테슬라 배터리 밸런싱 중인지 확인하는 방법

이 글의 내용은 틀린 내용입니다. 여기서 톱니 모양은 밸런싱 보다는 충전기 영향입니다.

BatterMachine, 2026년 8월.

아래는 Dr.EV에 기록된 두 대의 테슬라 충전 세션입니다. 두 차 모두 거의 만충까지 충전합니다. 첫 번째 그래프는 매끄럽습니다. 두 번째 그래프에서는 최고 셀 전압 선이 톱니 모양으로 변합니다. 이 톱니가 바로 찾아야 할 신호입니다. 차가 셀 밸런싱을 하고 있다는 뜻이고, 그래프에서 실시간으로 지켜볼 수 있습니다.

밸런싱이 잘 된 팩의 충전. 최고 셀 전압과 최저 셀 전압이 함께 올라가고 톱니 없이 매끄럽게 끝납니다.

불균형한 팩의 충전. 만충 근처에서 최고 셀 전압 선이 톱니 모양으로 변하고, 톱니가 몇 시간 동안 이어집니다.

이 글은 두 부분으로 나뉩니다. 1부는 운전자를 위한 내용이고 1분이면 읽습니다. 2부는 톱니가 어디서 오는지 알고 싶은 엔지니어를 위한 내용이며, 운전자는 읽지 않아도 됩니다.

1부. 운전자를 위한 설명

톱니는 셀 밸런싱입니다. 차가 다른 셀보다 전하를 더 많이 담고 있는 셀을 찾아내 나머지와 같은 수준으로 맞추는 중입니다. 고장이 아니고, 충전기의 결함도 아닙니다.

슈퍼차저가 가장 강력한 충전기이니 셀 밸런싱도 해 줄 것이라고 믿는 운전자가 많습니다. 사실은 반대입니다. 밸런싱은 매우 느려서 끝나려면 몇 시간이 필요한데, 슈퍼차저 세션은 30분 정도면 끝나 버려서 작업이 끝나기 한참 전에 멈춥니다. 급속 충전만 쓰는 차는 매번 세션이 끝날 때 밸런싱을 시작하고 매번 끝내지 못하므로, 충전 그래프마다 톱니가 점점 더 커져서 돌아옵니다. 차에 필요한 시간을 주는 것은 집에서 하는 완속 충전입니다.

충전 그래프에 톱니가 보이면 집이나 완속 AC 충전기에서 충전하고, 설정한 충전 한도까지 끝까지 충전한 뒤, 몇 시간 더 플러그를 꽂아 두십시오. 밤새 충전하면 세 가지를 한 번에 할 수 있습니다. 한 번이 아니라 꾸준히 하십시오. 완속 충전 한 번으로는 큰 불균형의 일부만 없어지고, 셀을 맞춰 주는 것은 습관입니다. 집에서 완속으로 충전하는 시간을 확보하면 도로에서 하는 급속 충전은 문제가 되지 않습니다.

2부. 엔지니어를 위한 설명

두 전압 선이 측정하는 것

테슬라 팩은 여러 셀을 병렬로 용접해 묶은 그룹들을 직렬로 연결해 만듭니다. 배터리 관리 시스템은 셀 하나하나를 측정하지 않습니다. 그룹 안의 셀들은 서로 붙어 있어 하나의 전압을 공유하므로, 측정 단위는 그룹입니다. 충전 그래프의 두 선은 이 그룹 전압들 중 최고값과 최저값입니다. 모든 그룹이 같은 양의 전하를 담고 있으면 두 선은 붙어서 하나처럼 올라갑니다.

그룹들은 시간이 지나며 서서히 벌어집니다. 자기방전과 온도 이력이 그룹마다 완전히 같을 수는 없기 때문입니다. 충전으로는 이 벌어짐을 고칠 수 없습니다. 그룹들이 직렬이라 모든 그룹에 똑같은 전류가 흐르기 때문입니다. 수준을 맞추는 유일한 방법은 가장 가득 찬 그룹에서 전하를 조금 빼내는 것이고, 그것이 밸런싱 회로가 하는 일입니다.

