배터리 방전 곡선을 읽는 방법

배터리 방전 곡선을 읽는 방법

배터리는 복잡한 전기화학적, 열역학적 시스템으로, 여러 요인이 성능에 영향을 미칩니다. 물론 배터리 화학이 가장 중요한 요소입니다. 그러나 특정 애플리케이션에 가장 적합한 배터리 유형을 이해하려면 충전 방전율, 작동 온도, 보관 조건 및 물리적 구조 세부 사항과 같은 요소도 고려해야 합니다. 먼저, 몇 가지 용어를 정의해야 합니다.

★ 개방전압(Voc)은 배터리에 부하가 없을 때 배터리 단자 사이의 전압입니다.

★ 단자전압(Vt)은 배터리에 부하가 가해질 때 배터리 단자 사이의 전압입니다. 일반적으로 Voc보다 낮습니다.

차단 전압(Vco)은 지정된 대로 배터리가 완전히 방전되는 전압입니다. 일반적으로 배터리 전력이 남아있지만 Vco 이하의 전압에서 작동하면 배터리가 손상될 수 있습니다.

★ 용량은 Vt가 Vco에 도달할 때까지 배터리가 완전히 충전되었을 때 제공할 수 있는 총 암페어 시간(AH)을 측정합니다.

충전 방전율(C-Rate)은 배터리가 정격 용량에 비해 충전되거나 방전되는 속도입니다. 예를 들어, 1C의 속도는 1시간 이내에 배터리를 완전히 충전하거나 방전합니다. 0.5C의 방전율에서 배터리는 2시간 이내에 완전히 방전됩니다. 더 높은 C-Rate를 사용하면 일반적으로 사용 가능한 배터리 용량이 줄어들고 배터리가 손상될 수 있습니다.

★ 배터리 충전 상태(SoC)는 남은 배터리 용량을 최대 용량 대비 백분율로 표시합니다. SoC가 0에 도달하고 Vt가 Vco에 도달하면 배터리에 여전히 배터리 전력이 남아 있을 수 있지만 배터리가 손상되거나 향후 용량에 영향을 주지 않으면서 배터리를 더 이상 방전할 수 없습니다.

★ 방전 심도(DoD)는 SoC의 보완으로, 방전된 배터리 용량의 비율을 측정합니다. DoD=100-SoC.

① 사이클 수명은 배터리의 수명이 다하기 전에 사용 가능한 사이클 수입니다.

배터리 수명 종료(EoL)는 배터리가 미리 정해진 최소 사양에 따라 작동할 수 없음을 의미합니다. EoL은 다양한 방법으로 정량화될 수 있습니다.

① 용량 감쇠는 특정 조건에서 정격 용량과 비교하여 배터리 용량이 감소한 비율을 기준으로 합니다.

② 전력 감쇠는 특정 조건에서 정격 전력과 비교하여 주어진 비율로 배터리의 최대 전력을 기준으로 합니다.

③ 에너지 처리량은 특정 작동 조건을 기준으로 배터리가 수명 동안 처리할 것으로 예상되는 총 에너지량(예: 30MWh)을 수량화합니다.

★ 배터리의 상태(SoH)는 EoL에 도달하기 전에 남은 유효 수명의 비율을 측정합니다.

편광 곡선

배터리 방전 곡선은 방전 과정에서 발생하는 배터리의 분극 효과를 기반으로 형성됩니다. C-rate, 작동 온도 등 다양한 작동 조건에서 배터리가 제공할 수 있는 에너지 양은 방전 곡선 아래 면적과 밀접한 관련이 있습니다. 방전 과정에서 배터리의 Vt는 감소합니다. Vt의 감소는 다음과 같은 몇 가지 주요 요인과 관련이 있습니다.

✔ IR 강하 - 배터리 내부 저항을 통과하는 전류로 인해 배터리 전압이 감소합니다. 이 계수는 온도가 일정하고 상대적으로 높은 방전율에서 선형적으로 증가합니다.

✔ 활성화 분극 - 전극과 전해질 사이의 접합부에서 이온이 극복해야 하는 일함수 등 전기화학 반응의 동역학과 관련된 다양한 감속 요인을 나타냅니다.

✔ 농도 분극 - 이 요소는 한 전극에서 다른 전극으로 물질 전달(확산) 중에 이온이 직면하는 저항을 고려합니다. 이 요인은 리튬 이온 배터리가 완전히 방전되면 지배적이며 곡선의 기울기가 매우 가파르게 됩니다.

배터리의 분극곡선(방전곡선)은 Vt(배터리 전위)에 대한 IR 감소, 활성화 분극, 농도 분극의 누적 효과를 보여줍니다. (이미지 : 바이오로직)

방전 곡선 고려 사항

배터리는 다양한 용도에 맞게 설계되었으며 다양한 성능 특성을 제공합니다. 예를 들어, 최소한 6가지 기본 리튬 이온 화학 시스템이 있으며 각각 고유한 기능 세트를 가지고 있습니다. 방전 곡선은 일반적으로 Y축에 Vt로 표시되고, X축에는 SoC(또는 DoD)가 표시됩니다. 배터리 성능과 C-rate, 작동 온도 등 다양한 매개변수 간의 상관 관계로 인해 각 배터리 화학 시스템에는 특정 작동 매개변수 조합을 기반으로 하는 일련의 방전 곡선이 있습니다. 예를 들어, 다음 그림은 실온 및 0.2C 방전 속도에서 두 가지 일반적인 리튬 이온 화학 시스템과 납축 배터리의 방전 성능을 비교합니다. 방전 곡선의 모양은 설계자에게 매우 중요합니다.

