[MIT자료] RC 비행기에 사용되는 배터리의 모든것

 

 

 안녕하세요. 정진센터입니다. 이번글은 배터리에 대한 생각과 자료를 정리하여 공유하려고 합니다.

 

 우리가 전기 항공기를 설계할 때 좋은 배터리를 선정하는 것은 비행시간과 성능에 많은 영향을 끼칩니다. 좋은 배터리를 선정하는데 가장 근본적인 것은 배터리에 대해서 정확히 이해하는 것입니다.

 

 배터리를 정확히 이해한다는 것은 사실 쉬운 일은 아닙니다. 많은 계수들과 실험 결과 그리고 많은 이론이 기반에 있기 때문입니다. 하지만 가장 기본적으로 알아야 할 사항과 제가 알고 있는 내용으로 이글을 작성하려고 합니다. 부족한 지식과 정보이지만 참조해주시면 감사하겠습니다.

 

먼저 이글은 "A Guide to Understanding Battery Specifications, MIT Electric Vehicle Team, December 2008" 원문을 기초로 작성됨을 말씀드립니다. MIT 자료임으로 모두 신뢰해 주시면 감사하겠습니다. 

 

배터리 스팩표
No.	명칭	단위	비고
2.1	셀(Cell)	S
2.1	팩(Pack)	P
2.3	C 계수	C
2.3	E 계수	E
3.1	SOC	%
3.2	DOD	%
3.3	종극전압	V
3.4	개방 회로 전압	V
3.5	내부 저항	Ω
4.1	공칭 전압	V
4.2	차단 전압	V
4.3	공칭 용량	Ah
4.4	공칭 에너지	Wh
4.5	사이클 수명	무차원
4.6	비 에너지	Wh/kg
4.7	비 전력	W/kg
4.8	에너지 밀도	Wh/L
4.9	전력 밀도	W/L
4.10	최대 연속 방전 전류	A
4.11	최대 30초 방전 전류	A
4.12	충전 전압	V
4.13	플로트 전압	V
4.14	충전 전류	A
4.15	최대 내부 저항	Ω

 

위 Table에 하위에 설명할 배터리 스팩 용어 정리하였습니다.

번호 확인하셔서 참조해주시면 감사하겠습니다.

 

 

1. 배터리, 들어가면서

다들 아시겠지만, 배터리는 화학에너지를 전기에너지로 전환시켜주는 장치입니다.  이 글에서는 배터리의 비교 분석에 사용되는 전문 용어를 명시함으로서 하이브리드(수소 연료 전지, 등), 전기 비행체에 대한 이해를 돕고자 합니다. 이러한 기반을 통하여 배터리 제조사의 사양을 확인하고 배터리의 성능을 평가하여 좋은 배터리를 선정하는데 도움이 되고자 합니다.

 

2. 배터리 기본지식

2.1 셀, 모듈, 팩 (Cell, modules, and packs) -  

 하이브리드, 전기 동력 기체는 매우 높은 전압의 배터리 팩(Pack)을 사용합니다. 그리고 그 팩(Pack)은 평행을 이루는 개별 모듈과 셀로 이루어져있습니다. 셀(Cell)은 배터리를 구성하는 가장 작은 단위며 일반적으로 1~6V를 가지고 있습니다. 모듈(Module)은 셀로 이루어져있으며 각각 평행하게 연결되어 있습니다. 정리하자면 배터리 팩 즉, 배터리는 각각 평행을 이루는 모튤로 이루어져있다고 할 수 있습니다.

2.2 배터리 분류 (Battery Classifications) -

 모든 배터리가 동일하게 생산되는 것은 아닙니다. 심지어 같은 화학방식이라도 말입니다. 배터리 개발에 주된 균형은 전력(Watt)과 에너지(J)입니다. 배터리는 매우 높은 전력과 에너지를 둘다 가질 수도 있고 없을 수도 있습니다. 종종 제조사들은 이런 범주를 사용해 배터리를 분류합니다. 다른 흔한 분류는 높은 안정성입니다. 바로 높은 전력과 에너지를 소비할때 더 높은 배터리 수명을 제공하는 것입니다.

