배터리(Battery) 기본

배터리의 특성값 과 배터리의 진단법 

방전 시의 반응

배터리의 구조를 보면 여러 개의 셀로 구성되어 있는데 1개의 셀은 배터리의 가장 기본 단위로  양극판, 음극판, 격리판, 전해액, 셀 케이스 등으로 구성되어 있고, 셀 1개당 극판수(극판 수를 늘리면 극판이 전해액과 대항하는 면적이 증가하므로 배터리의 용량이 증가한다. 즉 이용 전류가 많아진다)와 크기에 관계없이 약 2.1V정도의 기전력을 발생 시킨다.  셀 외부는 케이스로 둘러싸여 있고 납 합금으로 된 단자 기둥이 있다. 단자 중 직경이 큰 쪽이 ‘+’단자(내부의 과산화납과 연결되어 있기 때문에 산화되기 쉬워 부식이 발생한다.)이다. 이 부식을 방치할 경우 충․방전 작용이 원활히 이루어지지 않아 배터리의 수명이 짧아지고, 엑추에이터들이 제대로 작동을 못하는 경우가 생긴다.  단자 중 직경이 작은 것이 ‘-’단자이다.  케이스 윗부분에는 합성수지로 제작된 벤트 플러그가 있는데(MF Battery는 보이지 않는다),  케이스와 접착되어 기밀과 수밀을 유지하고 있으며, 커버 가운데에는 전해액 또는 증류수를 주입하거나 비중계용 스포이드나 온도계 등을 넣기 위한 구멍과 이 구멍을 막아 두기 위한 벤트 플러그가 있다. 이 플러그의 중앙이나 옆에는 작은 구멍이 있어 배터리 내부에서 발생하는 산소와 수소 가스를 방출한다. 방전은 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 사용하는 것을 말하며, 음극판의 해면 상납(Pb)과 양극판의 과산화납(PbO2)은 황산납으로 변하고, 전해액(2SO4)인 묽은 황산은 양극판의 활성물질과 반응하여 물(H2O)에 가까워져 비중이 떨어진다. 따라서 방전을 계속하게 되면 활성물질이 황산납(PbSO4)으로 변하여 전기를 발생할 수 없게 된다. 이 상태를 완전 방전 상태라 한다.
배터리액(전해액) 충전시의 반응 농도는 배터리의 방전 전기량에 비례하여 변화되므로, 비중계로 전해액의 비중을 측정하므로 배터리의 상태를 알 수 있다. 충전의 경우는 방전과 반대의 반응인데, 음극과 양극의 황산납(PbSO4)은 발전기에 의해 점차적으로 전기에너지를 충전시키면 양극판은 과산화납(PbO2), 음극판은 해면상납(Pb)으로 변하고 전해액은 기판의 활성물질과 반응하여 비중이 올라간다. 배터리가 완전 충전상태로 되돌아가면 물이 전기 분해되어 양극에서는 산소(O2), 음극에서는 수소(H2)가 매우 심하게 발생한다.그리고 방전하는 동안에 황산의 비중은 점점 낮아지며, 반면에 충전동안에는 물이 황산의 형태로 바뀌기 때문에 비중은 올라간다. 이것이 배터리의 중요한 특성 이라 할 수 있다. 오래전부터 비중을 측정하는 방법은 많이 사용되어 왔으나, 요즘의 배터리는 무보수 배터리(MF)가 많이 보급된 관계로 거의 비중을 측정하는 일이 드물기 때문에 비중에 관한 것은 넘어가기로 한다. 배터리에는 여러 가지 특성량의 표시가 있다.

