[배터리 이모저모] 4. 배터리 팩의 직렬, 병렬 연결

🔋 배터리 팩의 직렬(Series)과 병렬(Parallel) 

배터리를 여러 개 묶어 더 큰 에너지나 전압을 만들 때 직렬(Series)과 병렬(Parallel) 두 가지 방식으로 연결한다.

두 방식은 전압과 용량에 어떤 영향을 주는지, 그리고 어떤 목적에 쓰이는지가 다르다.

 

이미지 출처: Vunked – “Camper Wiring: In Series or Parallel?” (URL: https://vunked.com/camper-wiring-in-series-or-parallel/)

✅ 1. 직렬 연결 (Series, S)

• 구조: 셀의 +극을 다른 셀의 –극과 연결하여 일렬로 이어붙이는 방식.
• 특징:
  • 전압(V): 셀 전압이 모두 더해짐
  • 용량(Ah): 단일 셀과 동일
  • 전력(Wh): 전압이 증가하므로 전체 에너지 증가
• 용도? 전압이 높은 시스템이 필요할 때 (전동킥보드, 전기자전거, 전기차 등)
• 예시: 3.6V 셀 × 3개 직렬 → 10.8V

이미지 출처: Vunked – “Camper Wiring: In Series or Parallel?” (URL: https://vunked.com/camper-wiring-in-series-or-parallel/)

 

✅ 2. 병렬 연결 (Parallel, P)

• 구조: 셀의 +극끼리, –극끼리 연결하여 서로 병렬로 묶는 방식.
• 특징:
  • 전압(V): 셀 1개의 전압과 동일
  • 용량(Ah): 셀 용량이 더해짐
  • 방전 가능 전류 증가 → 더 오래 사용 가능
• 용도? 사용 시간(용량)을 늘리거나 높은 전류가 필요한 경우
• 예시: 3Ah 셀 × 3개 병렬 → 9Ah

이미지 출처: Vunked – “Camper Wiring: In Series or Parallel?” (URL: https://vunked.com/camper-wiring-in-series-or-parallel/)

🔍 직렬 vs 병렬 한눈에 비교

항목	직렬 (Series)	병렬 (Parallel)
전압 (V)	↑ 증가	→ 동일
용량 (Ah)	→ 동일	↑ 증가
전력(Wh)	증가	증가
특징	고전압 구성	고용량 구성
사용 사례	전기차, 전동 장비	전력 안정성, 고전류 장비

이미지 출처: Save My Exams – “Series & Parallel Circuits” (페이지: Series & Parallel Circuits – AQA A-Level Physics)

예시로 이해하기 (3S2P 구조)

• 3 cells in Series × 2 sets in Parallel
• 각 셀: 3.6V, 3Ah 라고 하면
  • 전압 (V): 3S → 3 × 3.6V = 10.8V
  • 용량 (Ah): 2P → 2 × 3Ah = 6Ah
  • ➡️ 최종 팩 스펙: 10.8V, 6Ah

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🔋 BMS에서 직렬(S) / 병렬(P)에 따라 달라지는 제어 포인트

배터리 팩은 직렬(Series)과 병렬(Parallel) 구조에 따라 BMS가 집중해야 하는 관리 항목이 크게 달라진다.

왜냐하면 전압·전류·열 분포 방식이 완전히 다르기 때문!

 

✅ 1. 직렬(Series, S) 연결 시 중요한 BMS 제어 포인트

직렬 연결은 전압이 누적되고, 약한 셀 하나가 팩 전체의 성능을 결정하기 때문에 셀별 관리가 중요하다. 

예를 들어, 한 셀만 SOH가 낮아도 전체 성능이 그 셀에 의해 제한된다.

 

1) 셀 밸런싱(Cell Balancing)

• 직렬에서는 셀 전압 불균형이 매우 쉽게 발생
• 최고 전압 셀을 기준으로 충전이 제한됨 → 용량 손실
• BMS는 셀별 밸런싱(능동/수동)을 수행해야 함

 2) 셀 단위 OV/UV 보호

• Over Voltage / Under Voltage 보호는 셀별로 개별 측정 필수
• 직렬 개수(S)가 많아질수록 셀 단위 보호는 더 중요함

3) 셀 임피던스 및 SOH 모니터링

• 한 셀의 저항 증가 → 전체 팩의 출력 제한
• BMS는 각 셀의 내부저항(R)을 지속적으로 추적해야 함

4) 온도 모니터링 강화

• 직렬은 “전압 상승 = 발열 증가 가능성”
• 셀 간 온도 차이가 커지면 안전 문제 발생

➡️ 핵심 요약: 직렬에서는 “셀 하나가 팩 전체를 망칠 수 있음” → 따라서 “셀 단위 정밀관리”가 핵심

 

 

✅ 2. 병렬(Parallel, P) 연결 시 중요한 BMS 제어 포인트

병렬 연결은 내부저항 차이가 크면 한 셀에 과전류가 몰릴 수 있기 때문에  전류 분배(Current sharing)와 안전성이 가장 중요하다.

 

 

1) 전류 분배 관리(Current Sharing)

• 병렬 셀 간 내부저항이 조금만 달라도 특정 셀에 과전류 집중 → 열 폭주 위험
• 병렬 연결 전 셀 매칭(matching)이 필수
• BMS는 전류 센싱을 병렬 블록 단위로 모니터링

2) 셀 온도 모니터링

• 특정 셀로 전류가 몰리면 국부 발열 발생
• 병렬 블록 내 국부 과열(Hot-spot) 감지 중요

3) 병렬 전압 동기화

• 병렬 셀은 전압이 동일해야 안정적
• 전압 차이가 큰 셀을 병렬로 묶으면 대전류 충돌(inrush current) 발생

4) 안전 차단 회로 강화

• 병렬은 전류가 커지므로 BMS의 OC (Overcurrent) / SC(단락) 보호가 매우 중요

➡️ 핵심 요약: 병렬에서는 “전류 분배”와 “열 관리”가 가장 중요

🔍 S/P 구조에 따른 BMS 제어 포인트

항목	직렬 (Series)	병렬 (Parallel)
주요 리스크	전압 불균형	전류 불균형
BMS 집중 포인트	셀 밸런싱, 셀 OV/UV	전류 분배, 열 관리
모니터링 대상	셀단위 전압 + 저항	블록 단위 전류 + 온도
대표 문제	최약 셀 규제	국부 과열/과전류

 

 

🔗 Reference

• Save My Exams “Series & Parallel Circuits (AQA A-Level Physics)”
• Vunked “Camper Wiring: In Series or Parallel?”