병렬 배터리 스트링에서의 순환 전류: 원인과 BMS 아키텍처를 통한 방지 방법 | JKESS

문제가 발생하는 확장 시나리오

상업용 및 산업용(C&I) 확장 사례를 살펴보자: 공장이 2024년에 128kWh 배터리 시스템을 설치하고, 부하 증가로 인해 2026년에는 256kWh가 필요해진다. 조달 부서는 동일한 시스템을 하나 더 구매해 병렬로 연결하는 방안을 제안한다. 그러나 3개월 후 운영 팀은 한쪽 스트링에서 지속적인 전류 불균형과 더 빠른 SOC 감소를 관찰한다. 모델 번호는 일치하지만, 배터리의 운전 이력은 더 이상 동일하지 않다.

순환 전류는 이러한 현상의 가능한 원인 중 하나이며, 이 외에도 부하 분담 불균형, 온도 차이, 접점 저항, 센서 오차 또는 셀 결함 등이 원인이 될 수 있다. 새 배터리 스트링과 노후화된 스트링은 용량과 내부 저항이 달라서, 초기 SOC 값이 같더라도 운전 중 내부 전압 및 SOC 변화 경로가 서로 다르게 나타난다. 이로 인해 전압이 높은 쪽에서 다른 쪽으로 전류가 유입될 수 있다. 원인을 진단하기 전에 부호가 있는 분기 전류와 셀 데이터를 반드시 확인해야 한다.

제어되지 않은 내부 전류 이동은 저항 손실과 추가적인 배터리 용량 소모를 유발한다. 이는 열적 스트레스와 사이클링 스트레스를 증가시키고, 셀 전압 한계에 도달하게 하며, BMS 보호 기능을 작동시킬 수 있다. 충분히 높은 전류는 퓨즈나 차단기를 작동시킬 수도 있다. 일부 문제는 연결 순간에 즉각적으로 나타나지만, 다른 문제들은 수주간의 운전 데이터를 통해 점차 명확해진다. 본 안내서에서는 순환 전류의 물리적 원리, 세 가지 공학적 대책, 그리고 엔지니어링된 병렬 스트링 설계에서 JKESS 마스터 및 슬레이브 하드웨어의 역할을 설명한다.

물리적 원리: 순환 전류가 발생하는 이유

순환 전류 자체는 배터리 품질이 낮음을 직접적으로 입증하지 않는다. 병렬로 연결된 전원 간 내부 전압이 상이할 경우, 회로 법칙에 따라 순환 전류가 발생한다. 외부 부하가 없는 상태에서 두 스트링 간의 첫 번째 근사치는 다음과 같다.

I_circulating = ΔV / R_loop

일단 연결되면, 스트링들은 상호 연결 전압 강하를 제외하고 공통 버스 전압을 공유한다. 구동 불일치는 두 개의 이상적인 버스 노드에서 서로 다른 전압 사이가 아니라, 각각의 등가 전원 사이에서 발생한다. 외부 부하가 걸린 상태에서는 각 분기 전류가 부하 분담뿐 아니라 전압 불일치의 영향도 함께 포함한다. 이 저항 기반 추정치는 연결 과도 응답, 인덕턴스, 전기화학적 완화 현상을 모델링하지 않는다.

2V ÷ 0.05Ω = 40A

P_loss = I² × R_loop       = 40² × 0.05 = 80W

공학 참고 자료: Weng 등, 이질적인 병렬 연결 배터리에서의 전류 불균형에 관한 연구 는 등가 회로 모델을 개발하고 용량 및 내성 차이가 전류, SOC, 노화에 미치는 영향을 분석한다. 위의 수치 예시는 제품 테스트 결과가 아니라 설명을 위한 회로 계산 사례이다.

무보호 병렬 연결 대 독립 스트링 보호

독립 브랜치 보호는 고장을 더 쉽게 탐지하고 격리할 수 있게 한다. 이 방식은 스트링별 감지와 조정된 제어 반응과 반드시 함께 적용되어야 하며, 보호 장치만으로는 순환 전류를 제거할 수 없다.

스트링이 분리되면 나머지 스트링이 더 많은 전류를 받을 수 있다. EMS/PCS는 연쇄 정전을 방지하기 위해 필요 시 출력을 줄이거나 작동을 중단해야 한다. 독립 보호는 실시간 정비를 허용하는 것이 아니다.

세 가지 공학적 대책

1. 모든 스트링에 독립 차단기 및 퓨즈를 장착한다.

   지점 보호의 목적은 선택적 고장 격리이다. 각 스트링에 대해 직류 정격 차단기와 퓨즈를 지정하고, BMS 제어 접점기 또는 적절한 자동 트립 메커니즘을 함께 적용한다. 중간 수준의 순환 전류는 과전류 트립 임계값 이하로 유지될 수 있으므로, 퓨즈는 제어된 격리의 대체 수단이 아니다.

   선정 우선순위: 연속 전류 정격, 시간-전류 곡선, 직류 전압 정격, 사용 가능한 고장 전류, 차단 용량, 도체 보호 및 허용 운전 피크를 조정한다. 연결된 모든 스트링에서 발생하는 고장 기여도를 평가한다. 선택적 차단과 계속된 운전은 시스템 차원에서 검증되어야 한다.

