리튬이온 배터리 고찰-전기차등 대용량 시스템 관련.

동호회에 간단하게 썼던 글이 아까워서...

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몇해전만 해도 리튬 폴리머나 리튬인산철 같은 애들이 부상할것 같았는데 결국 여러 상황으로 리튬이온이 대세가 된것 같습니다 특별히 18650이.. 다 테슬러 덕분인듯.

 회사에서도 최근에 충방전시스템 및 배터리에 대해 스터디 중이라 관련된 내용 간단하게 정리해보고자 써봅니다. 해당 내용들이 이미 검색해보면 넘쳐나지만 딱 맞는 내용은 없어서..

리튬이온의 화학적 성질상 기본적인 사양은 정해져 있습니다. 충방전 전압, 위험 방전 전압, 최적의 충전 조건 등등.

 

그래서 이를 지켜야 하는 것은 아주 기본적인 사항이 되는거고 이를 극복할만한 아이디어를 내서 대용량 충방전 및 사용 기술들에 적용되는 중입니다.

 리튬이온에 대한 아주 기초적인 내용들을 먼저 정리해 봅니다.

일단 배터리의 용량을 전압/전류로 표기하는데 공칭 전압(3.6V)이 정해져 있기 때문에 전류량으로 용량을 판단.

이게 3000mA라고 흔히 얘기하는데 이게 H가 빠진거라 실제 용량은 3000mAH 가 됩니다.

이는 3A의 전류를 한시간동안 빼 쓸 수 있다는 의미. 이걸 1C 라고 합니다.

 

만약 충전할때 1C로 했다고 하면 3A 전류를 계속 넣어주고 있다는 의미가 되는거고

방전도 마찬가지로 3C방전이 가능하다면 9A로 빼쓸 수 있다는 의미이고 대신 시간이 줄겠죠.

 

배터리의 특성은 통상 1C를 기준으로 합니다. 1C로 한시간 빼쓸때 3A를 뽑을수 있다는 의미.

그럼 이보다 적게 뽑으면?  0.5C로 빼쓰면 산술상 2시간 쓸거 같지만 실제로는 이보다 길어집니다.

반대로 2C로 뽑으면 6A씩 30분 쓸거 같지만 이보다 훨짧게 사용가능합니다.

 

충전의 경우 급속충전(1C이상으로 충전)하게 되면 화학물의 구조상 손실을 가져오게 되어서 제 수명(충방전사이클)으로 사용할 수 없게 됩니다.  따라서 단셀의 입장에서는 1C이하로 완속 충전하는것이 용량을 잃지 않고 오래쓰는 길.

 

그런데 최근의 대용량 시스템(전기차류, 태양광 발전, UPS 등)에서는 이렇게 했다가는 1년 충전하고 1시간 쓰게되는 상황이 오게되니 이를 피하고자 여러 기술들 등장.. 그래봐야 결국 위에서 언급한 특성을 피하는 구조.

 

1. 전압을 높임: 4.2V로 3000mA짜리 하나씩 충전하느니 충전할 배터리를 연결해서 직렬로 충전. 그럼 동시에 여러 여러배터리 충전. 테슬러 배터리의 경우 400~430V 쯤 전압이 나오게 연결되어 있는데 이렇게 해서 한번에 충전합니다.

그럼 20A쯤만 전류를 밀어넣어도 1C로 80Kw짜리 배터리 충전 가능. 이게 대략 1시간. 실제론 완충할려면 이보다 더걸리지만.. 

이렇게 전압을 높여서 하게되는 급속충전은 예전 RC때 하나의 셀을 충전할때 사용하는 급속충전과는 다른 개념이 됩니다.

 

2. 문제는 이렇게 직렬로 수십개, 몇백개 연결하게 되면 배터리의 특성상 서로 화학물의 특성이 달라지게 되어 충방전 효율이 엄청 나빠지게 됩니다. 그래서 각 셀간의 상태를 파악해서 방전할때는 상태좋은 녀석이 먼저 되도록, 충전할때도 상태좋은 녀석에게 전류를 더 넣어주는 식으로 발란싱을 맞추게 되는데 이걸 셀발란싱이라고 합니다.

아마 RC하던 분들은 이거 가장 중요한 충전기 요소로 들었을듯..

 

3. 리튬이온배터리는 온도 특성에 민감합니다. 따라서 충방전시의 온도를 적절하게 해주는것이 수명 연장의 비법이라서 테슬러는 수냉식을 택하게 된거죠.

 

결론적으로 이렇게 했더니 셀의 수명이 500쯤 밖에 안되는 파나소닉 18650 리튬이온 배터리를 가지고 수명을 30만킬로를 탈수 있더라.. 라는 뉴스가 나오게 된거죠.

 

다이슨에서 최근 출시한 V10의 배터리 10년, 15년 사용 가능 이런 얘기도 이런 류의 기술을 적극 채용하게 되어서 가능한거고..

 

사실 더 핵심은 이런 기능들이 IC로 구현이 되어 있다는겁니다. 그러다보니 세트 업체들은 간단하게 수명 연장의 길로 들어가게 된거죠..

만약 이러한 회로에 관심이 있다면 battery management system(BMS), Active cell balancing, Passive cell balancing 등의 검색어로 찾아보시면 더 상세한 자료 얻으실수 있습니다.