밸런싱 회로

그룹마다 방전 저항과 스위치가 하나씩 붙어 있습니다. 스위치를 닫으면 그 그룹에서만 작은 전류가 저항을 통해 열로 빠져나갑니다. 이것을 수동 밸런싱이라고 부르며, 양산 배터리 모니터 칩의 표준 기능입니다.

테슬라가 어떤 칩을 쓰는지는 알 수 없습니다. 업계가 이 회로를 어떻게 만드는지 보여 주는 문서화된 예로 Texas Instruments의 BQ79616을 보겠습니다. 차량용 16채널 배터리 모니터로, 밸런싱 스위치가 칩 안에 들어 있습니다. 아래 그림은 TI가 그린 회로도입니다.

TI BQ79616의 밸런싱 회로. 점선 루프가 밸런싱 전류입니다. 셀 탭에서 나와 외부 저항 RCB를 지나 CB 핀으로 들어가고, 칩 내부의 스위치 QCB를 지나 다음 탭으로 돌아갑니다. 전압 측정은 별도로 RVC 필터를 거쳐 VC 핀으로 들어갑니다. 출처: Texas Instruments, BQ79616 데이터시트 SLUSF21A, Figure 6-13.

회로도를 왼쪽부터 읽으면, 각 셀 그룹은 칩에 두 번 연결됩니다. 하나는 필터 저항 RVC를 거쳐 VC 핀으로 가는 경로로, 전압 ADC에 들어가는 측정 경로입니다. 다른 하나는 밸런싱 저항 RCB를 거쳐 CB 핀으로 가는 경로이고, 각 CB 핀 뒤에는 칩 내부의 트랜지스터 스위치 QCB가 있습니다. 칩이 QCB를 닫으면 점선 루프로 그려진 밸런싱 전류가 그룹의 양극 탭에서 나와 RCB와 스위치를 지나 아래 탭으로 돌아갑니다. 그룹은 두 저항을 통해 방전되고, 전류가 지나는 저항과 스위치는 그 전하를 열로 바꿉니다. 그림의 오른쪽 절반은 인접한 두 스위치가 동시에 켜진 경우로, 전류 경로가 달라지기 때문에 칩이 인접 채널을 조심스럽게 관리하는 이유를 보여 줍니다.

데이터시트(Texas Instruments, BQ79616 16-Series Battery Monitor, Balancer, and Integrated Hardware Protector, SLUSF21A, 2023년 6월 발행, 2026년 6월 개정)는 이 회로의 동작을 다음과 같이 규정합니다.

• 밸런싱 전류는 주변 온도 75 °C에서 240 mA이고, 보드가 더 차가우면 더 큰 전류가 허용됩니다.

• 밸런싱은 시작 후 스스로 동작하며, 인접한 두 스위치가 연결을 공유해 동시에 켤 수 없으므로 홀수 채널과 짝수 채널을 설정된 듀티 사이클로 번갈아 켭니다.

• 전압 기반 정지 규칙이 있습니다. 그룹 전압이 설정된 문턱값 아래로 내려가면 그 채널의 밸런싱이 끝납니다.

• 열 보호가 있습니다. 스위치와 저항이 실제로 열을 내므로, 칩 다이가 공칭 105 °C를 넘으면 밸런싱이 자동으로 멈추고 식으면 다시 시작됩니다.

기억할 그림은 이렇습니다. 4분의 1암페어가 이런 규칙에 따라 켜졌다 꺼졌다 하는 동안, 슈퍼차저는 같은 그룹에 수백 암페어를 흘립니다. 밸런싱 전류는 충전 전류보다 대략 2천 배 작습니다.

스위칭이 톱니를 그리는 이유

그룹의 스위치가 닫혀 있는 동안 그 그룹의 측정 전압은 수십 밀리볼트 내려갑니다. 스위치가 열리면 값이 튀어 오르고, 충전이 그룹을 더 끌어올립니다. 닫혔다 열리는 한 사이클이 톱니 하나를 그립니다. 내려가는 변은 방전 스위치가 켜지는 순간이고, 올라가는 변은 꺼지는 순간입니다. 스위칭은 빠르지만 방전은 느려서 톱니는 몇 시간씩 이어지고, 가장 가득 찬 그룹이 나머지와 같은 수준까지 빠졌을 때에야 멈춥니다. 밸런싱이 잘 된 차에 톱니가 없는 이유는 단순합니다. 다른 그룹들보다 높이 서 있는 그룹이 없어서 스위치가 닫히지 않기 때문입니다.

