보조배터리
작성일 : 2023년 07월 18일 (Tuesday)
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차량에서 보조배터리는 전장부품에 12V 전원을 공급한다. 전장부품에는 헤드램프, 와이퍼, 브레이크 보조 모터 등 12V 를 사용하는 부품들이 해당된다. 그렇다면, 차량에서는 어떤 보조배터리가 사용될까?
배터리 직렬 연결 / 병렬 연결
직렬 연결시에는 전압이 늘어나고, 병렬 연결시에는 용량이 늘어난다. 이 때, 직렬 연결시에는 전류가 같아야 하고, 병렬 연결시에는 전압이 같아야 한다. (커패시터와 원리가 동일)
예를 들어, 12V 20Ah 배터리와 12V 40Ah 배터리를 병렬로 연결하면 12V 60Ah 배터리가 된다. 배터리의 양단이 각각 12V 와 접지이기 때문에 용량에 맞게 각 배터리에서 전류가 발생하고 동시에 배터리가 소모되어 부작용이 없다. 부하입장에서는 12V 60Ah와 다름없다.
이번에는 직렬을 예로 들어보면, 2V 1000mAh와 2V 100mAh를 직렬로 연결하면 4V 100mAh가 된다. 배터리가 모두 방전되면 배터리를 통해서는 전류가 흐를 수 없기 때문에 100mAh가 소진되고 나면 2V 1000mAh가 용량이 남았더라도 전류가 흐르지 않는다.
납산 배터리 (Lead Acid Battery)
납산배터리는 납축전지(Lead Storage Battery)로도 불린다. 납 축전지는 대표적인 2차전지 중 하나이다. 납 축전지는 양극 재료로 $PbO_2$를 사용하고, 음극재료로 Pb를 사용한다. 그리고, 전해질은 $H_2SO_4$를 사용한다.
형태로 구분하자면 납산배터리는 유동형과 밀폐형이 존재한다. 일반적으로 유동형이 많이 사용된다. 유동형(Flooded Type) 납산 배터리는 말그대로 유동형이기 때문에 주기적으로 물이 보충되어야 한다는 단점이 있고, 충전 조건이 좋지 못하면 수소가스가 발생하여 환기를 시켜줘야 한다는 단점이 존재한다. 밀폐형(Sealed Type) 납산 배터리는 유동형과 다르게 유지보수가 불필요하다. 하지만, 유지보수가 불필요한 것이 아니고 사실 불가능한 것이기 때문에 유동형과 다르게 최선의 상태를 유지하기가 어렵다. (즉, 수명이 짧다.) 하지만, 수소가스가 발생하더라도 음극에서 이를 흡수하기 때문에 사용하기 간편하다.
2차전지
전기에너지를 화학에너지로 전환하여 저장하는 전지로 전기에너지를 화학에너지로 전환하는 방식으로 충전하였다가, 화학에너지를 전기에너지로 전환하여 방전하는 방식이다. 재충전이 가능하여 여러 번 사용 가능하다.
특징
납산 배터리는 기전력이 보통 2.2V 정도이다. 충전상태에 따라서 1.9~2.1V를 왔다갔다 하는 수준이다. 차량에서 주로 사용하는 12V 납산배터리는 이러한 2V 짜리 납산배터리를 직렬로 6개 연결하여 약 12V를 달성한 구조이다. 용량을 달성하기 위해서 병렬로 얼마나 연결해야 하는지 알 수 있다. 최대 충전전압은 보통 2.3V이다.
이와 비교해서 리튬배터리는 셀당 전압이 3.7V이고, 최대 충전전압은 4.2V이다. 리튬은 과충전되면 납산과 다르게 성능이 열화되는 걸로 끝나지 않고 화재가 날 수 있다는 차이점이 존재한다.
온도-내부저항 그래프
납축전지는 2차 전지이기 때문에 화학반응으로 전기를 충방전시키는데 온도가 올라가면 그 열에너지의 일부가 운동 에너지($mv^2$)로 전환되는데, 이렇게 되면 운동 에너지가 활성화 에너지($E_a$)를 넘는 분자가 점점 많아지기 때문에 화학반응이 일어나기 쉬워진다. 따라서, 온도가 증가하면 내부저항이 작아지고 온도가 감소하면 내부저항이 증가한다.
성능 지표
납산 배터리의 성능을 평가하는데 있어 중요한 성능 지표를 나열했다.
배터리 전압
최대로 충전된 차량용 12V 납산배터리는 보통 12.6V이다.
CCA (Cold Cranking Amperes)
차량용 배터리 규격 중 대표적인 스펙이다. 섭씨 -18도(화씨 0도)에서 최소 7.2V 이상을 유지한 채로 30초 동안 방전가능한 전류량을 말한다. CCA가 높을수록 자동차의 시동 능력에는 긍정적인 영향을 미친다.