   설치 위치: 승인된 단선도 및 접지 배치를 사용하여 보호 및 절연이 필요한 도체를 결정하세요. 차단기는 양극 도체에, 퓨즈는 음극 도체에 설치해야 한다는 보편적인 규칙은 없습니다. 납품된 장비의 프리차지 및 연결 순서를 확인하세요. DC-링크 프리차지 회로는 자동으로 불일치하는 배터리 스트링을 균형 맞추도록 정격되지 않습니다.

2. 충전, 방전, 대기 중 각 스트링을 개별적으로 모니터링하세요.

   모든 병렬 스트링에 독립적인 양방향 전류 감지 채널을 배치하고 그 부호를 유지하세요. 총 전류 센서만 있는 시스템은 합산으로 인해 숨겨진 내부 전달을 식별할 수 없습니다. 예를 들어, 방전 시 양극 방향으로 한 스트링에서는 +40A, 다른 스트링에서는 −40A가 흐르면 외부 연결 지점에서 약 0A가 측정됩니다.

   셀 전압, 스트링 전압, 온도, SOC, 컨택터 상태, 작동 모드와 함께 현재 로그를 기록합니다. 센서 정확도, 예상 부하 분담, 스트링 정격치 및 승인된 제어 전략을 고려하여 임계값과 시간 지연을 설정합니다. 알람 발송, 연결 차단, 출력 제한 또는 절연 조치 등 적절한 대응을 수행합니다. 외부 전원을 0으로 설정한다고 해서 내부 전류가 반드시 정지하지는 않습니다.

   전류 방향이 동일하고 측정 하한을 초과하는 두 스트링 간 비교 시, 하나의 설명적 불균형 지표는 다음과 같습니다.

   Current imbalance (%) =100 × |I1 − I2| / max(|I1|, |I2|)

   대기 근처에서는 부호 있는 암페어와 절대 임계값을 사용합니다. 0에 가까울수록 백분율은 불안정해집니다. 반대 방향의 전류는 별도로 평가해야 하며, 용량이 다른 스트링은 합법적으로 서로 다른 전류를 운반할 수 있습니다. 각 분기의 기대 배분량과 한계치와 비교하세요.

3. SOC 및 전압 불일치를 제한하기 위해 마스터 수준 감독을 사용합니다.

   SOC 불일치는 순환 전류의 원인 중 하나이지만, 전압 응답은 저항, 온도, 셀 상태 및 최근 작동 조건에도 의존한다. 스트링 마스터와 시스템 감독 장치는 승인된 CAN/RS485 프로토콜을 통해 검증된 측정값과 한계값을 주고받은 후, 분기 회로를 연결하기 전에 전압 및 SOC 일치 기준을 적용해야 한다.

   운전 중 감독 제어는 편차를 점검하고, 시스템 출력을 낮추거나, 재연결을 금지하거나, 부적합한 분기 회로를 격리할 수 있다. 5퍼센티지 포인트의 SOC 편차는 프로젝트에서 별도로 승인된 경우에만 예시적인 점검 트리거로 사용될 수 있으며, 보편적인 연결 기준은 아니다. 직접 병렬로 연결된 DC 버스에서는 BMS 소프트웨어가 적절한 전력 하드웨어(예: 스트링별 DC/DC 단계) 없이는 각 스트링의 연속 전류를 독립적으로 설정할 수 없다.

   JKESS는 마스터당 4~16개의 슬레이브 박스를 다이시 체인 방식으로 관리하는 기능을 설명한다. 적절한 모듈 관리 하드웨어를, 각 병렬 스트링에 대해 정의된 보호 및 감지 채널과 결합하고, 선택된 펌웨어 및 시스템 설계에서 크로스-스트링 감독 기능을 확인하라. 셀 수준의 능동형 밸런싱은 모듈 내 일관성을 지원하지만, 스트링 간 전류 제어를 대체하지는 않는다.

아키텍처 참조: 병렬 스트링 응용 노트: 보호 및 토폴로지 고려 사항(PDF) 이 외부 엔지니어링 참고 자료는 독립적인 스트링 모니터링, 자동 격리 및 토폴로지 상호 타협 사항을 다루며, JKESS 제품 기능 또는 호환성 주장을 입증하는 자료가 아니다.

JKESS 고전압 BESS 아키텍처가 병렬 스트링을 관리하는 방식

마스터 박스, 슬레이브 BMU, 시스템 레벨 컨트롤러는 각각 다른 역할을 수행한다. JKESS 마스터-플러스-슬레이브 플랫폼은 모듈 측정, 통신, 보호 기능을 위한 기본 구성 요소를 제공한다. 병렬 스트링 프로젝트에서는 각 완전한 스트링에 대한 감지, 절연, 감독 제어도 정의해야 한다.

