직렬 셀 스트링이 드리프트하는 이유와 밸런싱이 실제로 하는 일

4칸 홀더에 6단계의 라벨이 붙은 네 개의 셀을 사용하십시오. 무엇보다 먼저, 각 셀을 **개별적으로, 홀더에서 분리한 상태로**, 충분히 쉬게 한 뒤 소수점 셋째 자리까지 측정하고, 네 개의 수치를 날짜와 함께 기록하십시오. 그다음 각 셀의 실제 용량을 한 번에 하나씩 측정하십시오. 4.20 V까지 충전한 뒤 30분 동안 휴지시키고, 전력 저항기를 통해 일정한 전류로 방전하면서 3.00 V에 도달할 때까지 시간을 재십시오. 암페어시(Ah)는 전류에 시간을 곱한 값입니다. 이 과정은 네 번의 세션이 필요하며, 실제로 무엇을 가지고 있는지 아는 유일한 방법입니다. 포장지에 인쇄된 숫자는 정격값일 뿐 측정값이 아니며, 서랍에 2년 동안 보관된 셀은 그 값에 도달하지 못할 것입니다. 네 개의 용량을 노트에 표로 작성하십시오. 이 표는 3단계 계산의 입력값이며, 5단계 마지막에 이 표와 비교하게 됩니다. 네 개의 셀이 모두 서로 약 2% 이내로 나온다면, 다음 단계로 넘어가기 전에 의도적으로 스트링의 균형을 깨뜨리십시오. 셋은 완전히 충전하고 넷째는 약 60%에 남겨두십시오. 측정할 수 있는 뚜렷한 효과가 필요하며, 잘 맞춰진 스트링은 오후 한나절 안에 그런 효과를 보여주지 않을 것입니다. 충전기에서는 한 번에 하나의 셀만 충전하십시오. 셀별 감독 없이 직렬 스트링을 절대 충전하지 마십시오. 이것이 이 단계의 핵심이며, 5단계가 존재하는 이유이기도 합니다.

4셀 홀더를 직렬로 연결하고, 3단계 5번에서처럼 각 셀 접합부에서 얇은 탭 와이어를 빼내세요. 이 탭들은 문자열이 작동하는 동안 개별 셀을 관찰하는 방법입니다. 전력 저항기를 통해 전체 문자열을 일정한 전류로 방전시키세요. 1암페어면 충분하며 저항기를 다루기 쉽게 유지합니다. 5분마다 **네 개의 셀 전압을 차례로 모두** 그리고 문자열 총전압을 읽고 한 줄에 기록하세요. **어떤 단일 셀**이든 3.00 V에 도달하는 순간 중지하세요. 문자열이 아니라 셀입니다. 이것이 전체 실험의 핵심입니다. 네 개 셀의 평균이 3.4 V라면 문자열은 13.6 V이므로, 총전압 차단기로는 아무 문제가 없어 보이지만, 그 안의 한 셀은 이미 하한선에 도달해 그 아래로 끌려 내려가고 있습니다. 이제 기록을 보세요. 약한 셀의 전압은 초기에 다른 셀들과 분리되어 급격히 떨어지고, 강한 셀들은 멈출 때까지도 평탄 구간에 머물러 있습니다. 문자열이 전달한 전하량을 계산하고 1단계의 가장 강한 셀 용량과 비교하세요. 그 차이가 여러분이 소유하고 있지만 도달할 수 없는 용량입니다. 리튬 셀을 약 2.5 V 이하로 과방전하면 영구적으로 손상되고 재충전이 위험해집니다. 총전압이 아니라 셀을 관찰하는 것은 신중함이 아니라 문자열을 운용하는 유일한 올바른 방법입니다.

보드가 이 작업을 눈에 띄지 않게 수행하도록 맞추기 전에, 무엇을 하는지 직접 볼 수 있도록 채널 하나를 만들어 보십시오. 수동(패시브) 밸런서는 실제로 이렇게 간단합니다. 셀 하나에 걸쳐 **100 Ω 저항을 논리 레벨 MOSFET와 직렬로 연결**하십시오. 드레인은 셀의 양극에, 소스는 셀의 음극에 연결합니다. 게이트는 해당 셀 전압이 기준값을 넘을 때마다 켜지는 비교기로 구동합니다. 임계값으로는 4.15 V가 적당하며, 전위차계로 설정하고 측정기로 확인하십시오. 1 W 이상의 저항을 사용하십시오. 3단계에서 계산한 전력은 0.18 W였는데, 밀폐된 팩 안에서 정격의 대부분으로 동작하는 1/4 W 부품은 좋지 않은 선택입니다. 셀을 연결하기 전에 먼저 실험실 전원 공급장치로 시험하십시오. 전원 공급장치 전압을 임계값까지 천천히 올려 MOSFET가 켜지고 저항이 42 mA의 전류를 흘리기 시작하는지 확인하십시오. 가정하지 말고 전류를 직접 측정하십시오. 완전히 켜지지 않은 MOSFET는 히터가 됩니다. 이제 직렬에서 가장 높은 전압을 가진 셀에 연결하고 팩을 천천히 충전하십시오. 그 셀의 전압 상승은 나머지 셀이 따라잡는 동안 멈춰야 합니다. 저항이 따뜻해지는 것을 느낄 수 있을 것이며, 그 열이 바로 의도적으로 소모하고 있는 에너지입니다. 수동 밸런싱은 완충된 셀에서 빈 셀로 전하를 옮기지 않고, 그 차이를 태워 버립니다. 셀마다 하나씩 네 개를 갖추면 완전한 수동 밸런서가 됩니다. 이는 다음 단계에서 보드에 들어갈 구성과 거의 같습니다.

