리튬 배터리 충전 및 방전 이론

리튬 배터리 충전 및 방전 이론

1.1 충전 상태(SOC)

충전 상태는 배터리에서 사용 가능한 전기 에너지의 상태로 정의할 수 있으며 일반적으로 백분율로 표시됩니다. 충전 및 방전 전류, 온도, 노화 현상에 따라 사용 가능한 전기 에너지가 달라지기 때문에 충전 상태의 정의도 ASOC(절대 충전 상태)와 RSOC(상대 충전 상태)의 두 가지 유형으로 구분됩니다. 상대적 충전 상태의 범위는 일반적으로 0% -100%이며, 배터리는 완전히 충전되면 100%, 완전히 방전되면 0%입니다. 절대충전상태는 배터리 제작시 설계된 고정용량 값을 기준으로 계산된 기준값입니다. 완전히 충전된 새 배터리의 절대 충전 상태는 100%입니다. 노후된 배터리는 완전히 충전되더라도 다양한 충전 및 방전 조건에서는 100%에 도달할 수 없습니다.

다음 그림은 다양한 방전율에서 전압과 배터리 용량 간의 관계를 보여줍니다. 방전율이 높을수록 배터리 용량은 낮아집니다. 온도가 낮아지면 배터리 용량도 감소합니다.

                          그림 1. 방전율과 온도에 따른 전압과 용량의 관계

1.2 최대 충전 전압

가장 높은 충전 전압은 배터리의 화학적 구성 및 특성과 관련이 있습니다. 리튬 배터리의 충전 전압은 일반적으로 4.2V, 4.35V이며, 양극재와 음극재에 따라 전압 값이 달라질 수 있습니다.

1.3 완전 충전됨

배터리 전압과 최고 충전 전압의 차이가 100mV 미만이고 충전 전류가 C/10으로 감소하면 배터리가 완전히 충전된 것으로 간주할 수 있습니다. 배터리의 특성은 다양하며, 완전 충전을 위한 조건도 다양합니다.

다음 그림은 일반적인 리튬 배터리 충전 특성 곡선을 보여줍니다. 배터리 전압이 최고 충전 전압과 동일하고 충전 전류가 C/10으로 감소하면 배터리가 완전히 충전된 것으로 간주됩니다.

                             그림 2. 리튬 배터리 충전 특성 곡선

1.4 최소 방전 전압

최소 방전 전압은 차단 방전 전압, 일반적으로 충전 상태 0%에서의 전압으로 정의할 수 있습니다. 이 전압값은 고정된 값이 아니며, 부하, 온도, 노화정도 등에 따라 변합니다.

1.5 완전 방전

배터리 전압이 최소 방전 전압 이하인 경우 완전 방전이라고 할 수 있습니다.

1.6 충전 방전율(C-Rate)

충전 방전율은 배터리 용량 대비 충전 방전 전류를 나타냅니다. 예를 들어 1C를 사용하여 1시간 동안 방전하면 이상적으로는 배터리가 완전히 방전됩니다. 충전 및 방전 속도가 다르면 사용 가능한 용량도 달라집니다. 일반적으로 충전 방전율이 높을수록 사용 가능한 용량은 작아집니다.

1.7 사이클 수명

사이클 수는 배터리가 완전 충전과 방전을 거친 횟수로, 실제 방전 용량과 설계 용량을 통해 추정할 수 있습니다. 누적 방전 용량이 설계 용량과 같을 때마다 사이클 수는 1입니다. 일반적으로 500회 충전 및 방전 주기 후에는 완전히 충전된 배터리의 용량이 10%~20% 감소합니다.

                          그림 3. 사이클 시간과 배터리 용량의 관계

1.8 자가 방전

모든 배터리의 자체 방전은 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 자가 방전은 기본적으로 제조상의 결함이 아니라 배터리 자체의 특성입니다. 그러나 제조 과정에서 부적절한 취급으로 인해 자체 방전이 증가할 수도 있습니다. 일반적으로 배터리 온도가 10°C 올라갈 때마다 자체 방전율은 2배로 늘어납니다. 리튬 이온 배터리는 월간 자체 방전 용량이 약 1~2%인 반면, 다양한 니켈 기반 배터리는 월간 자체 방전 용량이 10~15%입니다.

                             그림 4. 온도별 리튬 배터리의 자가방전율 성능