구성 설정이 중요함. 메인 제품 페이지에는 두 가지 시리즈 셀 범위가 게시되어 있으므로, 본 가이드에서는 이들을 상호 교환 가능하다고 간주하지 않음. 에너지 용량은 선택된 셀과 전기적 구성에 따라 결정되며, 단순한 박스 수로는 산정되지 않음. 구매 사양은 정확한 하드웨어, 펌웨어 및 승인된 시스템 도면과 일치시켜야 함.

확장 전 점검 목록: 새 스트링을 병렬 연결하기 전 8가지 항목

1. 전기적 일치 여부 확인. 승인된 화학 성분과 셀 수, 호환 가능한 전압 범위, 올바른 극성을 확인하세요. 휴지 상태에서 측정한 스트링 개방 전압(OCV)을 측정하고 제조사가 승인한 연결 한계를 사용하세요. 2V 이하라 해서 항상 안전한 것은 아닙니다 저저항 루프 내에서.
2. 셀과 그 상태를 점검하세요. 모델, 배치 기록, 용량, 내부 저항, 사용 연수, 건강 상태(SOH), 셀 전압 편차를 비교하세요. 동일한 제품 라벨이나 초기 SOC 측정값만으로는 호환성이 보장되지 않습니다.
3. 독립적인 분기 보호를 확인하세요. 각 스트링의 차단기, 퓨즈, 제어된 격리 경로, 고장 전류 조정, 승인된 프리차지/연결 방식을 검증하세요.
4. 전류 감지를 검증하세요. 모든 스트링에 대해 독립적이고 양방향적인 전류 감지를 확인하세요. 여기에는 센서 극성, 제로 오프셋, 정확도, 데이터 로깅, 대기 시 측정 기능이 포함됩니다.
5. 감시 전략을 검증하세요. SOC 및 전압 수용 한계, 연결 허가, 전류 한계, 통신 상실 시 대응, 그리고 스트링 분리 후 전력 감소를 확인합니다.
6. 열 조건을 점검합니다. 셀 온도와 주변 온도를 비교하고 공기 흐름 또는 액체 냉각 성능을 점검합니다. 온도 차이 ≤3°C는 프로젝트 목표일 수 있으나 보편적인 합격/불합격 기준은 아닙니다. 승인된 열 기준을 사용하십시오.
7. 지정된 절연 점검을 완료합니다. 자격 있는 인원이 장비 승인 절연 절차, 시험 전압, 수용 저항을 사용해야 합니다. 예를 들어 ≥1 MΩ @ 1,000 VDC라는 기준은 명시적으로 규정된 경우에만 적용됩니다. 절차가 허용하지 않는 한 연결된 전자 장치 전체에 고전압 절연 시험을 실시해서는 안 됩니다.
8. 운전 개시 계획 및 후속 모니터링을 수립합니다. 연결 전에 경보를 설정하고, 승인된 인가 시퀀스를 확인한 후, 초기 72시간 관찰 기간 동안 분기 전류, SOC, 셀 전압 및 온도를 기록하세요. 이후에는 추세 모니터링을 계속하세요.

배터리 스트링 병렬 연결 시 흔히 범하는 5가지 오류

1. 1. 서로 다른 SOC를 가진 스트링을 직접 병렬 연결하기

   완전히 새로운 스트링과 80% SOC를 가진 기존 스트링을 연결하면 상당한 전류가 교환될 수 있습니다. 승인된 절차에 따라 전압과 SOC를 일치시키고, 셀 한계와 팩 전압도 함께 점검하세요. 승인되지 않은 불일치를 보정하기 위해 메인 컨택터를 사용하지 마세요.

2. 2. 전체 그룹을 단 하나의 차단기로만 보호하기

   공유 차단기는 각 분기에 대해 선택적 격리를 제공할 수 없습니다. 조정된 스트링별 차단기 및 퓨즈와 제어된 차단 메커니즘을 명시하세요. 중간 수준의 내부 전류는 퓨즈의 작동 임계값에 도달조차 하지 못할 수 있습니다.

3. 3. 전체 배터리 전류만 모니터링하기

   전체 전류는 정상적으로 보일 수 있지만, 한 스트링에서 다른 스트링으로 방전이 일어날 수 있다. 스트링 단위의 양방향 측정 기능을 제공하고, 모든 작동 모드에서 전류 방향, 절대 크기, 예상 부하 분담을 검토해야 한다.

4. 4. 온도 차이를 무시함

   불균일한 냉각은 내부 저항, 사용 가능 용량, SOC 동작 특성에 영향을 준다. 실내 온도가 아니라 측정된 셀 온도와 열적 경향을 점검해야 한다. 설치 환경은 승인된 온도 균일성 한계 이내로 유지해야 하며, 3°C는 보편적인 허용 기준이 아니다.

5. 5. 초기 72시간 동안의 경향 분석 생략

   간단한 시동 테스트는 다른 SOC, 부하 또는 온도 조건에서 나타나는 동작을 놓칠 수 있다. 초기 72시간 관찰 기간 동안 서명된 분기 전류 및 관련 경보를 검토한 후, 장기 모니터링을 지속해야 한다. 최초 연결이나 72시간 무경보 상태는 수명 전체에 걸친 호환성을 보장하지 않는다.

자주 묻는 질문