이 페이지 사진에 있는 녹색 기판은 4S 배터리 관리 시스템으로, 2단계와 4단계에서 다룬 모든 것의 상용 버전이다. 단자대는 **B−, 그다음 셀 접합부마다 전선 하나, 그다음 B+** 순서로 연결되며, 이는 3단계의 팩 커넥터와 동일한 탭이다. B−에서 위쪽으로, 순서대로 조심스럽게 배선하라. 밸런스 리드를 잘못된 접합부에 연결하면 셀 입력이 뒤바뀌고, 기판은 이를 견디지 못한다. 커넥터를 꽂기 전에 각 전선을 멀티미터로 B−에 대해 측정하고, 전압이 셀마다 단계적으로 올라가는지 확인하라. 이 점검은 매번 수행하라. 이 기판이 수행하는 세 가지 역할은 다음과 같다: - **과충전 보호** — 어떤 셀이라도 약 4.25 V를 넘으면 연결을 끊는다. - **과방전 보호** — 어떤 셀이라도 약 2.5 V 아래로 떨어지면 연결을 끊는다. 이것은 2단계에서 멀티미터로 손수 제공하던 보호 기능이다. - **밸런싱** — 한쪽 가장자리를 따라 있는 작은 저항들이며, 4단계에서 만든 것과 같은 일을 한다. 기판을 장착한 상태에서 팩을 충전하고, 네 셀 전압이 여러 시간에 걸쳐 수렴하는 것을 관찰하라. 작동하는 동안 적외선 온도계를 밸런스 저항에 대라. 이들이 기판에서 가장 뜨거운 부품이 되겠지만, 그것은 정상이다. 그다음 2단계의 방전을 반복하고, 전달된 암페어시를 첫 번째 실행과 비교하라. 그 차이가 이 단계가 묻는 질문에 대한 답이며, 이는 여러분 자신의 작업대에서 측정된 값이다. BMS은(는) 셀을 보호하지만 수리할 수는 없다. 용량이 실제로 붕괴된 셀은 여전히 팩의 성능을 제한할 것이며, 아무리 밸런싱을 해도 이는 바뀌지 않는다. 오래된 팩의 셀 하나를 새 셀로 교체하면 불균형은 나아지지 않고 오히려 악화된다.

**출처에 대한 정직한 기술.** 셀 밸런싱에 대한 단일 특허는 없으며, 여기서도 특허를 주장하지 않습니다. 이 문제는 산술적인 것입니다. 전류는 같지만 용량이 다르다는 것이며, 셀을 직렬로 연결하기 시작한 순간, 즉 1800년 볼타의 전지더미 때부터 이미 인식되었습니다. 리튬이온에서 달라진 것은 *결과*입니다. 과충전된 니켈 셀은 가스를 배출하고 뜨거워지지만, 과충전된 리튬 셀은 9단계에서 설명한 일을 일으킬 수 있습니다. 밸런싱은 효율 향상 수단에서 안전 요구사항이 되었습니다. 그래서 팩 커넥터에는 셀 탭이 추가되었고, 오늘날 판매되는 모든 리튬 팩에는 보호 보드가 내장되어 있습니다. 반면 같은 시기의 니켈카드뮴 팩에는 셀과 서미스터만 들어 있었습니다. **수동 대 능동.** 여기서 다루는 것은 모두 *수동* 밸런싱입니다. 높은 셀의 전하를 방전시켜 차이를 열로 버리는 방식입니다. *능동* 밸런서는 인덕터나 변압기를 통해 높은 셀의 전하를 낮은 셀로 옮기므로 아무것도 버리지 않지만, 그만큼 비용이 높고 구조가 복잡합니다. 4셀 공구용 팩에는 수동 방식이 적합하지만, 직렬로 100개 셀이 연결된 자동차 팩에서는 버려지는 에너지가 셀 수에 비례해 커지므로 더 이상 적합하지 않습니다. **솔직한 한계.** 수동 밸런싱은 3단계에서 보였듯이 느립니다. 300 mAh의 불균형을 해소하려면 7시간의 방전이 필요합니다. 또한 충전 상단부에서만 작동합니다. 전압 곡선이 가팔라 셀을 구별할 수 있는 구간이어야 하며, 4단계의 평탄한 플래토에서는 50 mV 차이가 충전 상태의 거의 어떤 차이든 의미할 수 있습니다. 그리고 방전 속도보다 빠르게 불일치가 커지는 경우는 해결할 수 없는데, 이는 노화된 팩이 결국 도달하는 상태입니다.