배터리의 특성량 표시는 12V  60AH  550CCA(CCP)로 표시가 되는데, 12V는 잘 알고 있듯이 정격전압인 공칭전압이다. 12V라 표시가 되어있으면, 극판(CELL) 6개가 직렬로 연결되어 있다는 뜻이다. (셀당 2V로 계산)  전압은 배터리의 온도에 따라 변화하는데, 이것의 변화는 1℃에 대하여 셀당 0.2~0.3mV정도라 한다.  즉 온도에 따라 변화는 되지만 기전력의 변화는 극히 작은 값의 변화이기 때문에 무시된다.  다음에 60AH라는 뜻은 배터리의 용량을 표시한 것인데 용량은 방전전류, 전해액의 비중과 온도, 충전상태 (노화 정도) 등에 따라 변화한다.
이 용량은 방전한계 즉 배터리 방전 종지 전압 (배터리는 어는 정도 방전을 하고 나면 그 후의 전압강하는 매우 급격하게 일어나며, 어는 한계까지 방전하면 과방전 되어 배터리에 악영향을 미친다.
일정선 이상까지 방전하지 않게 하기 위하여 어느 한도를 정할 필요가 있는데 이점을 ‘방전 종지 전압’이라한다.  자동차용 배터리의 종지 전압은 1.75V이고, 전해액의 비중은 1.140을 기준으로 한다.
방전할 수 있는 총 전기량은 A․h(ampere․hour)로 표시하고, 일반적인 배터리의 정격용량은 전해액 온도 27℃ 에서의 20시간 방전율로 표시한다. 완전 충전된 배터리가 방전한계(셀당 전압 1.75V 또는 전해액 비중 1.140)까지 20시간 동안 일정한 전류로 방전할 수 있다는 능력을 말한다.
배터리 용량(Ah) = 방전전류(A) × 20h가 된다.
위와 같이 60Ah의 배터리는 27℃의 온도에서 3A를 20시간 동안 방전 할 수 있다는 얘기다.
방전 전류는 전해액의 온도가 상승하면 정격용량보다 상승하게 되는데 60℃ 이상의 고온에서는 극판이 약화 (극판의 부식, 작용물질의 분리)되고, 자기 방전이 현저하게 증가한다.  반대로 온도가 낮아지면 용량도 감소하게 되는데 그 이유는 낮은 온도에서는 배터리의 전기적 화학작용이  느리게 진행되기 때문이다.  참고로 -18℃에서는 재 성능에서 40%만 발휘된다.  배터리의 용량도 감소하고 엔진의 부하가 증가된 겨울철 아침 시동시에 시동이 어려운 이유가 이런 이유이다.  또한 용량은 충전량에 따라 변화하고, 충전량이 부족하면 충전후의 용량은 감소한다.  다만 방전량에 대하여 120%정도 이상으로 충전량을 증가시켜도 충전후의 용량은 그만큼 증가하지 않는다.  이유는 마지막 충전량의 대부분이 배터리액중의 물을 전기 분해하고 열을 발생하는데 소비되기 때문이다.  그래서 요즘의 발전기는 ‘S’단자을 이용해 배터리의 충전 상태를 보면서 발전전압을 제어한다.  때문에 차량의 방전이 우려가 되면 사용가능 용량 중 큰 것을 선택하여야 한다.  550CCA(Cold Cranking Ampere)의 의미는 저온 시동성을 의미하는데, 이것은 배터리의 엔진 시동성을 보여주는  대표적인 특성이고 온도, 전류와 배터리의 충전조건에 따라 변한다.  충전된 배터리를 -18℃에서 저온 시동전류로 방전하여 배터리의 성능을 평가한다(이 때 전압은 방전개시 30초  후 셀당 1.5V, 또는 150초 후 1V 이하로 낮아져서는 안된다) 배터리의 존재여부는 엔진의 시동이기 때문이다.  즉 엔진이 점화가 되고 시동을 유지할 때까지 점화 장치를 가동할 수 있도록 충분한 전압을 유지하여야 시동을  걸 수 있다. 결국 겨울철 시동성이나 배터리가 힘이 센 것을 원한다면 CCA가 높은 것을 선택하여야 한다.

