[배터리] 용어
로봇 제작할 때, 간과할 수 있는 부분은 전원 공급 부분입니다.
예전에는 그냥 무지성으로 리튬 이온 배터리를 구매하여 DC-DC 컨버터에 연결해 로봇의 전원부로 사용했지만,
점점 가격과 용량의 효율성을 생각하게 되면서 배터리 지식가 필요하게 되어 이를 공부하는 목적으로 글을 작성했습니다.
이 글에서는 배터리를 다루는 데에 필요한 용어를 주로 다룹니다.
배터리
배터리는 화학 에너지를 전기 에너지로, 반대로 전기 에너지를 화학 에너지로 바꿔주는 변환 장치입니다.
화학 에너지에서 전기 에너지로만 갈 수 있는 배터리를 1차 전지라고 칭하고,
반대로 전기 에너지를 화학 에너지로 바꿀 수 있는, 즉, 충전이 가능한 배터리를 2차 전지라 합니다.
Cell, Module, Pack
Cell은 배터리의 가장 기본적인 구성 요소입니다.
하나의 셀은 일반적으로 1V~6V 사이의 전압을 가지고 있습니다.
로봇 혹은 자동차 배터리로 많이 사용하는 18650 배터리 셀의 경우 공칭전압 3.7 V를 가집니다.
공칭전압 (Nominal Voltage)은 편의상 지칭하는 배터리 전압입니다. 배터리의 전압이 항상 같은 값을 유지하지 않기 때문에, 제조사에서 정한 명목상의 배터리 전압입니다. 리튬이온배터리 경우 셀당 3.6V 혹은 3.7V라 표기합니다.
따라서 4개의 직렬일 경우 14.4V라 표기하는 경우도 있고 14.8V이라 표기하는 경우도 있습니다.
Module은 Cell들을 직렬 혹은 병렬로 연결해놓은 구성품을 말하며,
Pack은 이 Module들을 직렬 혹은 병렬로 연결해놓은 것을 말합니다.
일반적으로 배터리 팩이라고 하면 쉽게 사용할 수 있게 만들어진 배터리 장치라 생각하면 됩니다.
방전 중단 전압
- Cutoff 전압, 방전종지전압 등으로도 불립니다.
방전 중단 전압은 배터리 운용에서 안전하게 방전을 시킬 수 있는 최소 한계 전압을 말합니다.
배터리 사용을 할 시 방전 중단 전압보다 낮게 사용하면 고장이 날 수 있습니다. 혹은 충전 중 폭발 위험이 있습니다.
예로 1셀의 리튬이온 배터리 18650는 방전 중단 전압을 2.75V 정도로 잡고 있습니다.
다만 배터리 수명의 이유로 3.0V 까지 사용하는 것을 권장합니다.
BMS가 있는 경우라면, 이 전압 아래로 내려갈 시 안전을 위해 강제로 컷오프시키는 기능을 내장하기도 합니다.
충전 상한 전압
반대로 충전 시 설정할 수 있는 전압의 최대 한계값입니다. 일반적으로 높은 전압으로 충전할 때, 빠르게 충전될 수 있습니다.
일반적인 18650 배터리의 충전 상한 전압은 4.2V입니다.
- 충전 상한 전압과 방전 중단 전압 모두 배터리 양극의 성분(활물질)에 따라 전압이 달라집니다.
용량
배터리의 용량은 충전된 상태에서 방전 중단 전압에 도달할 때까지 방출할 수 있는 전기량을 나타냅니다.
배터리의 용량의 단위는 [mAh] 혹은 [Ah] 로 나타냅니다. Ah = 전류 A * 시간 h 으로 계산합니다.
1Ah는 1 암페어의 전류를 1시간 동안 흘릴 수 있는 용량을 가지며, 이 용량은 2A로는 0.5 시간 사용으로 생각할 수도 있습니다.
배터리의 용량은 병렬 연결할 수록 용량이 증가합니다.
일반적으로 많이 쓰는 배터리 18600은 공칭전압 3.7V, 용량은 2000mAh ~ 3800mAh입니다.
18650과 21700
리튬이온 배터리 셀을 말할 때, 주로 18650이냐, 21700이냐를 말합니다. 이는 원통형태로 만들어진 리튬이온 배터리를 말하며,
직경 18mm, 높이 65mm 혹은 직경 21mm, 높이 70mm 이기에 이렇게 표현합니다. 마지막 0은 원통형을 의미합니다.
21700의 경우 용량은 5000mAh입니다.
SOC - State of Charge, 잔존용량
최대 용량 대비 충전율을 의미합니다. 100%는 완전 충전, 0% 완전 방전을 의미합니다.
DOD - Depth of Discharge, 방전 깊이
SOC와는 반대의 개념입니다. 최대 용량 대비 방전 정도를 말합니다.
DOD가 클 수록 SOC가 감소합니다. 즉, 완충 상태는 0%, 방전 상태는 100%를 말합니다.
SOC와 DOD가 별도로 존재하는 이유는, 배터리를 과도하게 사용할 경우, SOC는 0% 이하로 표현하지 못하지만, DOD는 110%와 같이 사용할 수 있기 때문입니다.
종단 전압과 개루프 전압
배터리를 사용하기 위해 전압을 측정해보면, 부하가 연결되어있을 때와 연결되지 않을 때의 전압이 다른 것을 확인할 수 있습니다.
배터리 내부 저항 때문인데, 부하가 연결되었을 때의 전압을 종단 전압, 그렇지 않을 때의 전압을 개루프 전압이라 말합니다.
배터리 내부의 저항은 떨어진 전압의 차이로 구할 수 있습니다.
C-Rate
1시간 동안 배터리를 출력하도록 할 때, 전부 빠져나가게 할 수 있는 전류의 양을 1C라고 칭합니다.
예로, 4000mAh 용량을 가진 배터리를 1시간동안 다 사용하기 위해서는 4A로 방전하면 됩니다. 이 배터리의 1C는 4A가 됩니다.
따라서 0.5C 만큼 사용한다면 2시간 방전을, 2C 만큼 사용한다면 30분을 사용할 수 있습니다.
예로
이 LiPo 배터리의 연속 사용 C-rate값은 50C입니다. 용량이 5.2Ah이므로 5.2A가 1C가 됩니다.
50C로 사용할 수 있으니 최대 250A까지 내보낼 수 있으며, 이렇게 사용할 때에는 1/50 시간동안 사용할 수 있습니다.
반대로 충전할 때에는 1C를 초과하지 말라는 경고가 있습니다.
따라서 이 배터리를 충전할 때에는 1C인 5.2A를 넘지 않도록 CC로 걸어 충전하면 됩니다.
* 쿨롱이라 읽지 않습니다. 씨-레이트라 읽습니다.