전동핸드바이크에 사용하는 리튬 배터리 팩이란 무엇인가?
리튬배터리로 구성된 배터리 팩은 공칭전압과 종지전압. 충전전압이 각기 다르며 이를 지켜 충전과 방전을 유지하여야 한다. 그중에서 종지전압은 배터리의 수명과 관련된 중요한 기준이 되므로 종지전압에 대한 이해를 하고 사용하면 배터리의 성능과 수명의 관리에 유리하다.
소개
최근 몇 년 동안 리튬 배터리는 스마트폰에서 전기 자동차에 이르기까지 다양한 전자 장치의 필수 전원이 되었다. 전동핸드바이크에 사용하는 리튬 배터리 팩의 종지전압을 이해하는 것은 성능을 최적화하고 안전하고 효율적인 사용 하는 데 있어 중요하다. 리튬 배터리 종지 전압의 개념, 그 중요성 및 전체 배터리 성능에 미치는 영향에 대해 자세히 알아보자.
종지전압이 뭐고 종지전압을 어떻게 지키는가?
충전 전류와 전압은 뭐고 어떤 충전기를 사용해야 하는가?
이제 부터 리튬이온 배터리셀의 데이터시트를 보면서 관련된 용어를 간단히 정리하면서 주의할 것들에 대해 알아본다.
전동핸드바이크에 사용되는 번들배터리 팩에 사용된 자랑스러운 우리기업 의 세계적인 최고성능이 배터리 LG케미컬의 리튬이온 배터리셀인 INR18650 M26의 데이터시트를 보자.
INR18650 M26 데이터 시트
리튬이온 배터리 형명의 앞에 표기된 "INR"는 리튬 이온 배터리의 유형 이름에서 일반적으로 사용되는 약어로, INR 리튬 이온 배터리를 의미한다. 이것은 배터리의 화학 구성에 의해 결정되며, 고용량 및 안정성이 뛰어난 특성을 가진 배터리를 구분하고 있다.
중요하게 봐야 할 정보들을 하이라이트했다. 아래 1 데이터 시트에 적힌 정보만 간단히 설명한다.
데이터시트 페이지 4/10의 내용에 대한 설명은 아래와 같다
2.1 용량 :기준 2,600mA . 최소 2,500mA
2.2 공칭 전압 - Norminal voltage :평균적으로 3.65V으로 방전한다.
2.3 표준 충전 - Standard charge : CC 1,250mA, / CV 4.20±0.05V: 0.5C 1,250mA로 최대 전류를 제한하고,
2.4 최대충전 전압은 4.2V로 제한한다.
2.5 최대 충전전류는 1.0C 2,500mA 로 제한한다.
50mA cut-off: 충전 전류가 50mA 이하로 낮아지면 충전을 종료한다.
2.6 표준 방전 전압 - Standard Discharge : 지속 0.2C (500mA) / 종지전압 - End voltage(Cut off) 2.75V
2.75V 이하로 전지 전압이 떨어지면 방전이 정상적으로 되지 않는다.
2.7 최대 방전전류 - 10A
이외 방전온도 및 충전온도에 대한 내용이 있다.
Q
1.1 종지전압이 뭐지?
A
리튬이온 배터리는 종지전압(2.57V)이하로 방전하면 방전 성능저하 또는 충방전 불능이 된다.
종지전압은 배터리의 한계전압이다.
배터리를 과도하게 방전하면 방전 종지전압 이하로 배터리 전압이 떨어진다.
종지전압 이하로 전압이 떨어지면 배터리의 수명이 급격히 줄거나 영구적으로 고장이 난다.
Q
1.2종지전압을 어떻게 지키는가?
A
리튬이온 배터리는 꼭 보호회로(BMS)를 달자
배터리를 바로 연결하면 안 돼 AU 보호회로를 통해 회로에 연결해야 한다!
BMS를 꼭 연결해라. BMS는 Battery Management System으로 배터리가 허용 전압 이상으로 충전되는 과충전을 막고 종지전압 이하로 방전되는 과방전을 막는다.
Q
2.1 충전 전류와 전압은 뭐지?