배터리의 점검법 

배터리는 이론 상으론 최소한 250번의 충, 방전을 반복할 수 있어야 하는 것으로 규정되어있다.  또한 이론적으로 사용가능한 정격용량의 40%이하로 낮아지면 배터리의 수명은 다한 것으로 본다.  왜냐하면 시동이 어렵게 되기 때문이다. 그러나 실차에서는 보통 30%의 용량이 부족하면 시동이 어렵게 된다.  정비 기준을 30%에 두고 점검하면 되는데, 예를들어 암전류(무부하 상태에서의 방전전류)가 약100mA(이 정도의 전류는 릴레이 코일 구동 전류밖에 되진 않는다)가 있다고 가정하면 60Ah 배터리의 경우 60Ah × 0.3 = 18Ah라 는 계산이 되니 이 30%의 용량을 방전 전류로 나누면 배터리의 수명을 계산 할 수 있다. 즉 18Ah ÷ 0.1A = 180h로 180시간 후면 시동이 안된다는 의미이고, 약 7.5일 후에는 시동이 안 된다는 얘기다. 60Ah짜리 배터리를 장착하고 100mA를 방전하는 상태에서 7일간 방치할 경우 시동이 안 걸린다는 결론이다. 무부하 상태의 방전전류는 이론상 20~30mA(차종에 따라 약간의 차이가 있다)를 기준으로 하고 전압강하와  CCA 파형 충전 전류의 측정 있지만, 정비기준은 50mA로 기준을 삼으면 된다.  또 배터리의 보관시나 장시간 주차시에 배터리 자체에서 자기 방전을 하는 경우가 종종있는데 시간이 경과함에  따라 배터리 내부에서 화학작용이 진행되어 자연 방전된다.  이 현상을 자기 방전이라 하는데  배터리액에 포함된 불순물, 극판 격자의 안티몬 함량, 작용물질의 분리와 퇴적 에 의해 단락되는 경우 등의 영향으로 자기 방전된다.  자기 방전은 배터리의 노후 정도에 따라 다르고 하루에 용량의 0.2~1.0%정도로 진행된다. 완전 충전된 배터리는 15℃에서 약 4개월 정도면 완전 방전되고, 40℃에서는 약 2주정도 지나면 완전 방전된다 고 한다. 자기 방전의 정도는 우리가 쉽게 판정하기 어려우나 시동시의 내부 저항 즉 전압 강하량을 보거나 충전  전류 등을 보면서 판정한다.

배터리의 종류 별 특성

Lead Acid Batteries

Lead Acid battery banks are still the preferred battery for most Standalone Power and Grid Battery Storage applications – where the size and weight of the batteries are not an issue. Using a reputable brand, correct sizing, suitable housing, and appropriate battery management, lead acid battery banks can last for 15 years or more.

Valve-Regulated Lead Acid (VRLA or ‘Gel-Cells’)

The preferred battery of choice for all standalone applications. Proven to consistently outperform and outlast wet cell battery banks in correctly designed and managed standalone systems.

Advantages:

  • Sealed and maintenance-free; no messy, regular, distilled water top ups
  • No corrosive acid vapours or acid spillage
  • Superior charge current handling
  • Can be installed in the same enclosure within close proximity to other equipment
  • Long life in standalone applications
  • Lower self discharge and high recharge efficiency
  • Lower installation cost
  • Safer in transport

 Disadvantages:

  • Higher upfront cost

Lithium-Ion

Currently in the development stages for large stationary stand alone power applications. Lithium-Ion is considered by many to be the next generation of energy storage with a number of advantages over existing technologies, however at present these benefits are outweighed by the higher cost and minimal field testing. Trials, testing and cost analyisis is currently being conducted by ourselves and our industry partners to ensure maximum safety, reliability and compatability of lithium-Ion technology with solar inverter technology.

Advantages:

  • Higher energy density (lighter & lower space requirement)
  • Ability to deeply discharge cells
  • Individual cell monitoring
Disadvantages:
 
  • High upfront cost
  • High number of additonal components and electronics
  • Unproven record in standalone applications
  • Autonomy backup more difficult to achieve with deep discharge system design

Flooded Lead Acid Batteries (‘Wet-Cells’)

Flooded Lead Acid Batteries are a lower initial cost proven performer in standalone applications that are properly sized and regularly maintained by experienced persons. Unlike sealed gel VRLA batteries, wet cells need regular maintenance in the form of checking the electrolyte level, adding distilled water to prevent drying out, regular cell top surface cleaning and regular boost charging to overcome acid stratification. Under Australian regulations wet-cells must also be segregated from all other equipment, requiring their own storage enclosure to meet strict safety guidelines.

