무선 충전 공구 배터리 관리 방법 - 디월트, 밀워키, 페스툴, 보스, 힐티, 계양

배터리 팩에 사용되는 리튬 이온 셀의 전압 불균형 문제는 다양한 원인에 의해 발생하며, 이는 배터리 성능과 수명에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.
무선 공구용 배터리 팩은 다수의 셀로 구성되어 있어 이러한 전압 불균형 문제를 겪기 쉬운 구조를 가지고 있습니다. 이 문제는 고장난 셀뿐만 아니라 정상적인 사용 중에도 발생할 수 있습니다.

 

전압 불균형 문제
리튬 이온 배터리는 일정한 전압 범위 내에서 작동하고, 각 셀이 고르게 충전되고 방전되는 것이 중요합니다. 그러나 시간이 지남에 따라 각 셀의 내부 저항이 달라지거나, 제조 공정에서의 미세한 차이, 셀 온도 변화, 노화 등으로 인해 일부 셀이 다른 셀보다 빠르게 방전되거나 충전되는 현상이 발생합니다. 이로 인해 전압 불균형이 발생할 수 있습니다.
디월트 FLEXVOLT 배터리와 같이 병렬 20v와 직렬 60v로 이용되는 배터리의 경우 용량에 따라 3개에서 5개 셀 체인으로 구성돼 있습니다. 배터리 과충전등의 위험 방지를 위해 내장된 컨트롤 보드는 내부 배터리 셀에서 전력을 얻습니다. 컨트롤 보드는 내부 전체 셀이 아닌 특정 몇개 셀과 연결돼 전력을 사용하고 있으며 그 사용량은 매우 적습니다.
그러나 장기적으로는 컨트롤 보드에 연결된 셀들이 다른 셀들과 전압 불일치를 발생 시키는 원인이 됩니다.
단기 충전이 반복되는 환경에서는 충전시 셀밸런싱이 이뤄지며 전압 불균형 문제가 해결 되지만, 중장기 보관중 셀 불균형 차이가 커지게 되면서 배터리 수명에 영향을 받게 됩니다.

셀의 내부 저항이 높아지면 해당 셀은 충전 및 방전 시 더 많은 에너지를 소모하게 됩니다. 이로 인해 동일한 전류가 흐르더라도 일부 셀이 다른 셀보다 더 빨리 방전되거나 충전되는 현상이 발생하여 전압 불균형이 심화됩니다.

배터리 셀의 수명은 각 셀이 동일한 환경에서 사용된다고 가정해도, 시간 경과에 따라 개별 셀의 특성이 변화합니다. 이로 인해 노화된 셀은 동일한 양의 전류를 받더라도 충전 또는 방전 속도가 느리거나 빠르며, 결과적으로 전압 불균형을 일으킵니다.

전압 불균형이 발생하면 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)은 배터리 팩을 안전하게 사용하기 위해 전체 배터리의 용량을 제한할 수 있습니다. 이는 전압이 가장 낮은 셀이 완전히 방전되거나, 가장 높은 셀이 과충전되는 것을 방지하기 위한 조치입니다. 이러한 제한은 배터리 팩의 전체 성능을 저하시키고, 전압 불균형이 지속되면, 일부 셀은 과충전 또는 과방전을 겪을 수 있습니다. 이는 셀의 수명을 단축시키며, 전반적인 충전 효율이 떨어집니다. BMS는 셀의 과충전을 방지하기 위해 충전을 일찍 멈출 수 있으며, 이로 인해 배터리 팩의 완전 충전이 이루어지지 않습니다.

 

전압 불균형이 해결되지 않은 상태에서 사용이 지속되면, 특정 셀의 수명이 다른 셀보다 빠르게 감소하게 됩니다. 이로 인해 하나의 셀이 고장나면 배터리 팩 전체가 정상적으로 작동하지 않게 됩니다. 대부분의 BMS는 전압 불균형이 일정 수준을 넘어서면 배터리 팩 사용을 중단시키는 보호 회로가 작동 합니다.

 

전압 불균형 해결 방법
전압 불균형 문제를 해결하기 위해서는 밸런싱(Balancing) 과정이 필요합니다. 이는 BMS에 의해 자동으로 수행되기도 하며, 필요에 따라 수동으로 이루어지기도 합니다.
밸런싱은 몇 가지 방법으로 진행 됩니다.

패시브 밸런싱(Passive Balancing)
패시브 밸런싱은 충전 시 전압이 높은 셀의 에너지를 열로 소모함으로써 전압을 낮추는 방식입니다. 배터리 충전시 발열이 발생하는 이유중 하나 입니다.

