전기자동차_배터리 이야기 / 대구 동구, 북구, 남구, 수성구, 경산

안녕하세요. 덱스크루 대구 동구점입니다.

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이번에는 리튬 배터리 충전과 방전에 대해서 이야기 해보려고 합니다.

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지난번 글에 적었는데. 리튬 배터리의 경우

종류에 따라서 전압 범위는 차이가 있지만 기본적인 충방전 개념은 동일합니다.

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배터리 충전, 방전에서 대해서 자료를 보다보면 C-rate(충전율 또는 방전율) 같은 용어를 보실 수 있습니다.

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예를 들어서 10Ah 배터리를 기준으로 보면

전류로 보면 곱하면되고, 시간으로 보시면 나눈다고 보시면 됩니다.

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리튬 배터리의 경우에도 데이터 시트가 보시면

충전율이나 방전율에 전류로 표시하거나 C-rate로 표시되는 경우가 있기 때문에 알아두시면 좋습니다.

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리튬 배터리의 경우 충전율 보다 방전율이 훨씬 큽니다.

이런한 특성을 이용한 제품이 최근 겨울철에 많이들 사용하시는

점프스타트 제품입니다.

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아래 그래프는 리튬폴리머 배터리 셀의 충방전 그래프입니다.

빨간색 선은 전압, 파란색 선은 전류 데이터입니다.

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리튬 배터리의 충전의 기본 개념은 CC/CV 충전이 기본입니다.

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CC는 정전류(Constant Current)라고 하면 일정한 전류​로 충전을 하는 방식입니다.

CV는 정전압(Constant Voltage)라고 하면 일정한 전압으로 충전을 하는 방식입니다.

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위 충/방전 그래프에서 1번 충전 구간은 CC/CV 모드로,

3번 충전 구간은 CC 모드로 충전 시험한 데이터 입니다.

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리튬 배터리 충전에 관해서 찾아보시면 CC/CV 라는 말을 많이 보실수 있는데,

1번 충전(CC/CV) 충전 구간 그래프를 확대해 보면 아래와 같습니다.

전류(파란색)가 일정한 구간이 CC 충전 구간이고,

전류가 줄어들기 시작한 구간부터가 CV구간입니다.

리튬 폴리머 배터리의 경우 1셀(Cell) 의 최대 전압은 4.2V입니다.

충전시 최대 전압이 넘지 않도록 해야 합니다.

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최대 전압이 넘어가면 배터리가 소손이 되어 배터리 성능도 저하가 될 수 있습니다.

그리고 계속 충전을 하게 된다면 마지막은 화재(폭발)이 될 수 도 있습니다.

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그렇다고 해서 4.2V에서 4.3V가 된다고 바로 화재(폭발)이 되는거는 아니지만,

최대 성능으로 안전하게 사용하기 위해서 조건을 정해서 사용을 하는겁니다.

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전기자동차의 충전기의 경우 크게 보시면 완속 충전기와 급속 충전기가 있습니다.

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두 충전기의 가장 큰 특징은 2가지 입니다.

1. 첫번째는 충전 전류의 크기이고, 두번째는 CV 충전 모드입니다.

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완속 충전기는 CC/CV 모드로 충전을 하기 때문에 배터리를 완전 충전을 할 수 있지만,

급속 충전기는 CC 모드로만 충전을 하기 때문에 배터리를 완전 충전 할 수 없습니다.

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위 그래프를 보시면 CC 충전구간과 CV 충전구간의 시간이 거의 동일한 것을 알 수 있습니다.

CV 충전구간은 충전시간은 길지만 배터리에 충전되는 용량은 크지 않습니다.

급속 충전기는 위와 같은 특성을 고려하여 충전 전류를 크게 하여

CC 모드로만 충전을하여 보통 80% ~ 85% 정도까지만 충전하고 종료를 합니다.

아래는 2.방전 구간을 확대한 그래프입니다.

정전(CC)로 방전 시험한 그래프인데.

방전 전류가 인가되면 전압 순간적으로 떨어지며,

방전 전류가 차단 되면 전압이 회복 되는 걸 볼 수 있습니다.

이 현상은 전류가 클수록 크게 나타나며, 모든 종류의 배터리에서 나타나는 중상입니다.

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방전은 최대 방전 전류를 넘지 않고, 최소 전압이하로 떨어지지 않는 조건에서 사용이 가능합니다.

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방전 그래프에서 볼 점은 전압 곡선입니다.

방전이기 때문에 초반, 중반의 전압은 의미가 없지만,

마지막 부분의 전압 곡선을 보시면 급격하게 전압이 변화가 하는 것을 볼 수 있습니다.