톱니 확대. 톱니 하나가 방전 스위치의 한 사이클입니다. 방전이 켜져 있는 동안 전압이 내려가고, 꺼지면 다시 튀어 오릅니다.

톱니의 크기는 따로 살펴볼 가치가 있습니다. 셀 자체로는 설명이 되지 않기 때문입니다. 수십 개 셀이 병렬로 묶인 그룹의 저항은 1밀리옴에 한참 못 미치므로, 240 mA가 빠져나가도 그룹의 실제 전압은 1밀리볼트도 움직이지 않습니다. 값을 움직이는 것은 배선입니다. 밸런싱 루프와 측정 경로가 같은 탭 배선에 걸려 있어서, 방전이 켜져 있는 동안 그 공유 배선에서 잃는 전압만큼 해당 그룹의 측정값이 내려갑니다. 이 하락이 선을 내려가게 만드는 원인입니다. 그런데 그래프의 선은 모든 그룹의 최고값이므로, 두 번째로 높은 그룹까지만 내려갈 수 있고 거기서부터는 그 그룹을 따라갑니다. 따라서 톱니의 깊이는 2위 그룹이 1위 그룹보다 얼마나 아래에 있는지를 측정합니다. 저희 플릿 데이터가 이를 확인해 줍니다. 만충에 가까워질수록 충전 곡선이 가팔라져 같은 전하 차이가 더 큰 전압 차이로 나타나므로 톱니가 깊어지고, 밸런싱이 1위 그룹을 나머지 수준으로 빼내면서 톱니는 얕아지다가 사라집니다. 이 사라짐은 알아 둘 가치가 있습니다. 얕아지다가 없어지는 톱니는 밸런싱이 일을 끝내 가고 있다는 뜻입니다.

플릿 데이터의 두 가지 확인으로, 운전자들이 가끔 떠올리는 다른 설명, 즉 충전기가 전류를 끊는다는 설명은 배제됩니다. 팩 전류 기록에는 톱니와 맞는 진동이 없습니다. 있다고 해도 충전 전류는 그룹의 1밀리옴 미만 저항을 지나므로, 수십 암페어가 흔들려도 측정값은 몇 밀리볼트만 움직입니다. 실제 톱니의 폭인 30~50 mV가 나올 수 없습니다.

급속 충전이 밸런싱을 못 하는 이유

롱레인지 팩을 예로 들면 그룹당 46개 셀이 병렬이고 그룹 용량은 약 220 Ah입니다. 한 그룹이 나머지보다 전하를 1%만 더 담고 있어도 잉여는 약 2.2 Ah입니다. 240 mA급 밸런싱 전류로 이것을 빼내려면 스위치가 켜져 있는 시간으로 약 9시간이 필요합니다. 30분짜리 슈퍼차저 세션은 밸런싱이 내내 돌았다고 해도 약 0.12 Ah, 일의 20분의 1을 없앨 뿐입니다. 세션이 끝나고 차는 떠나고 잉여는 그대로 남습니다. 급속 충전만 쓰는 차의 충전 그래프마다 톱니가 더 커져서 돌아오는 이유입니다. 계산이 요구하는 끊기지 않는 몇 시간을 팩이 얻는 흔한 상황은 밤새 하는 AC 충전뿐입니다.

그래프 읽기

저희 플릿 데이터에서 톱니는 이 메커니즘이 예측하는 그대로 움직입니다. 한 그룹이 나머지보다 높이 설 때 나타나고, 완속 충전 몇 시간 동안 이어지다가, 그룹들이 수준을 맞추면 멈춥니다. 충전 중 셀 전압 차이 숫자가 잠깐 튀는 것은 그 자체로는 의미가 없습니다. 정상 데이터에서도 한 개짜리 샘플은 왔다 갑니다. 밸런싱을 알아보는 기준은 모양, 즉 몇 시간 동안 반복되는 톱니이고, 건강한 결과를 알아보는 기준은 충분한 완속 충전 뒤에 톱니가 사라져 있다는 것입니다.