생활 속 배터리 용어에 대해 알아보자

배터리는 우리 생활 속에서 꾸준히 사용되는 기기입니다. 다양한 용도로 활용되는 배터리의 전문적인 용어에 대해 포스팅해보려 합니다.

<목차> 1. SoH (State of Health) 2. SoC (State of Charge) 3. C-rate (Current rate) 4. mAh (milliampere-hour) 5. SEI (Soild Electrolyte Interphase) 6. BMS (Battery Management System) 7. CC (Constant Current), CV (Constant Voltage) 충전 8. PCM (Protection Circuit Module) 9. DoD (Depth of Discharge)

1. SoH (State of Health)

우리는 스마트폰, 노트북, 태블릿, 카메라, 휴대용 충전기 등 다양한 기기에서 배터리를 사용합니다. 이러한 배터리는 사용 가능한 수명이 있으며, 배터리의 잔존 수명 및 현재 성능 상태를 알 수 있는 지표가 'SoH'입니다. SoH는 State of Health의 약자로, 배터리의 건강 상태를 나타내는 지표입니다.

배터리의 성능 최대치가 100%인 것은 SoH가 100%라는 의미입니다. 배터리의 수명은 사용자 습관 및 외부 환경에 크게 영향을 받기 때문에, 정해진 수명보다 적거나 많아질 수 있습니다. 즉, 동일한 기간을 사용한 배터리라 하더라도 SoH가 달라질 수 있습니다. 이러한 이유로 배터리를 잘 관리하는 것이 중요합니다.

전기차 배터리의 경우, SoH 감소가 거의 없이 제조사 보증 기간의 2~3배 이상 운행할 수 있습니다. 따라서 전기차 배터리의 수명을 연장시키기 위해서는 배터리를 잘 관리하는 것이 중요합니다. 전기차 배터리의 수명을 연장시키기 위해서는 충전하는 방법, 방전하는 방법, 차량 주행 시 주의할 점 등을 잘 알고 있어야 합니다.

 

2. SoC (State of Charge)

SoC는 배터리의 상태와 관련된 매우 중요한 지표입니다. 배터리의 잔존 용량을 나타내는 지표로, 현재 사용 가능한 용량을 전체 용량으로 나누어 백분율(%)로 표현합니다. 보통, 우리는 배터리의 남은 용량을 확인하기 위해 SoC를 확인합니다. 배터리 제조사들은 SoC를 정확하게 측정하기 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다. 배터리 제조사들은 SoC를 측정하는 방법에 대해서 연구하고 있으며, 최적화된 방법을 찾아내기 위해 노력하고 있습니다. 이는 배터리 제조기업의 핵심 경쟁력이기도 합니다. SoC를 측정하는 방법에는 화학 측정법, 전압 측정법, 전류 적분법, 압력 측정법이 총 4가지가 있습니다. 각각의 방법은 SoC를 다르게 측정하며, 이를 통해 배터리의 충전 상태를 파악합니다. 따라서, SoC를 정확하게 측정하는 것은 배터리의 안전성을 강화하고, 사용자들이 배터리를 더욱 안전하게 사용할 수 있도록 하는 것입니다.

 

SoC가 중요한 이유는 무엇일까요?

1) 제조사들은 SoC를 통해 배터리의 안전성을 강화할 수 있습니다. 배터리의 최대 충전량을 SoC 최고점보다 낮게, 배터리 최소 충전량을 SoC 최저점보다 높게 설정하면, 과충전이나 과방전에 의한 문제를 방지할 수 있습니다. 이는 배터리 폭발 사고를 방지할 수 있는 중요한 수단입니다.

2) 사용자는 SoC 측정값을 통해 배터리의 잔여 용량을 파악할 수 있습니다. 이를 통해 앞으로 사용 가능한 시간을 예측하고, 배터리의 충전 시점과 종료 시점을 판단할 수 있습니다. 우리에게 익숙한 전기차, 휴대폰, 노트북 배터리의 잔량 표기에는 더 정확한 SoC 측정값이 필요합니다. 그래서 많은 사람들이 더 정확한 SoC 값을 얻기 위해 연구를 진행하고 있습니다.