리튬이온 배터리는 충전전압이랑 방전전압이 다르다
방전전압은 공칭 전압으로(Norminal voltage) 평균적으로 3.65V이다.
반면에 충전 전압은 4.20±0.05V 이다.
Q
2.2 어떤 충전기를 사용해야 하는가
A
데이터 시트 standard charge의 전압과 전류와 "완전히 똑같은", "리튬이온 배터리", "충전기"를 써야 한다.
- 충전기의 충전 전압 전류는 데이터시트의 CCCV 다음에 쓰여 있는 전류, 전압과 달라도 안되며,
- 리튬이온 배터리 충전기가 아니라 다른 배터리 충전에 쓰이는 충전기를 써도 안되며 (리튬폴리머와 리튬이온의 경우 충전기가 공용일 수 있다.)
- 충전기가 아닌 직류전원 공급장치인 DC아답터를 연결해도 안 된다.
기타 기능
배터리팩의 출력이 얼마나 강한지 알 수 있는 방법이 있을까?
배터리팩의 출력을 알려면 리튬이온셀의 출력을 알아야 한다.
리튬이온의 방전과 연관 있는 수치는 크게 3개 있다.
방전 용량, 방전 전압, 방전 전류
데이터시트에 있는 이 3개의 수치를 설명하면서 리튬이온 배터리 셀에서의 의미를 알아보겠다.
오늘 설명할 INR18650 M26 리튬이온 배터리이다.
capacity
배터리의 용량과는 약간 다르지만 배터리의 총용량이라고 알아도 문제는 없다.
2,600mAh: 총 용량이 2,600mAh라는 것이다. 2.6A로 방전하면 1시간 동안, 5.2A로 방전하면 30분 동안 방전할 수 있는 용량이다.
Norminal Voltage
배터리의 방전 전압이 평. 균. 적. 으.로. 3.65V이라는 것이다. 3.65V로 방전한다.
리튬이온 배터리의 방전 전압 역시 일정하지 않다!
리튬이온 배터리의 방전전압은 만충일 때는 만 충전압인 4.2V인데 사용하면서 조금씩 낮아지며 종지전압인 2.75V에서 멈춘다.
3.6V로 쭉 사용해도 문제가 없으니 4.2V~2.5V라고 쓰지 않고 3.6V라고 설정한 것이다.
Max. discharge
Max: 최대
discharge: 방전
2,600mA의 3.5배에 달하는 최대 10A 전류로 방전한다는 의미이다. 통상 3C (중방 전)에 해당하는 성능의 제원이다.
방전율
2,500mAh
Discharge: 0.2C(500mA). 2.75V discharge cut-off
C가 방전율을 의미한다. 아주 간단히 설명하면
C를 알면 전류를 알 수 있다
1C는 용량 2,600mAh를 기준으로 1시간 동작하는 전류이다!
즉 1C는 2.6A이다!
정확히 방전율은 C-rate이라고 하며 배터리의 사용시간을 추정하는 데 사용되는 전류를 선언하는 단위이다.
리튬이온 배터리의 용량은 일정하지 않기에 용량으로 기기의 사용시간을 알고 싶은데 용량이 일정하지 않으면 사용기기의 남은 용량이 1시간 일지 1분 일지 모르는 것이다.
그. 대. 서. 사용시간을 기준으로! 1시간 동안 배터리를 사용할 수 있는 전류를 1C라고 정의한 것이다.
기능
18650 리튬이온 셀 여러 개를 합치면 더 큰 용량, 더 강한 출력을 만들 수 있다.
우리가 사용하는 전동핸드바이크에 사용하는 배터리팩은 더 큰 용량 그리고 더 강한 출력을 위해 리튬이온 셀들을 합친 것이다.
18650 배터리 셀의 스펙을 토대로 배터리팩은 얼마나 강한 출력을, 큰 용량을 가지는지 그리고 몇 V 몇 A의 충전기를 써야 하는지 계산법을 정리하려 한다.
배터리팩을 만들기 위해 리튬이온 셀들을 조합하는 방법에는 두 가지가 있다.
