리튬이온 배터리 관리회로(BMS) 설계와 보호회로 이해

리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 긴 수명 덕분에 스마트 기기는 물론 전기차와 에너지 저장장치(ESS)까지 다양한 산업에서 핵심 전력원으로 자리잡았습니다. 하지만 그만큼 화학적으로 민감한 특성을 가지고 있어, 안정적인 사용을 위해서는 BMS(Battery Management System)와 보호회로(Protection Circuit)가 반드시 필요합니다. 

 

 

 

리튬이온 배터리 구조와 특성

리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되며 충·방전 과정에서 리튬 이온이 이동하면서 전류를 생성합니다. 높은 에너지 밀도는 장점이지만, 셀 전압이 4.25V 이상 상승하거나 내부 온도가 60°C 이상으로 올라가면 화학적 불안정이 커져 열폭주로 이어질 수 있습니다.

이 때문에 전압·전류·온도를 지속적으로 감시하는 보호 회로가 필수적입니다.

 

 

BMS(Battery Management System)의 역할

BMS는 단순한 보호 기능을 넘어 배터리의 상태를 계산하고 최적의 충·방전 환경을 조성하는 핵심 제어 장치입니다.

● 전압·전류·온도 모니터링

각 셀의 이상 상태를 감지해 충전 또는 방전을 차단합니다.

● SOC(State of Charge) 계산

전류 누적량(Coulomb Counting) 방식으로 배터리 잔량을 계산합니다.

● SOH(State of Health) 분석

배터리 노화 정도·내부 저항 증가 등을 종합해 수명 예측에 활용합니다.

● 셀 밸런싱(Cell Balancing)

직렬로 연결된 셀 간 전압 불균형을 수정해 전체 수명을 연장합니다.

 

 

보호회로(Protection Circuit)의 기본 원리

리튬이온 배터리 보호회로는 BMS의 일부 또는 독립 모듈로 설계됩니다.

● 과전압 보호(OVP)

전압이 특정 값을 넘으면 MOSFET 스위치를 차단해 과충전을 막습니다.

● 과전류/단락 보호(OCP/SCP)

샘플 저항을 이용해 과도한 전류를 감지하고 즉시 차단합니다.

● 온도 보호

NTC 센서가 온도를 감지해 안전 범위를 벗어나면 충방전을 제한합니다.

 

 

셀 밸런싱 설계

● 패시브 밸런싱

저항에 열로 소모시키는 방식으로 구조가 단순하지만 효율은 낮습니다.

● 액티브 밸런싱

셀 간 에너지를 이동시키는 고효율 방식으로 전기차·ESS에서 사용됩니다.

 

 

BMS 회로 구성 요소

BMS는 다음과 같은 핵심 부품으로 구성됩니다.

• 보호 IC(TI BQ 시리즈 등)
• AFE(Analog Front End) – 다셀 전압 측정
• 전류 측정용 샘플저항 또는 홀센서
• MOSFET 스위칭부
• 온도 감시용 NTC 센서

MOSFET의 전도저항(Rds(on)) 값은 발열과 효율에 큰 영향을 미치므로 반드시 계산해야 합니다.

 

 

보호를 위한 PCB 설계 포인트

BMS PCB는 고전류가 흐르므로 구조적 안정성을 고려해야 합니다.

• 전류 경로를 짧고 넓게 설계
• 2oz 이상의 구리 두께 권장
• 파워 및 센싱 영역을 GND로 분리
• 샘플저항은 Kelvin 방식으로 배선
• 발열 부품 주변은 Via로 열 분산

 

충전·방전 제어 알고리즘

리튬이온 배터리는 CC/CV 방식으로 충전됩니다. 초기에는 정전류(CC)로 충전하며, 셀 전압이 목표에 도달하면 정전압(CV)으로 유지해 과충전을 방지합니다.

방전 과정에서도 SOA(Safe Operating Area) 범위를 벗어나면 즉시 보호회로가 동작해야 합니다.

 

 

실무 BMS 설계 예시

● 1S 소형 기기

웨어러블·이어폰 등에서 사용되며 단일 보호 IC만으로 구성 가능합니다.

● 3S~6S 드론·전동공구

고출력 설계 필요. 셀 밸런싱 및 두 개 이상의 온도 센서가 필수입니다.

● 전기차·ESS 고전압 팩

고전압 절연, AFE 확장, 액티브 밸런싱, CAN 통신 등 고급 설계가 요구됩니다.

 

 

보호회로 설계 시 흔한 실수

• 셀 밸런싱 저항 과열
• MOSFET 방향 및 Body Diode 고려 부족
• 샘플저항 위치 오류로 전류값 불안정
• 온도센서가 셀에 밀착되지 않아 잘못된 온도 측정

 

배터리 관련 인증 및 규격

• UL1642 – 리튬이온 셀 안전성
• UN38.3 – 수송 안전 시험
• IEC62133 – 국제 안전 표준
• KC 인증 (국내 필수 인증)

또한 제조업체에서는 TI, Analog Devices 등 국제 제조사 문서를 참고하는 것이 좋습니다.

참고 링크: TI Battery Management Guide

 

 

FAQ

Q1. 보호회로 없이 리튬 배터리를 사용할 수 있나요?

아니요. 과열·과충전 위험 때문에 반드시 보호회로가 필요합니다.

Q2. 액티브 밸런싱이 항상 필요한가요?

고전압·고출력 팩에서만 필요하며, 소형 기기는 패시브로 충분합니다.

Q3. BMS가 고장 나면 어떻게 되나요?

과전압 차단, 과전류 차단이 이루어지지 않아 매우 위험해질 수 있습니다.

 

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리튬이온 배터리의 안정적인 동작을 위해 BMS와 보호회로는 필수 요소입니다. 전압·전류·온도의 정확한 감시, 셀 밸런싱, PCB 설계 최적화가 조화를 이뤄야만 긴 수명과 안전성을 확보할 수 있습니다. 산업이 고출력·고집적화될수록 BMS의 역할은 더욱 중요해질 것입니다.