리튬폴리머(LiPo,Li-poly) 배터리는 현재 완구, 휴대폰, 자전거, 자동차에 이르기까지 널리 사용되고 있다. 가볍고 부피대비 높은 출력을 낼 수 있다. 그러나 과충전이나 과방전 등, 잘못 관리하면 화재가 발생할 수 있다. 이러한 리튬폴리머 배터리에 좀 더 깊이 이해하기 위해 내용을 정리해 본다.
리튬폴리머 배터리 소개
리튬폴리머 배터리(Lithium Polymer batteries, LiPo)는 많은 전자기기에서 사용하고 있는 배터리의 새로운 기준이다. 현재는 긴 사용시간(running time)과 고출력이 필요한 곳에 널리 이용되고 있다.
리튬폴리머 배터리는 장점도 많지만 잘못 관리하면 화재 등, 인명 피해까지 발생할 수 있으므로 잘 이해하고 사용하는 것이 필요하다.
장단점
동전의 양면처럼, 리튬폴리머 배터리가 다른 배터리(NiMH-니켈수소, NiCd-니켈카드뮴)에 비해서 장점과 단점을 함께 가지고 있다.
장점
- 용량에 비해서 훨씬 가벼운 무게와 거의 모든 크기와 모양으로 만들 수 있다.
- 더 큰 용량을 제공 한다.
- 더 큰 방전율을 제공 한다.
단점
- 다른 배터리에 비해 사용횟수가 적다. (약 300~500 cycles)
- 배터리가 물리적으로 손상되어 공기와 접촉할 경우 화재가 발생할 수 있다.
- 과충전 및 과방전시에 화재가 발생할 수 있어 관리가 필요하다. 일반적인 경우 회로가 내장되어 과충전과 과방전을 방지한다.
전압과 셀수 (Voltage, Cell Count)
리튬폴리머 배터리는 여러개의 셀(cell)로 이루어져 있으며 하나의 셀의 공칭전압(nominal voltage,公稱電壓)은 3.7V 이다. 7.4V의 리튬폴리머 배터리는 2개의 셀을 직렬(series)로 연결하여 만들어 진다. 즉 흔히 말하는 ‘2S(2셀) 배터리’는 7.4V, 3셀은 11.4V가 된다.
2S = 1S(3.7V) * 2개 = 7.4V
2S = 1S(3.7V) * 3개 = 11.4V
리튬폴리머 배터리의 셀의 표기법중 ‘2S2P’로 표시된 것이 있다. 여기서 P는 팩(Pack)을 나타내고 병렬(parallel)연결을 의미합니다. 즉 직렬 연결되어 있는 2개의 셀이 하나의 팩을 이루게 되고 이 팩 2개가 병렬로 연결되어 있다는 것을 의미한다. 즉 ‘2S2P배터리는’ 7.4V가 된다. 팩은 병렬로 연결되어 있고 병렬 연결은 전압이 변하지 않으므로(물통을 나란히 놨으니 수압이 변화가 없음) 셀수만 감안하면 된다.
2S2P = 1S(3.7V) * 2개 = 7.4V
전압은 간단하게 생각하면 얼마나 빨리가느냐를 결정하는 것이다. 수도꼭지에서 물이 나오는데 수압이 높으면 물이 빠르게 분출하는 것과 같다. 전동모터의 예를들면, 전동모터의 kV는 1V당 rpm(분당회전속도)를 나타낸다. 3500kV의 모터의 경우 1V 입력에 분당 3,500회를 회전하는 것을 의미한다. 이 모터에 2S 배터리를 연결한다고 가정하면 아래 계산에 의해 분당 25,900회전을 하게 된다.
2S = 3.7V * 2 = 7.4V
25900rpm = 3500kV * 7.4V
즉, 높은 전압은 회전수를 증가시키게 됨을 알 수 있다.
용량 (capacity)
용량은 기본적으로 배터리가 얼마나 많은 전력을 가지고 있는지 측정하기 위한 것이다. 간단히 생각하면 물통(연료통)이라고 생각할 수 있다. 측정단위는 mAh로 1시간에 배출(방전)되는 전력량을 의미한다.
1000mAh = 1A
앞서 말했듯이 용량은 연료탱크에 비유된다. 이는 일반적으로 더 긴 런타임(runtime)을 보장하므로 용량이 큰 배터리는 적은 배터리보다 더 활용도가 높다. 하지만 용량이 큰 만큼 채우기 위한 시간(충전시간)또한 길어지며 더 큰 출력(W)의 충전기와 전원이 필요하게 된다. 또한 용량이 커지는 만큼 무게와 크기가 증가하므로 사용 용도에 적합하도록 배터리 용량이 산정된다.
또한 용량이 무조건 큰 것이 항상 유리할 수는 없는데, 기기는 작동시 열이 발생하게 되고 이를 식히는 시간이 필요하다. 만약 너무 오래 기기를 동작 시킨다면 이는 기기의 손상으로 이어질 수 있다. 따라서 배터리 용량과 사용시간에 맞게 기기의 출력이 결정되고, 냉각도 고려되게 된다.