3) SoC는 배터리 수명에도 관련이 있습니다. 배터리 수명은 사용자 습관 및 외부 환경에 크게 영향을 받기 때문에, 정해진 수명보다 적거나 많아질 수 있습니다. 이러한 이유로 배터리를 잘 관리하는 것이 중요합니다. 전기차 배터리의 경우, SoH 감소가 거의 없이 제조사 보증 기간의 2~3배 이상 운행할 수 있습니다. 따라서 전기차 배터리의 수명을 연장시키기 위해서는 배터리를 잘 관리하는 것이 중요합니다. 전기차 배터리의 수명을 연장시키기 위해서는 충전하는 방법, 방전하는 방법, 차량 주행 시 주의할 점 등을 잘 알고 있어야 합니다.

4) SoC는 배터리 제조 기업의 핵심 경쟁력 중 하나입니다. 배터리 제조사들은 SoC를 측정하는 방법에 대해 연구하고 있으며, 최적화된 방법을 찾아내기 위해 노력하고 있습니다. SoC를 정확하게 측정하는 것은 배터리의 안전성을 강화하며, 사용자들이 배터리를 더욱 안전하게 사용할 수 있도록 하는 것입니다.

 

3. C-rate (Current rate)

C-rate(충·방전율)은 배터리를 충전, 방전시키는 속도를 나타내는 값으로, 단위는 'C'입니다. 아래 공식을 사용하여 C-rate 값을 계산할 수 있습니다.

< C-rate(C) 공식 >

C-rate는 배터리 사용에 있어서 어떤 의미를 가질까요?

배터리의 C-rate 값은 그 배터리가 얼마나 빠르게 충전하거나 방전할 수 있는지를 나타내는 값입니다. 이를 쉽게 이해하기 위해, C-rate 값이 높을수록 해당 배터리는 더 빠르게 충전하거나 방전할 수 있습니다.

드론 배터리의 방전 C-rate 값이 100C라는 것은, 이 배터리가 자기 용량의 100배까지 전류를 공급할 수 있다는 것을 의미합니다. 하지만 이러한 공급이 필요한 동작을 지속하면 배터리는 단 36초 만에 방전됩니다. 이는 매우 짧은 시간이며, 이러한 배터리를 사용할 때는 주의가 필요합니다.

최근에는 급속 충전과 순간적으로 높은 전류를 필요로 하는 제품들이 점점 많아지고 있습니다. 예를 들어, 전기차나 드론과 같은 제품들이 이에 해당됩니다. 이러한 제품들에서는 C-rate의 개념을 이해하는 것이 매우 중요합니다. 목적에 맞는 배터리와 전자 제품을 선택하기 위해서는 C-rate 값이나 다른 배터리 관련 용어들에 대한 이해가 필수적입니다.

따라서, 배터리의 C-rate 값을 이해하고 이를 활용하는 것은 우리의 일상 생활에서 매우 중요한 역할을 합니다. 이러한 배터리 용어에 대한 이해는 배터리의 수명을 연장시키고, 안전성을 높이는 데에 큰 도움이 됩니다.

우리는 방전 C-rate 값으로 제품 성능의 한계를 예측할 수 있습니다. 예를 들 어, 드론을 작동시키는 배터리는 하늘을 날기 위해서 가볍고 작아야 합니다. 드 론 배터리의 방전 C-rate 값이 낮다면, 높은 전류를 요구하는 고성능 동작이 불 가능할 수 있어요. 방전 C-rate 값이 높다면 방전 속도가 더 빠르고, 순간적으로 높은 전류를 요구하는 고난도 비행이 가능합니다.