1. 직렬연결 - S(series)
2. 병렬연결 - P(parallel)
번들 배터리팩을 살펴보면 배터리 정격에 관한 표기사항이 기록된 라벨에 10S 5P로 기록되어 있다
18650 10 S5 P = 18650 리튬이온 셀 50개를 10개씩 직렬연결하고 5개씩 병렬연결해서 만든 배터리팩
이란 의미이다.
계산법
배터리팩의 스펙 계산법 또한 직렬과 병렬로 구분된다.
직렬연결 - S(series) - 전압 증가
병렬연결 - P(parallel) - 용량, 전류 증가
직관적으로는 직렬 = 전압, 병렬 = 전류이지만
조금 더 살을 붙여보면
nSmP 배터리팩의 스펙 계산법을 이렇게 정리할 수 있다.
n개 직렬연결
m개 병렬연결
배터리팩의 종지전압 = 한 개의 셀 종지전압 x n
배터리팩의 방전전류 = 한 개의 셀 방전전류 x m
배터리팩의 출력전압 = 한 개의 셀 출력전압 x n
배터리팩의 충전전류 = 한 개의 셀 충전전류 x m
배터리팩의 충전전압 = 한 개의 셀 충전전압 x n
배터리팩의 용량 = 한 개의 셀 용량 x m
이제 예시를 들어 계산을 직접 해보겠다.
INR18650 M26 리튬이온 셀 10개를 사용해
10 S5 P 배터리팩을 만들면 종지전압, 출전전압전류, 방전전압전류, 용량이 어떻게 될까?
1. 리튬이온 셀의 스펙
INR18650-25R 리튬이온 셀의 데이터시트에서 중요한 수치를 표시하면 이렇다.
요약 정리해 보았다.
리튬 이온 셀의 스펙
데이터 시트 참고 위치
수치
배터리의 용량
3.1 Norminal discharge capacity
2,600mAh
방전 전압
3.2 Norminal Voltage
3.65V
방전 전류
3.7 Max. continuous discharge
10A 이하
종지 전압
3.8 Discharge cut-off voltage
2.57V
충전 전압
3.3 Standard Charge
4.2V
충전 전류
3.3 Standard Charge
1.25A
2. 10 S5 P 리튬이온 배터리팩의 스펙
여기에 아까 계산법을 적용하면 10S5P 배터리팩의 스펙을 계산할 수 있다.
10개 직렬연결
5개 병렬연결
10S5P 배터리팩 종지전압 = 2.57V x 10 = 25.7V
10S5P 배터리팩 출력전류 = 10A(이하) x 5 = 50A 이하
10S5P 배터리팩 출력전압 = 3.6V x 10 = 36V
10S5P 배터리팩 충전전류 = 1.25mA x 10 = 1.25A (통상 2A적용)
10S5P 배터리팩 충전전압 = 4.2V x 10= 42V
10S5P 배터리팩 용량 = 2600mAh x 5 = 13,000mAh = 13A (전력 P=IE 36*13= 480W)
이 수치를 이용해 배터리팩에 맞는 BMS 정격과, 배터리팩의 용량도 계산하고, 표준 및 고속 충전기 기준 설정을 할 수 있다.
CC CV란?
리튬이온 배터리가 어떻게 충전되는지 알려면
CC, CV에 대해 더 자세히 알아야 한다
CC = constant current = 일정한 전류를 공급한다
CV = constant voltage = 일정한 전압을 공급한다
CC모드에서는 일정하게 1.25A를 공급하고 공급 전압 배터리 상태에 따라 바뀐다.
CV모드에서는 일정하게 4.2V를 공급하고 공급 전류는 배터리 상태에 따라 바뀐다.
리튬이온 배터리는 전용충전기에 의해서
처음에는 CC모드로 1.25A 충전하다가 전압이 4.2V가 도달하면
CV모드로 4.2V로 충전을 한다.
그리고 CV모드에서 전류가 50mA에 도달하면 충전을 완료한다.
이상으로 장애인용 전동핸드바이크에 사용되는 리튬이온 36V 배터리 중 번들배터리 엘지케미컬 INR18650 M26 10S5P 규격의 배터리 팩의 제원과 성능과 사용조건에 필수인 충전조건등에 대해 알아보았다.