평평한 방전 곡선은 전체 방전 주기 동안 배터리 전압이 상대적으로 안정적으로 유지되므로 특정 애플리케이션 설계를 단순화할 수 있습니다. 반면, 기울기 곡선은 배터리 전압이 배터리의 잔류 전하량과 밀접한 관련이 있기 때문에 잔류 전하 추정을 단순화할 수 있습니다. 그러나 방전 곡선이 평평한 리튬 이온 배터리의 경우 잔류 전하를 추정하려면 배터리의 방전 전류를 측정하고 시간 경과에 따른 전류를 적분하여 잔류 전하를 추정하는 쿨롱 계산과 같은 더 복잡한 방법이 필요합니다.

또한 방전 곡선이 아래쪽으로 기울어지는 배터리는 전체 방전 주기 동안 전력 감소를 경험합니다. 방전 주기가 끝날 때 고전력 애플리케이션을 지원하려면 '초과 크기' 배터리가 필요할 수 있습니다. 일반적으로 방전 곡선이 가파른 배터리를 사용하는 민감한 장치 및 시스템에 전력을 공급하려면 부스트 전압 조정기를 사용해야 합니다.

다음은 리튬이온 배터리의 방전 곡선으로, 배터리가 매우 높은 비율로(또는 그 반대로 낮은 비율로) 방전되면 유효 용량이 감소(또는 증가)함을 보여줍니다. 이를 용량 이동이라고 하며 이 효과는 대부분의 배터리 화학 시스템에서 일반적입니다.

리튬이온 배터리의 전압과 용량은 C 비율이 증가함에 따라 감소합니다. (이미지 : 리치텍)

작동 온도는 배터리 성능에 영향을 미치는 중요한 매개변수입니다. 매우 낮은 온도에서는 수성 전해질을 사용하는 배터리가 얼어 작동 온도 범위의 하한이 제한될 수 있습니다. 리튬 이온 배터리는 저온에서 음극 리튬 증착을 경험하여 용량이 영구적으로 감소할 수 있습니다. 고온에서는 화학물질이 분해되어 배터리가 작동을 멈출 수 있습니다. 동결과 화학적 손상 사이에서 배터리 성능은 일반적으로 온도 변화에 따라 크게 달라집니다.

다음 그림은 다양한 온도가 리튬 이온 배터리 성능에 미치는 영향을 보여줍니다. 매우 낮은 온도에서는 성능이 크게 저하될 수 있습니다. 그러나 배터리 방전 곡선은 배터리 성능의 한 측면일 뿐입니다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리의 작동 온도와 실온(고온 또는 저온 여부) 간의 편차가 클수록 수명이 짧아집니다. 특정 응용 분야의 경우 다양한 배터리 화학 시스템의 적용 가능성에 영향을 미치는 모든 요소에 대한 완전한 분석은 이 기사의 배터리 방전 곡선 범위를 벗어납니다. 다양한 배터리의 성능을 분석하는 다른 방법의 예는 Lagone 플롯입니다.

배터리 전압과 용량은 온도에 따라 달라집니다. (이미지 : 리치텍)

라곤 ​​플롯

라군 다이어그램은 다양한 에너지 저장 기술의 비전력과 비에너지를 비교합니다. 예를 들어, 전기차 배터리를 고려할 때 비에너지는 주행 거리와 관련이 있고, 비전력은 가속 성능과 관련이 있습니다.

다양한 기술의 비에너지와 비위력 사이의 관계를 비교하는 라곤 다이어그램. (이미지 : 리서치 게이트)

라군 다이어그램은 질량 에너지 밀도와 전력 밀도를 기반으로 하며 볼륨 매개변수와 관련된 정보를 포함하지 않습니다. 금속학자 David V. Lagone은 다양한 배터리 화학의 성능을 비교하기 위해 이러한 차트를 개발했지만, Lagone 차트는 엔진, 가스 터빈, 연료 전지와 같은 에너지 저장 및 에너지 장치 세트를 비교하는 데에도 적합합니다.

Y축의 비에너지와 X축의 비전력 간의 비율은 장치가 정격 전력에서 작동하는 시간입니다. 장치 크기가 클수록 그에 비례하여 더 높은 전력 및 에너지 용량을 갖기 때문에 장치 크기는 이 관계에 영향을 미치지 않습니다. 라군 다이어그램에서 일정한 작동 시간을 나타내는 등시성 곡선은 직선입니다.

요약

배터리의 방전 곡선과 특정 배터리 화학과 관련된 방전 곡선군을 구성하는 다양한 매개변수를 이해하는 것이 중요합니다. 복잡한 전기화학 및 열역학 시스템으로 인해 배터리의 방전 곡선도 복잡하지만 이는 다양한 배터리 화학 및 구조 간의 성능 균형을 이해하는 방법일 뿐입니다.