 

4. mAh (milliampere-hour)

mAh는 milliampere-hour로, 전기 용량을 나타내는 단위입니다. 이는 전기 용량이라는 것이 시간과 전류량의 곱으로 나타내기 때문입니다. 따라서, mAh는 1시간 동안 사용 가능한 전류량을 나타내며, m(밀리)은 1/1000을 나타냅니다. 또한, 1,000mAh는 1Ah(암페어시)와 같습니다.

mAh는 일상생활에서 많이 사용되는 전기 용량의 단위 중 하나이며, 모바일 기기, 드론, 전기 자동차 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 이는 전기 용량이 높을수록 휴대성과 작동 시간이 늘어나기 때문입니다. 따라서, mAh는 우리의 일상생활에서 매우 중요한 역할을 합니다.

 

그렇다면, 10,000mAh 용량의 3.7V 전압을 가지고 있는 보조배터리로는 휴대폰을 몇 번 충전할 수 있을까요?

충전 가능한 용량은 온도, USB의 저항, 휴대폰 기기의 사용 여부 및 전압 크기 등에 따라 달라질 수 있지만, 충전하려는 휴대폰의 배터리 용량이 동일한 3.7V 전압의 3,000mAh라면, 보조배터리로 약 3회 정도 충전이 가능합니다.

 

5. SEI (Soild Electrolyte Interphase)

최초 배터리 충전 시 음극 표면에 생성되는 보호막은 음극 보호막이라고 하며, 이는 배터리 안전성을 위해 매우 중요한 역할을 합니다.

보호막은 리튬 이온 전도 특성을 가져야 하기 때문에, 고분자 전해질이나 젤형 고분자 전해질을 사용하거나 황화물 및 산화물계 무기물 전해질을 사용하게 됩니다. 이러한 보호막은 배터리 내부의 전해액과 금속이 직접적으로 만나지 않도록 하여 전해액 분해를 저하시키고, 리튬금속의 덴드라이트 형성을 억제하여 배터리의 수명을 연장시키는 역할을 합니다.

고분자 소재 기반의 음극 보호막은, 리튬금속 표면에 리튬 이온 전도성을 가지는 고분자 전해질을 도입하여 전해액과 리튬금속의 직접적인 접촉을 감소시킴으로써 전해액 분해를 저하시키고, 덴드라이트의 성장을 물리적으로 억제하는 기능을 부여하는 방향으로 연구가 진행되고 있습니다. 이러한 음극 보호막은 배터리의 안전성과 수명을 향상시키는 데 큰 기여를 하고 있습니다.

따라서, 우리는 배터리를 사용할 때 음극 보호막이 중요한 역할을 한다는 것을 인식하고, 적절한 보호막을 사용하여 배터리의 안전성과 수명을 보호해야 합니다.

 

SEI는 어떤 역할을 하나요?

리튬 이온 배터리는 충전 시 양극에서 리튬 이온과 전자가 음극으로 이동하여 충전됩니다. 이때, 외부 회로를 통해 이동한 전자와 전해질을 통해 이동한 리튬 이온은 서로 다른 통로를 통해 음극까지 이동합니다. 이 과정에서, SEI는 리튬 이온의 이동만 가능하게 하고 전해질의 추가 분해 반응을 방지하여, 배터리 내의 부품들이 손상되는 것을 방지하며, 배터리 내 분리막 역할을 수행합니다. 이러한 기능으로 인해, 리튬 이온 배터리는 모바일 기기와 전동차 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.

 

6. BMS (Battery Management System)

이 시스템은 배터리의 상태를 모니터링하여 최적의 조건에서 배터리를 유지하고 사용할 수 있도록 제어합니다. BMS의 주요 기능은 배터리 시스템 내 센서를 통해 측정된 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하는 것입니다. 이를 통해 SoC(충전 상태)와 SoH(수명)를 확인할 수 있습니다. 또한 셀 밸런싱을 수행하여 배터리 셀 간의 편차를 줄이고, 배터리 과충전, 과방전, 과전류가 발생하지 않도록 제어합니다. BMS는 이러한 기능을 수행하며, 배터리를 최적 상태로 유지하고 수명을 늘려주는 역할을 합니다.