2.3 C 계수, E 계수 (C, E -rates) - 

 배터리에서 방전 전류는 종종 배터리 용량을 정규화하기위해  C-계수로 표현됩니다. 그리고 C-계수는 배터리 종류별로 매우 다릅니다. C-계수는 배터리 최대 용량의 방전속도 측정치입니다. 1C-계수는 한시간동안 전체 배터리가 방전할 수있는 최대 방전 전류를 의미합니다. 1C인 100Ah 용량의 배터리는 100A의 방전 전류로 1시간동안 방전하는 것과 동일합니다. 같은 용량의 5C 배터리는 500A를 한시간동안 방전할 수 있습니다. 그리고 0.5C는 50A를 방전할 수 있습니다. 이와 유사하게 E-계수는 방전 전력을 의미합니다. 1E는 1시간동안 전체 배터리를 그 전력으로 방전 할 수 있습니다. 예를 들어 100Wh인 배터리는 1시간에 100W를 방전할 수 있습니다. E계수는 C계수를 알면 구할 수 있기때문에 주로 C계수를 사용합니다.

2.4 이차, 일차 셀 (Secondary and Parimary Cells)

 그렇게 들리지 않을 수도 있지만, 하이브리드 배터리, plug in, 전기 장치들은 모두 2차 배터리입니다. 기본 배터리(Primary battery)는 충전 할 수 없는 배터리입니다. 2차 배터리는 충전 할 수 있는 배터리 입니다.  

3. 배터리 상태

 이번 섹션은 현재 상태의 배터리를 설명하는 몇몇 변수에 대해 설명합니다.

3.1 충전 상태 ( State of Charge (SOC)(%) ) - 

 최대 용량의 퍼센트로서 현재 배터리 용량의 표현입니다. SOC는 시간에 대해 배터리 용량의 차이를 결정하기 위해서 전류 적분을 이용해서 계산됩니다.

3.2 방전 깊이 ( Depth of Discharge (DOD)(%) ) - 

최대 용량의 퍼센트로 표현되는 배터리 용량의 방전된 퍼센트입니다. 적어도 80%의 DOD의 방전은 방전깊이로 언급됩니다.

3.3 종극 전압 ( Terminal Voltage (V) ) - 

 부하가 적용된 배터리 종극 사이의 저압. 종극전압은 SOC와 방충전 전류에 따라 변합니다.

3.4 개방 - 회로 전압 ( Open-circuit voltage (V) ) - 

 부하가 적용되지않은 배터리 종극 사이의 전압. 개방 회로 전압은 SOC와 방충전 전류에 따라 변합니다.

3.5 내부 저항 (Internal Resistance) - 

일반적으로 충전, 방전때 다른  배터리 안의 저항 또한 SOC에 의존한다. 내부 저항이 증가하면 배터리 효율은 감소하고 종극 안정성은 충전시 전환된 열로 더 감소합니다.

4. 배터리 기술 사양

 

4.1 공칭 전압 ( Nominal Voltage (V) ) -

 배터리에 대해 제조사로 부터 보고된 혹은 기준 전압, 때때로 보통 or 정상 전압으로 간주됩니다.

4.2 차단 전압 (Cut-off Voltage) -

 허용되는 최소 전압입니다. 일반적으로 배터리의 방전 or 텅빈 상태를 정의하는 전압입니다. 

4.3 용량 또는 공칭용량 (구체적인 C 계수에 대한) Ah ( Capacity or Nominal Capacity (Ah for a specific C-rate) )

 배터리가 100% 충전 상태에서 차단 전압까지 특정 방전 전류(C-rate로 지정됨)로 방전될 때 사용할 수 있는 총 암페어시인 coulometric 용량입니다. 용량은 방전 전류에 방전 시간을 곱하여 계산되며 C-rate가 증가함에 따라 감소합니다.

4.4 에너지 또는 공칭 에너지 (구체적인 C계수에 대한) Wh ( Energy or Nominal Energy (Wh(for a specific C-rate)) )

 배터리의 "에너지 용량"으로, 배터리가 100% 충전 상ㅌ태에서 차단 전압까지 특정 방전 전류(C-rate로 지정됨)로 방전될 때 사용할 수 있는 총 와트시(W)를 의미합니다. 에너지는 방전 전력에 방전 시간을 곱하여 계산합니다. 용량과 마찬가지로 에너지도 C-rate가 증가함에 따라 감소합니다.