방전종지전압
배터리가 어느 정도 방전되면 그 이후의 전압강하가 매우 급격해지는데, 이 때 배터리에 악영향을 미치므로 이 전압에 도달하지 않도록 관리하는 것이 좋다. (자동차용 축전지 : 1.75V) 자동차에는 보통 12V가 들어가므로 12V 배터리의 방전종지전압은 통상 10.5V이다.
CCA 시험방법
SAE J537 규정에 따라서 배터리 완전 충전후, 24시간 동안 섭씨 -18도에서 냉각시킨 후, 온도를 유지한 채로 지정된 CCA 만큼 전류 방전.
RC
차량용 배터리에서는 RC속성도 매우 중요하다.
반응식
반응식은 아래와 같다. 충전시에는 양극은 양전하를 충전받아 황산납을 과산화납, 황산, 산소로 분리하여 원래대로 과산화납으로 돌아오고, 음극은 황산납에 음전하를 공급받아 납과 황산납, 산소로 분리한다.
방전시에는 역순으로 이루어지며 방전이 발생한다.
충방전 때 항상 산소가 발생해서, 이 산소 중 대부분이 대기중으로 방출되므로 전해질의 양이 줄어드는 것이다.
- 양극 반응식 : $PbS{O}_4(s) + 2e^+ + 2H_2O(l) → PbO_2(s) + H_2SO_4(l) + H_2O(l) + O_2(g)$
- 음극 반응식 : $2PbSO_4(s) + 4e^- + 4H_2O(l) → 2Pb(s) + 2H_2SO_4(l) + O_2(g)$
- 양극 반응식 : $2PbO_2(s) + 2H_2SO_4 + 4e^- → 2PbSO_4(s) + 2H_2O(l) + O2(g)$
- 음극 반응식 : $Pb(s) + H_2SO_4(l) + 2e^+ → PbSO_4(s) + H_2(g)$
$PbO_2$는 과산화납, $PbSO_4$는 황산납이라고 한다.
Pb는 원자가전자가 4개, O는 6개, H는 1개, S는 6개이다. 위 반응식에서 $e^+$, $e^-$는 각각 양전하, 음전하를 의미한다. 양전하는 실제로는 존재하지는 않지만 편의상 전자를 받는다는 의미로 사용하였다.
온도가 올라서 물이산의 농도가 높아지고 산화의 속도가 가속되기 때문에 배터리 수명이 조기에 종료될 수 있다. (황산의 끓는 점은 물보다 훨씬 높은 337도로 물이 먼저 증발하게 된다.) 이를 방지하기 위해 전해액이 부족하면 증류수를 보충해 주어야 한다. 하지만, 보조배터리를 방전 상태로 장기간 방치하면 황화 현상이 발생하여 극판 표면에 부도성 황산납 결정이 만들어져서 더 이상 사용할 수 없게 되어버린다.
화학반응식
s : 고체 (solid)
l : 액체 (liquid)
g : 기체 (gas)
aq : 수용액 (aqueous)
충전 메커니즘
정전류, 정전압으로 진행해도 되지만 온도가 45~60도가 넘어가지 않고, 보조배터리의 축전지 용량의 $\frac{1}{10}$ ~ $\frac{1}{20}$의 전류로 충전하는 것이 좋다. 최종 충전시간(h)은 현재 방전량(Ah)을 현재의 충전전류로 나눈값에 1.2~1.5배를 곱한 값이다. 방전량은 전해액의 비중 또는 전지 전압 기준으로 계산한다.
부동 충전 (Float Charge)
부동 충전 방식은 필요한 만큼 정전압으로 지속적으로 충전을 걸어놓는 방식이다. 납산배터리는 SOC와 전압의 경향이 동일하기 때문에 지속적으로 정전압 충전을 걸어두면 원하는 SOC를 항상 유지할 수 있어서 백업용 전원에 주로 사용된다. 자동차의 보조배터리도 백업의 성격이 강하기 때문에 부동 충전이 주로 사용된다.
보통 배터리 판매사이트에 적절한 부동 충전 전압 범위가 적혀있다. 이 부동 충전 전압은 배터리 주변의 온도에 따라서 적절히 가변해야 한다. (Ex: -3mV/℃) 온도가 높을 때 높은 전압으로 충전하면 양성 피드백 작용으로 인해 온도가 더욱 높아져서 배터리의 성능/수명이 조기에 저하될 수 있기 때문이다.
주기적 충전 (Cyclic Charge)
주기적 충전은 완전히 충전시킬때가지 충전시키고, 완전히 방전될때까지는 또 충전하지 않고 방전시켰다가 일정 레벨이 되면 또 다시 완전 충전시키는 것을 방전하는 방식이다. 완전 충전을 시키는 것이 목적이기 때문에 과충전이 일어나지 않도록 모니터링이 필요하다.
- 참고 사이트
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