그래서 배터리 전압이 낮은 경우에는 전류 제한을 하는 경우도 있습니다.

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이러한 특징은 충전시에도 동일하게 나타나며 그래서 완전 충전을 하기 위해서 CV모드로 마지막에 충전을 하게됩니다.

리튬배터리 충/방전 곡선 그래프를 검색해서 보시면 그래프 파형들이 많이 볼 수 있는데,

전압 곡선들을 보시면 3.7V 전/후로는 완만한 구간이지만,

4.2V 와 2.7V 가까워지는 부분에서는 기울기가 커지는 것을 볼 수 있습니다.

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배터리 전압 구간을 대략 비율로 구분해보면

3.7볼트 주변의 기울기가 완만한 구간이 대략 80%정도이고,

나머지 기울기가 큰 구간이 20%정도입니다.

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스마트폰과 같이 1개의 배터리셀로 구성이 된 배터리 시스템의 경우에는

배터리의 100%용량을 다 사용이 가능하지만

여러개의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩의경우에는 100% 사용을 할 수 가 없습니다.

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이유는 동일 제조사의 동일 배터리 셀을 충방전 시험을 해보면 용량이나 전압 곡선이 다 차이가 있습니다.

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배터리의 표기 용량이 10Ah라고 하면

실제용량이 10Ah만 넘으면 양품의 배터리이기 때문입니다.

( 간단한 예로 길이나 무게, 갯수등으로 판매되는 되는 물건의 경우 적지만 않으면

소비자 입장에서는 좋은거고 판매자 입장에서는 손해일 수 있지만,

문제가 되지는 않는거죠.)

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여러개 셀로 구성될 수록 전체 용량 대비하여 사용할 수 있는 용량이 줄어 든다고 보시면됩니다.

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초기 배터리 셀 전압을 동일하게 맞춘 상태로

배터리 셀을 조합하여 모듈이나 팩을 만들더라도 개별 셀의 전압 곡선의 차이가 있습니다.

이유는 배터리 내부 저항값과 같은 내부 요인도 있고 외부요인도 있습니다.

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아래 이미지는 10개의 셀을 직렬 연결하여 충전 할 경우

배터리 셀 전압의 변화를 극단적인 예입니다.

(실제로 배터리 팩에서 이러한 전압 차가 생긴다면 BMS에서 셀 밸런싱을 못하는거죠^^)

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배터리 셀 전압 기준으로 4.2V * 10셀 = 42V에서 CV 충전 모드로 변경을 하면

10개의 셀중 Cell 3과 Cell 10)이 먼저 전압이 4.2V가 되지만 전체 전압은 42V가 안되어 계속 CC 모드로 충전이 되고

그렇게 되면 과충전이 발생이 될 수 있습니다.

그렇기 떄문에 연결되는 배터리 수가 많아질 수록

충전시와 방정신 종료 전압이 안전하게 조절을 해야하기 때문에

전체 사용 용량이 줄어들게 됩니다.

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위에서 배터리 비율을 말씀드렸는데,

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자동차 배터리의 경우 제원상의 배터리 용량이

실제 배터리 용량을 그대로 표기하였다면

차량에서 실제 사용할 수 있는 용량의 제원의 80%정도로 보셔야 합니다.

실제 사용 용량과 제원상 용량이 비슷하다면

제원상의 표기 용량이 80%정도로 표기 되셨다고 보시면 됩니다.

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위 비율은 몇년전 제가 배터리 팩 시험할 경우 기준입니다.

배터리 팩 단품을 충방전기 장비에 연결하여 시험 할 경우에는

95%~100%까지도 시험을 하지만,

차량에 장착하여 시험할 경우에는 배터리 안전을 위해서 80%

용량안에서 시험을 하고 차단 조건을 정했습니다.

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현재 양산차의 경우에는 배터리 성능이나 BMS등 시스템 성능이 좋아졌으니,

예전보다는 더 많이 사용 하지 않을까 생각되지만,

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전압 특성 곡선이 있기 때문에 100% 사용은 할 수 없습니다.

배터리를 개별 셀별로 완전 충전하여 팩에 연결하더라도

사용 용량이 100%가 될 수 도 없습니다.

만약에 100% 사용 한다면 그건 BMS등 배터리 관련 시스템이 제 역활을 못하는거죠.

이상 덱스크루 대구 동구점이었습니다.

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다음에는 배터리 관리 시스템인 BMS에 대해서 이야기해 보겠습니다.

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