Advantages:

  •  Lower upfront cost
  • State of charge can be read from a hydrometer and cell thermometer if necessary

 Disadvantages:

  •  Requires higher maintenance and electrolyte top up with distilled water
  • On-going costs relating to maintenance and extra generator fuel use
  • Lower efficiency (extra power lost thru regular boosting and equalising)
  • Typically shorter life expectancy
  • Less usable amp hours due to lower charge current acceptance
  • More stringent safety standards are applicable with added cost (e.g. eye wash facility installed; acid spill containment vessels)
  • Special safety standards applicable for transport (safety signage etc.)
  • Requires own storage enclosure to meet national safety guidelines
  • Increased battery weight

이십(20) 시간율 [ 二十時間率, twenty hour rate ]

배터리에서, 셀 전압이 1.75V로 떨어지기 전에 전해액 온도 27℃에서 20시간 동안 공급할 수 있는 전류의 양을 측정하는 배터리율을 말한다.

다양한 이차전지의 비교

Chemistry Voltage  Energy Density  Working Temp.    (°C)  Cycle Life  Safety Environmental Cost based on cycle life x wh of SLA
LiFePO4 3.2V >120 wh/kg  -20-60  >2000(0.2C
rate, IEC Standard)
Safe Good 0.15-0.25
lower than SLA
Lead acid 2.0V > 35wh/kg  -20 – 40 >200 Safe Not good 1
NiCd 1.2V > 40wh/kg  -20 – 50 >1000 Safe Bad 0.7
NiMH 1.2V  >80 wh/kg  -20 – 50  >500 Safe Good 1.2-1.4
LiMnxNiyCozO2 3.7V >160 wh/kg  -20 – 40  >500 better than LiCo OK 1.5-2.0
LiCoO2 3.7V >200 wh/kg  -20 – 60  > 500 Unsafe w/o PCM OK 1.5-2.0

About Rechargeable Battery

There are five types of rechargeable batteries commercially available. The following table compares their performance and application. Currently the most popular rechargeable batteries are Ni-Cd, Ni-MH and Li-Ion in consumer electronic industry, which are among our major products.

Using rechargeable battery can save Environmental and save your money. For example, one AA size NiMH battery can be used at least 500 times and equal to 500pcsAA alkaline battery, it cost you less than $0.002 for each time.

 Performance Comparison of various Rechargeable Batteries

Parameters

Lead acid

Ni-Cd

Ni-M-H

Liquid

Li-Ion

Polymer

Li-ion

Voltage (V)

2

1.2

1.2

3.6

3.6

Weight energy density (Wh/Kg)

35

50

80

125

170

Volume energy Density (Wh/l)

80

150

200

320

400

Cycle life (times)

300

500

500

800

1000

Self discharge
(%/ month)

0

25-30

30-35

6-9

2-5

Electrolyte state

Liquid

Liquid

Liquid

Liquid

Polymer Gel

Min. thickness

> 10 mm

>3mm

>3mm

>3mm

<1mm

Memory effect

no

yes

no

No

No

Pollution

yes

yes

No

No

No

Production cost

lowest

Low

middle

High

Middle

Advantages

High drain current and low cost

Middle drain current and low cost, smaller volume

Middle drain current and cost, higher capacity

higher capacity and lighter weight

Highest capacity, lighter weight and flexible shape

Disadvantages

Too heavy

Environmental not friendly

Higher self-discharge and weight

Low drain current and higher cost

Low drain current and very high cost

Applications

Car and lighting

Power tool, cordless phone and emergency lighting etc.

Toy, PDA,, MP3 and digital camera etc

Cellular phone and laptop computer

Laptop computers

 ♣ 배터리 용량 산출 법

가. 용량에 관한 수식

1) BATTERY용량 = (용량환산계수 x 인버터용량[VA] x 역율) / (Battery종지전압 x 보수율 x 효율)

역율 : 0.8,  보수율 : 0.8,  BATTERY 종지전압 : 1.75V (Cell당 2V 기준에서)

용량환산계수 :  1.3~1.42(VGS 30분 BACK UP) / 0.96 (UXL 30분 BACK UP)

2) 용량환산계수 = (BATTERY용량) / (방전시간당용량(실험치에 근거))

  3) BATTERY CELL수 = (정격출력전압 x 0.9) / (CELL당 종지전압)

  4) 방전전류에 따른 용량계산식

      C = 1 / L x [K1I1 + K2(I2-I1) + K3(I3-I2) + ‥‥‥ + Kn(In-In-1)]

        C : 25。C에 있어서의 정격방전율 환산용량,   L : 보수율(0.8),   I : 방전전류(A),

       K : 방전시간, 최저온도 및 최저전압에 따라 결정되는 용량환산시간(시) – (표준 특성표 참조)