4.5 사이클 수명(구체적인 방전 깊이의 수) ( Cycle Life(number for a specific DOD) ) - 

 배터리가 특정 성능 기준을 충족하지 못하기 전까지 배터리가 사용될 수 있는 방전-충전 횟수 입니다. 사이클 수명은 특정 충전 및 방전 조건에 대해 추정됩니다. 배터리의 실제 작동 수명은 사이클의 속도와 깊이, 온도 및 습도와 같은 기타 조건에 의해 영향을 받습니다. DOD가 높을수록 사이클 수명이 짧아집니다. ---> 차단전압 이하로 내려가도록 배터리를 사용하면 수명 단축이 된다는 이야기인 듯 합니다.

4.6 비 에너지 (Wh/kg) ( Specific Energy (Wh/kg) ) - 

 단위 질량당 공칭 배터리 에너지로, 중력 에너지 밀도라고 합니다. 비에너지는 배터리 화학 및 패키징의 특성입니다. 기체의 에너지 소비량과 함께 주어진 전기 운항 거리를 달성하는 데 필요한 배터리 무게를 결정합니다.

4.7 비 전력 (W/kg) ( Specific Power (W/kg) ) -

 단위 질량당 사용 가능한 최대 전력입니다. 비전력은 배터리 화학 및 패키징의 특성입니다. 특정 성능 목표를 달성하는 데 필요한 배터리 무게를 결정합니다.

4.8 에너지 밀도 (Wh/L) ( Energy Density (Wh/L) ) - 

 단위 부피당 공칭 배터리 에너지로, 체적 에너지 밀도라고도 합니다. 비에너지는 배터리 화학 및 패키징의 특성입니다. 기체의 에너지 소비량과 함께 주어진 전기 운항 거리를 달성하는 데 필요한 배터리 크기를 결정합니다. 

4.9 전력 밀도 (W/L) ( Power Density (W/L) ) -

 단위 부피당 공칭 배터리 에너지로, 체적 에너지 밀도라고도 합니다. 전력 밀도는 배터리 화학 및 패키징의 특성입니다. 특정 성능 목표를 달성하는 데 필요한 배터리 크기를 결정합니다.

4.10 최대 연속 방전 전류 ( Maximum Continuous Discharge Current ) - 

 배터리를 연속으로 방전할 수 있는 최대 전류입니다. 이 제한은 일반적으로 배터리를 손상시키거나 용량을 감소시킬 수 있는 과도한 방전 속도를 방지하기 위해 배터리 제조업체에서 정의합니다. 모터의 최대 연속 출력과 함께 기체의 지속 가능한 최고 속도 및 가속을 정의합니다.

4.11 최대 30초 방전 펄스 전류 ( Maximum 30-sec Discharge Pulse Current ) -

 최대 30초의 펄스 동안 배터리를 방전시킬 수 있는 최대 전류입니다. 이 제한은 일반적으로 배터리를 손상시키거나 용량을 감소시킬 수 있는 과도한 방전 속도를 방지하기 위해 배터리 제조업체에서 정의합니다. 전기 모터의 최대 출력과 함께 기체의 가속 성능(0~60mph 시간)을 정의합니다.

4.12 충전 전압 (Charge Voltage) -

 배터리가 최대 용량으로 충전되었을 때 충전되는 전압입니다. 충전 방식은 일반적으로 배터리 전압이 충전 전압에 도달할 때까지 정전류 충전 후 충전 전압이 매우 작아질 때까지 충전 전류가 가늘어지도록 하는 정전압 충전으로 구성됩니다. 

4.13 플로트 전압 (Float Voltage) - 

 배터리의 자체 방전을 보상하여 해당 용량을 유지하기 위해 배터리를 100% SOC로 충전한 후 유지되는 전압니다. 

 

4.14  (권장) 충전 전류 ((Recommended) Charge Current) - 

 정전압 충전으로 전환하기 전에 정전압 충전 방식에서 배터리가 처음 충전되는 이상적인 전류(SOC의 약 70%까지 충전)입니다.

4.15 (최대) 내부 저항 ((Maximum) Interal Resistance) - 

 배터리 내부의 저항으로, 일반적으로 충전과 방전에 따라 다릅니다.