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리튬인산철(LiFePO4) 파워뱅크를 구성하기 위해서는 배터리를 과전류나 과충전, 과방전 등으로부터 보호하고, 구성된 각각의 단[일]셀 간에 단자 전압의 차이로 인한 방전 시 효율 저하와 궁극적으로 비싼 배터리의 수명을 연장하기 위해서 주변 회로가 필요합니다. 대표적으로 PCM 그리고 BMS, Battery Equalizer 등이 있습니다. 

PCM(Protection Circuit Module)

전통적으로 리튬이온 계열의 배터리는 과충전을 방치 할 경우, 내부 과열과 화학반응이 일어나는 스웰링(swelling) 현상으로 용기의 내부압력 증가로 인해 폭발이 일어나기도 합니다. 또한 과방전으로 방전 종지전압 이하로 내려가면 전극이 영구 손상되어 사용할 수 없게 됩니다.

이를 사전에 방지하고 위험 요소를 제거하기 위해 보호회로는 필수적입니다. 이를 보호회로를 PCM(Protection Circuit Module)라 부르고 통상 리튬이온 계열 배터리의 PCM은 다음과 같은 필수 4가지의 기능과 규격을 갖고 있습니다.

1. 과충전 보호기능(Over Charge Protection Voltage)

최대 보호 전압(충전 종지 전압) 이상 과충전 시 화학반응이 시작되어 가스와 열이 발생하고 배부름(스웰링 현상)과 폭발로 이어지기 때문에 이를 보호하기 위하여 이 보호 전압에 도달하면 충전을 중단시키게 됩니다.

2. 과방전 보호기능(Over Discharge Protection Voltage)

최소 전압(방전 종지 전압) 이하로 방전되면 회복불능으로 전지가 손상되므로 이를 방지하기 위하여 최소 전압에 이르면 방전을 차단시키게 됩니다.

3. 과전류 차단기능(Over Current Protection/Detection current)

최대 허용 전류로 외부 기기의 오동작이나 실수로 인한 과전류로 배터리나 PCM이 손상되는 것을 방지하기 위해 이 이상의 전류가 흐르면 차단시키게 됩니다.

4. 단락 보호기능(Short Protection/Detection Condition)

어떠한 이유로 외부의 부하가 단락(합선)되면 배터리나 PCM이 손상되는 것과, 단락으로 인한 화재로부터 보호하기 위해 배터리의 전류 공급을 차단시키게 됩니다.

과충전이나 과방전은 단[일]셀과 직렬연결된 2S, 3S, 4S, ..., nS의 경우, 모두 각 직렬단의 개별전압을 검출하여 보호기능을 수행합니다. 따라서 직렬연결단의 한 셀이라도 과충전과 과방전 상태가 검출되면 전체의 입출력이 차단됩니다.

단셀 PCM의 경우, 배터리의 단자와 연결되는 측을 B+, B-로 표기하고 외부 부하로 연결되는 측은 P+, P-로 표시하며 일반적으로 방전시는 출력, 충전시는 입력으로도 사용합니다. 전기적으로 대부분 B+와 P+는 쇼트(단락)되어 있거나 사이에 PTC Fuse(Poly Switch 라고도 함)를 통해 연결되고, B-와 P-사이에는 통상 Dual N-ch FET가 과충전과 과방전을 검출하는 IC의 On/Off 신호에 의해 차단 또는 해제가 이루어집니다. 또한 방전시 FET 내부저항 혹은 별도의 전류검출용 정밀저항을 의해 전위차를 검출하여 과전류 및 단락 보호기능을 수행합니다.

2S 이상의 다직렬 연결일 경우는 전용 검출제어 IC가 과충전과 과방전 상태를 각단 별로 검출하여 하나로 모아 차단합니다. 이 경우 어느 한 단이라도 이상이 검출되면 전체가 차단되기 때문에 셀밸런싱(cell balancing)이 매우 중요합니다. 셀밸런싱이란 다직렬을 구성하는 각각의 단일셀간의 전압차로 충전된 용량이 서로 다른 것으로, 직렬연결시 가장 적게 충전된 셀의 용량만큼 사용하게 되므로 효율이 나빠지고 배터리의 내부 저항 등의 차이에 의해 수명도 단축됩니다.

또한 부하상태에서 차단시 배터리 전압이 다시 상승하기 때문에 일정 히스테리시스(hysteresis) 전압을 주어 On/Off가 계속 반복되는 현상을 막아주며, 그렇기 때문에 차단 전압과 해지 전압이 별도 규격에 표시되어 있습니다.

