔지니어는 전체 팩의 거동과 개별 분기의 거동을 모두 평가해야 합니다.

정밀 셀 테스트가 중요한 이유

DC 저항 측정은 전류를 많이 부담할 셀을 식별합니다

정확한 DC 내부 저항, 즉 DCIR 테스트는 셀을 병렬로 배치했을 때 비정상적으로 높거나 낮은 전류를 부담할 셀을 식별하는 데 도움이 됩니다. 측정 결과는 펄스 지속 시간, SOC, 온도, 휴지 시간 및 평가 대상 전압 응답에 따라 달라지므로 테스트 방법을 제어해야 합니다.

단일 저항값은 선별에 유용하지만 셀의 동적 거동을 완전히 나타내지는 못합니다.

SOC-OCV 특성화는 전압 불일치를 드러냅니다

SOC와 OCV의 관계를 측정하면 작동 범위 전체에서 각 셀의 전압이 어떻게 변하는지 확인할 수 있습니다. 이는 LiFePO4와 같은 화학계에서 특히 중요합니다. 이러한 화학계는 넓은 범위에서 전압 평탄 구간이 나타나므로 전압만으로 SOC 차이를 추정하기 어렵기 때문입니다.

SOC-OCV 데이터와 저항 측정을 결합하면 특정 작동 지점에서는 유사해 보이지만 충전 및 방전 중에는 다르게 작동하는 셀을 구분할 수 있습니다.

용량과 분극이 셀 매칭을 완성합니다

셀은 용량, 쿨롱 효율, 레이트 성능 및 분극 응답에 대해서도 평가해야 합니다. 초기 DCIR이 유사한 두 셀이라도 한 셀의 용량이 더 낮거나 부하 상태에서 전압 응답이 크게 다르면 서로 다른 거동을 보일 수 있습니다.

견고한 매칭 프로세스는 명판 용량이나 개방 회로 전압에만 의존하지 않고 실제 분기 거동을 결정하는 매개변수를 비교합니다.

정밀 테스트는 모델 검증을 지원합니다

배터리 테스트 시스템은 제어된 충전 및 방전 프로파일에서 분기 전류, 전압 강하, 온도 및 SOC 거동을 측정할 수 있습니다. 이러한 결과를 통해 엔지니어는 실제 팩 거동을 이론적인 병렬 저항 및 용량 계산과 비교할 수 있습니다.

상호 연결 저항, 열 구배, 접촉 품질 및 동적 전기화학적 영향이 조립 후 전류 불균형에 모두 기여할 수 있으므로 이러한 검증이 중요합니다.

트레이드오프 이해하기

매칭은 위험을 줄이지만 셀을 완전히 동일하게 만들지는 않습니다

셀 등급 분류는 전류 분배를 개선하지만 제조 편차와 노화는 피할 수 없습니다. 사용 중 저항, 용량 및 SOC가 서로 다른 속도로 변할 수 있으므로 처음에 잘 매칭된 팩도 시간이 지나면서 균형이 저하될 수 있습니다.

따라서 설계에는 적절한 모니터링, 보호, 열 관리 및 작동 한계가 여전히 필요합니다.

저항이 낮은 셀이 항상 최상의 셀인 것은 아닙니다

낮은 저항은 일반적으로 더 나은 전력 공급을 지원하지만, 저항은 용량, 누설, 온도 거동 및 노화 이력과 함께 고려해야 합니다. 측정된 저항이 가장 낮다는 이유만으로 셀을 선택하면 에너지 용량이나 장기 거동이 일관되지 않은 그룹이 구성될 수 있습니다.

목표는 한 가지 매개변수의 최저값이 아니라 서로 호환되는 셀 집단을 구성하는 것입니다.

종합 측정은 분기 문제를 숨길 수 있습니다

개별 셀이 서로 다른 전류를 경험하더라도 팩 수준의 전압 및 저항 측정은 정상적으로 보일 수 있습니다. 이는 팩의 분기 모니터링이 제한적이거나 전류 경로의 버스바 및 접촉 저항이 서로 다를 때 특히 문제가 됩니다.

따라서 테스트와 설계 검증은 최종 팩의 공칭 사양뿐만 아니라 대표적인 작동 조건에서의 전류 분배도 검토해야 합니다.

측정 정밀도는 설계 여유도에 맞아야 합니다

예상되는 저항 차이가 작다면 테스트 시스템의 정확도, 반복성, 치구 저항, 온도 제어 및 접촉 품질이 중요해집니다. 부정확한 측정 관리로 인해 실제 관측 편차가 테스트 시스템 오류임에도 셀이 매칭된 것처럼 보일 수 있습니다.

선별 프로세스는 팩의 전류, 열, 안전 및 수명 요구 사항을 바탕으로 허용 가능한 공차를 정의해야 합니다.

목표에 맞는 선택

적절한 테스트 수준은 팩의 전류 및 수명 요구 사항이 얼마나 까다로운지에 따라 달라집니다.

• 주요 관심사가 전류 분배인 경우: 여러 작동 지점에서 DCIR, SOC, OCV 및 분극 거동을 측정한 다음 예상 분기 전류와 관련된 공차를 사용하여 셀을 매칭합니다.
• 주요 관심사가 사용 수명인 경우: 한 분기가 지속적으로 불균형적으로 큰 전기적 또는 열적 스트레스를 받지 않도록 일관된 저항, 용량, 열 응답 및 노화 거동을 우선적으로 고려합니다.
• 주요 관심사가 고출력 작동인 경우: 공칭 용량이나 단일 지점 저항 측정에 의존하지 말고 실제와 유사한 펄스 및 연속 부하 프로파일에서 전류 분배와 전압 강하를 검증합니다.
• 주요 관심사가 제조 일관성인 경우: 조립 전에 반복 가능한 정밀 테스트 절차를 사용하여 셀을 등급 분류하고, 측정된 모듈 거동이 예측된 병렬 모델과 일치하는지 검증합니다.

정밀한 셀 특성화는 병렬 셀 거동을 통제되지 않은 변동 요인에서 측정 및 관리 가능한 설계 매개변수로 전환합니다.

요약 표:

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