방전률 (Discharge Rating, “C” Rating)
앞서 전압 및 용량은 속도와 런타임(runtime)에 연관되며 이해하기가 다소 쉬웠다. 이제 설명할 방전률은 이보다 약간 이해하기 까다로울 수 있다.
방전률을 쉽게 설명하면 배터리가 손상되지 않고 안전한 상태에서 배터리가 방전되는(에너지를 배출하는) 척도이다. 아래의 계산식으로 최대 연속 출력(A)을 알아낼 수 있다
방전률(C) x 용량(A) = 최대 연속 출력(A)
20C x 5A = 100A
여기서의 결과값은 지속적으로 출력할 수 있는 최대 지속부하 이다. 따라서 이 배터리는 최대 100A의 연속 부하를 처리 할 수 있다. 대부분의 배터리는 연속등급(Continuous Rating)와 순간등급(Burst rating)의 두 가지 방전률로 나뉜다. 순간등급은 약 10초동안 배터리를 손상시키지 않는 상태에서의 최대 출력 입니다. 전기자동차가 급출발 하는것에 비유될 수 있다. 연속등급은 지속적인 출력으로 전기자동차가 고속도로를 주행하는 것에 비유될 수 있다. 배터리는 일반적으로 순간등급으로 방전률이 표시됨을 유의하도록 하자.
내부저항 (Internal Resistance, IR)
앞서 설명한 여러 평가지수외에 또 하나 중요한 것은 바로 내부저항(Internal Resistance, IR)이다. 내부저항은 시간이 지날수록, 열에 의해서 점점 증가하게 된다.
내부저항을 쉽게 이해하는 방법은 배터리의 에너지가 모터로 전달된다고할때, 그 사이에 내부저항이 존재한다면 에너지가 이 내부저항을 통과하면서 일부 열로 변환되게 된다. 즉 에너지가 목적지(모터)에 도달하기 전에 열로 손실이 생기게 된다. 따라서 내부저항은 배터리의 효율의 척도라고 할 수 있는데, 내부저항은 밀리옴(mΩ)으로 측정하게 된다.
1,000 밀리옴(mΩ, milliohms) = 1 옴(Ohm, Ω)
배터리의 내부저항을 측정하는 것은 특별한 계측공구가 필요한데, 충전기나 와트미터등에 내부저항을 측정하는 기능이 내장되어 있다. 각각의 셀의 저항을 측정하였다고 가정하면 3셀 배터리의 경우 전체 내부저항값은 다음과 같다.
2 mΩ + 3 mΩ + 5 mΩ = 10 mΩ
먼저 옴의 법칙을 이해해야 하는데, 학교에서 배운 것을 기억해 내면 다음과 같다.
A(I) = V / R
1A x 0.01 Ω = 0.01V
1A의 부하를 적용할때 0.01Ω 의 내부저항에 의해서 0.01V의 전압강하가 생기게 될 것이다. 그렇다면 3셀 리튬폴리머 배터리(12.6V)일때 10A의 부하를 증가시킨다면
10A x 0.01 Ω = 0.1V
위와 같이 1A에서 10A로 부하가 10배 증가된만큼 내부저항에 의한 전압강하 또한 10배로 증가한 것을 알 수 있다. 그렇다면 배터리의 연속방전 20C라면
20C x 5A = 100A
100A x 0.01 Ω = 1V
배터리의 총 전압에서 1V의 전압강하가 있게 된다. 생각보다 꽤 많은 양이다. 그런데 이 1V 전압강하의 실제적 의미는 무엇일까?
3셀배터리가 완충 되었을 때 약 12.6V입니다. 만약 3,500rpm의 모터를 사용하였을 때 정상적이라면
12.6V x 3500rpm = 44,100rpm
하지만 위와 같이 1V의 전압 강하가 있다면
11.6V x 3,500rpm = 40,600rpm
1V 전압강하에 의한 차이 3,500rpm
이렇듯 수치상으로 무려 3,500rpm의 저하가 나타나게 된다. 이것은 계산상의 수치이긴 하지만 이렇게 내부저항에 의한 성능감소는 확연하게 나타나게 된다.
그러면 내부저항에 대한 배터리 관리는 어떻게 해야 할까? 0~6mΩ은 좋은상태 7~12mΩ은 적정, 12~20mΩ 또는 그 이상은 배터리의 폐기를 고려해야 한다. 단 이것은 수치상의 판단기준일 뿐입니다. 급격한 전압강하나 런타임 감소, 외형 손상 등 여러 상황을 종합적으로 고려해야 할 것이다.
추가로 높은 방전률은 방전률로 인해 높은 성능을 제공할 수 있고, 추가로 낮은 내부저항을 가지게 하여 부가적인 성능증가 요인을 가진다. 다만 이것은 항상 그런것은 아니고 일반적인 상황이니 참고 바란다.