BMS (Battery Management System)

PCM의 기본 보호기능 외에 배터리 관리에 필요한 다양한 기능들을 수행하는 것을 BMS(Battery Management System)이라고 부릅니다. 통상 셀밸런싱 기능이 있는 것을 BMS라 부르지만 넓은 의미에서는 가장 초보적인 BMS의 일부분입니다. 스마트그리드(smart grid)의 ESS(에너지 저장장치)나 전기자동차의 BMS는 다음의 기능들이 확장되어 있습니다.

1. 통신기능

유무선 통신을 이용해 모니터링한 배터리의 정보를 전송하거나 제어합니다.

2. 모니터 기능

배터리의 모든 정보, 충방전 상태, 전압, 온도, 내부압력, 입출력 상태 등을 감시합니다.

3, 계산 기능

배터리 스스로 잔량, 시간, 총에너지량, 사용 충방전 이력 등을 계산하여 충방전 제어를 합니다.

4. PCM 및 셀밸런싱 기능

리튬인산철 파워뱅크를 구성하기 위해서는 고급 기능이 굳이 필요없는 BMS로 충분한데 이를 '셀밸런싱(cell balancing) 기능을 갖는 PCM'이라고 부를 수 있으며 여기에 충방전 상태, 전압, 온도, 배터리 잔량을 표시하는 기능이 추가된다면 충분할 것입니다.

BMS의 다직렬 셀밸런싱의 동작 원리는 충전시 각 직렬단별로 충전 전압(보통 4.2V)을 검출하여 그 단에 저항을 병렬로 연결시켜서 그 단의 충전 전압 상승을 억제하고, 전류를 저항 경로로 우회시켜(bypass) 아직 만충전 전압에 도달하지 못한 다른 단의 충전이 좀더 빠르게 이루어지도록 도와줍니다. 이때 그 단에서 저항을 통해 우회하는 전류를 '밸런싱 전류'라고 합니다.

대부분의 밸런스 충전기 역시 위와 같은 방법으로 충전을 하기 때문에 셀의 용량이 크면 클수록 상대적으로 많은 시간이 걸려야 밸런싱이 이루어지고, 또한 밸런싱 전류에 비해 큰 충전 전류를 공급하면 미처 밸런싱이 마치지 않은 상태로 충전기가 차단하거나 과충전 차단이 되어 충전이 종료되게 됩니다.

그러므로 이치적으로 모든 배터리의 직병렬 연결시에는 사전에 수동으로 셀밸런싱을 해야만 주어진 용량을 십분 활용할 수 있습니다. 참고로 리튬인산철 파워뱅크의 처음 구성시 리튬인산철 배터리의 수동 셀밸런싱은 단[일]셀간 0.1V 이하가 바람직합니다. 만일 그렇지 않으면 단셀의 종지 충전 전압이 4.2V라 하면 4S 파워뱅크 구성시 16.8V에서 충전이 차단되어야 하는데 만충전 전압이 16.4V가 나올 수도 있다는 것입니다. 이는 셀밸런싱이 틀어진 직렬단 중 어느 한 단이 먼저 과충전으로 차단되었기 때문입니다.

배터리 Equalizer / Active balancer

BMS는 충전시 단일셀 전압 3.5V~3.6V 이상에서 밸런싱을 하지만 이퀄라이저는 상시 밸런싱을 합니다. 밸런싱 전류보다 큰 충전 전류로 충전했다손 치더라도 충천시 외에도 항상 셀밸런싱을 하므로 능동 밸런서(active balancer)라고 부르며, 파워뱅크 구성 초기에 BMS 연결시 전압을 균일하게 조정안했다 하더라도 충분히 놔두면 최초 사용 이전까지 스스로 밸런싱이 이루어지게 됩니다.

Active balancer를 사용하면 단일셀 간 0.1V 이상의 전압차가 발생하면 0.03V까지 밸런싱을 잡아주는 장치로 각셀의 전압차가 발생했을 때 높의 셀의 전압을 낮은 셀로 보내서 밸런스를 맞춥니다. 200A이하는 BMS만 사용해도 되지만, 그 이상의 파워뱅크는 BMS의 한계 용량을 넘어서기 때문에 이퀄라이저를 사용합니다.

배터리 자주 충방전 해야 하는 경우나 200Ah 이상의 고용량의 다직렬 파워뱅크의 제작시에 배터리 Equalizer의 추가가 요구됩니다.