 

액티브 밸런싱(Active Balancing)
액티브 밸런싱은 전압이 높은 셀의 에너지를 전압이 낮은 셀로 이동시켜 전압을 맞추는 방식입니다. 이 방식은 에너지 손실을 최소화하면서도 효율적으로 전압 불균형을 해결할 수 있습니다.

 

수동 밸런싱
유튜브나 온라인에서 배터리팩을 분해해 수동으로 셀의 전압을 측정하고, 충전기 등을 이용해 각 셀의 전압을 맞추는 작업을 하는 내용을 봤을 겁니다. 이것은 전문가나 숙련된 사용자들이 사용하는 방법이며, 특수 장비가 필요 합니다. 분해 조립에 익숙치 않은 일반적인 사용자들은 시도하지 않는 것이 좋습니다.

 

 

리튬 이온 배터리는 양극과 음극 사이의 이온 이동으로 작동합니다. 이론적으로 이러한 메커니즘은 영원히 작동해야 하지만 사이클링, 고온 및 노화로 인해 시간이 지남에 따라 성능이 저하됩니다. 제조업체는 보수적인 접근 방식을 취하고 대부분 소비자 제품의 리튬 이온 수명을 300~500회 방전/충전 사이클로 지정합니다. 
사이클 수를 세어서 배터리 수명을 평가하는 것은 결정적이지 않습니다. 방전 깊이가 다를 수 있고 사이클을 구성하는 것에 대한 명확하게 정의된 기준이 없기 때문입니다. 사이클 수 대신 일부 장치 제조업체는 날짜 스탬프에 따라 배터리를 교체할 것을 제안하지만 이 방법은 사용량을 고려하지 않습니다. 배터리는 과다 사용이나 불리한 온도 조건으로 인해 할당된 시간 내에 고장날 수 있지만 대부분의 팩은 제조일 기준으로 표시된 것보다 상당히 오래 사용됩니다.

배터리 팩 내의 셀 전압 불균형은 자연스럽게 발생하는 문제이지만, 이를 해결하지 않으면 배터리의 성능과 수명이 크게 저하됩니다. 이를 해결하기 위해서는 자동 또는 수동으로 셀의 전압을 맞추는 작업이 필요하며, 이를 통해 배터리 팩의 효율과 수명을 연장할 수 있습니다. 배터리 관리 시스템의 역할이 중요한데, 전압 불균형을 조기에 감지하고 적절한 조치를 취하는 것이 필수적입니다.

디월트나 밀워키등 무선충전 공구들에 사용되는 배터리들은 잦은 사용을 하지 않는  경우 오히려 배터리 수명이 짧아 질 수 있습니다. 보관 환경이 수명에 영향을 미치는 경우로,

- 높은 온도는 영구적인 용량 손실을 가속시킵니다. 건조하고 시원한 곳에 보관하는 것이 좋습니다. 단열이 되지 않는 컨테이너나 샌드위치 판넬 구조의 야외 창고에 보관하는 경우 높은 습도 변화와 온도는 배터리 수명에 치명적 입니다. 
리튬 이온은 열에 노출되면 스트레스를 받는데, 셀을 높은 충전 전압으로 유지하는 것도 마찬가지입니다. 30°C 이상에서 유지되는 배터리는 고온으로 간주 되고 대부분의 리튬 이온의 경우 셀당 4.10V 이상의 전압은 고전압으로 간주됩니다. 배터리를 고온에 노출시키고 장시간 완전 충전 상태로 유지하는 것은 사이클링보다 더 스트레스가 될 수 있습니다.

- 완전 방전을 피하고, 수개월 이상 사용하지 않는 경우 충전후 보관하는 것이 좋습니다. 충전 공구용 배터리의 충전기와 배터리는 충전 용량을 조절하는 기능은 없지만, 전문 작업자가 아닌 일상 용도에서 충전 공구를 사용하는 사용자들이 6개월~1년 이상 배터리를 사용하지 않고 보관하는 경우가 일반적인 환경에서는 충전 후 시원한 곳에 보관하는 것이 사이클링과 밸런싱 관리에 더 효과 적입니다.

- 사용하던 배터리를 충전 하지 않고 1~2개월 방치하는 경우가 반복되는 경우 셀 밸런스 차이가 더욱 커지는 문제가 발생 합니다. 사용했던 배터리를 수개월 이상 방치하지 않는 것이 중요 합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

참고 문헌:

Battery University, "How to Prolong Lithium-based Batteries," [Online]. Available: https://batteryuniversity.com/article/bu-808-how-to-prolong-lithium-based-batteries
D. Linden and T. B. Reddy, "Handbook of Batteries," 4th ed., New York: McGraw-Hill, 2011.