배터리는 셀(Cell), 모듈(Module), 그리고 팩(Pack)으로 구성됩니다. 이때, BMS는 각 셀의 전류와 전압을 조화롭게 맞춰주어 최적의 배터리 효율을 발휘하도록 관리합니다.

< 배터리 시스템의 구조 >

 

7. CC (Constant Current), CV (Constant Voltage) 충전

일정한 전류 또는 전압을 유지해 충전하는 방법입니다. 충전 방법은 CC- CV(정전류/정전압)방식, 방전 방법은 CC(정전류) 방식입니다.

 

여기서 말하는 CC- CV 방식은 무엇을 말하는 걸까요?

CC-CV 방식의 충전은 충전할 때 전류와 전압을 일정하게 유지하여 충전하는 방식입니다. CC (Constant Current)는 일정한 전류를 유지하는 모드를 말하며, 지정한 A(암페어)로 충전할 수 있습니다. CV (Constant Voltage)는 일정한 전압을 유지하는 모드로 지정한 V(볼트)로 충전합니다.

방전은 CC 방식으로 이루어집니다. 방전 시에도 전류를 일정하게 유지하여 과전류를 방지하고 일정한 출력을 유지하며, 전압이 일정 수준으로 낮아지면 방전이 완료됩니다.

 

8. PCM (Protection Circuit Module)

배터리 보호 회로 장치는 배터리의 과방전, 과충전, 과전류 등을 방지하는 장치입니다. 일상적으로 전자제품을 사용하다 보면 배터리가 예기치 못한 위험에 노출되는 경우가 많습니다. 배터리가 과충전 되면 과열로 인한 화재 또는 폭발 위험이 있으며, 과방전 되거나 과전류가 흐르면 배터리의 성능이 저하되거나 사용할 수 없을 수도 있습니다. PCM은 이러한 위험 요소를 사전에 차단하여 배터리를 보호하는 기능을 수행합니다.

 

그렇다면, 앞서 이야기한 'BMS'와 어떤 차이가 있을까요?

PCM과 BMS 모두 배터리 내부를 제어하고 보호하는 장치입니다. 그러나, BMS는 PCM의 기본적인 보호 기능 외에도 배터리의 모니터링 및 셀 밸런싱과 같은 다른 많은 기능을 수행합니다. BMS가 배터리의 중심 축이라면, PCM은 배터리의 기능을 돕는 역할을 합니다.

 

9. DoD (Depth of Discharge)

SoC (State of Charge)는 배터리가 충전 된 상태를, DoD (Depth of Discharge)는 배터리가 방전 된 상태를 나타냅니다. 배터리의 충전 상태와 방전 상태를 나타내는 두 용어는, 배터리의 상태를 나타내는 역할에서는 서로 반대되는 개념입니다.

하지만 두 용어는 배터리의 상태를 나타내는 다른 방법이기도 합니다. 배터리가 충전된 상태를 나타내는 SoC는 배터리를 사용하기 전에 얼마나 충전되었는지를 알려주는 지표입니다. 그리고 DoD는 배터리가 방전된 비율을 나타내며, 배터리의 사용 가능한 용량을 나타냅니다.

따라서 배터리의 상태를 파악하려면, SoC와 DoD 모두를 고려해야 합니다. 예를 들어, DoD가 100%에 도달하면 배터리의 사용 가능한 용량은 SoC 0%가 됩니다. 하지만 DoD가 20%라면 배터리의 잔여 용량은 80%입니다. 이렇게 배터리의 상태를 정확히 파악하여 적절히 관리함으로써, 배터리의 수명을 연장할 수 있습니다.