미국산 LiFePO4 자동차 시동용 배터리 시험 – 분석기

자동차 시동용 배터리란?
자동차에 탑재되는 12V 납산 배터리를 보통 “시동용 배터리” 또는 auto starter SLA(Seald leadacid) battery 라고 부릅니다.

자동차 시동용 12V SLA 배터리의 요구되는 성능과 기능은 다음과 같습니다.
요구사항: 엔진 시동을 걸때 초기 전력 공급
=> 요구사항은 이게 다입니다. 시도을 건 이후에는 배터리 대신 엔진힘으로 돌아가는 발전기(Alternator)가 필요한 전력을 공급하기 때문입니다. 그러므로 자동차 시동용 배터리는 어떤 상황에서라도 시동만 걸 수 있다면, 제 역할을 다한 것입니다.
요구성능: 3초 이내로 200~300A 의 고전력 방전이 가능할 것
=> 엔진 시동을 걸기 위해서는 시동을 거는 2~3초의 짧은 시간 동안 200~300Amp.의 굉장히 많은 전력이 필요합니다.

이러한 요구사항을 만족시키기 위해서, 보통의 승용차에는 60~90A 급의 SLA배터리가 장착되어 있습니다.

지난번 캠핑카용 리튬인산철 배터리 테스트시 자동차용 SLA배터리를 대체할 수 있는 용도의 시동용 배터리 구입사진을 올렸었습니다.

미국 Voltphreaks 사의 제품입니다. 미국 현지 판매가격 $1200 정도.. GT스포츠카용 튜닝아이템으로 소개되고 있습니다. BMW M3 같은 차종에 가장 많이 사용되나보네요.

제조사에서 얘기하는 이 제품의 Features 는 다음과 같습니다.
. Fit for most 6-cylinder engines,(Exige, most M3s and Porsches*) => 4~6기통 개솔린 엔진과 4기통 디젤 엔진에의 사용에 적합
. Weight, much lighter than a comparable lead-acid battery. => 기존 배터리에 대비한 가장 큰 장점. 15~20kg 정도의 무게 감량이 가능.
. Can be mounted in any orientation. => SLA배터리와 달리 배터리 내부에 액체가 없으므로 배터리를 뒤집어 설치해도 됩니다.
. Can be “deep cycled”, meaning fully discharged without damage to the battery, while being protected from over-discharged (for example, to 6 volts, etc). Because over-discharge can cause damage, has LVC (see below). => SLA배터리와 달리 방전보호회로가 장착되어 있어 딥사이클 방전 사용을 해도 배터리에 대미지를 입지 않습니다.
4. Has an LVC (low voltage cutoff) to prevent overdischarge. This turns off the battery before it is over-discharged to prevent damage to the battery. It can also allow you to still start your car in case the car is parked for an extremely long period (ex: 3+ weeks, etc) => 배터리 보호회로의 내장으로 방전손상에 보호되며, 3주 이상 시동을 안걸어 자연방전되더라도 다시 시동을 걸 수 있습니다.
5. Has full fault protection circuitry to protect your battery, preventing damage from overcharge and other faults. => 배터리에 손상을 줄 수 있는 여러가지 경우에 대비한 보호회로가 내장되어 있습니다.
6. Maintains higher voltage and charges more efficiently, less load on the alternator and more efficienct than a lead-acid. => 보다 빨리 충전되고 보다 높은 전압의 전력을 제공하며, 충전시에도 보다 적은 전력을 소모하는 등 SLA배터리에 비해 매우 효율적입니다.
7. Circuitry allows charging/discharging at high rates, compatible with car alternators (we are aware of only one possible incompatibility). => 매우 높은 충/방전 rate를 가지고 있어 차량엔진 시동이 가능합니다. (아직까지는, 포르쉐 GT2 만 호환성에 문제가 있습니다)
8. Remote on/off capable with optional harness, allowing battery to be turned off and turned on remotely (can be used in lieu of a battery disconnect switch if allowed). => 옵션 하네스로 배터리를 스위치로 켜거나 끌 수 있습니다.
9. True physical disconnect of battery via relay switch when battery is off. This allows battery to be used in parallel, multi-battery applications, and allows use of the remote pushbutton harness in lieu of an emergency disconnect. => 배터리 스위치를 Off 하는 것은 물리적으로 완전히 회로와 차단시키는 것입니다.
10. Circuitry designed in-house, and tested, proven, and continuously improved for over 4 years (many competitors outsource the circuit, or even leave out the management circuitry completely). => 4년 이상의 연구와 인하우스 회로개발 능력을 갖추고 있습니다.
11. Designed and manufactured in the USA. This gives complete control over design and manufacturing. => 개발, 생산 모두 미국 제조제품입니다.

LiFePO4 배터리를 자동차 메인 배터리로 적용시키기 위한 시제품은 이미 3~4개 가지고 있는데 이 제품을 추가로 구입한 이유는, 다름아닌 “보호회로” 때문이었습니다.

통상 리튬전지류는 납산배터리와 달리 고가여서 방전되었을 경우 손해가 클 수 있고, 리튬코발트전지의 경우엔 방전시 화재위험성도 있기 때문에 BMS라고 하는 과방전과 과충전을 막아주는 보호회로가 장착되어 있습니다. 그런데, 자동차 시동 용도의 배터리를 위한 BMS는 통상 100~500A 정도의 매우 큰 전류를 다룰 수 있는 회로여야 하기 때문에 시장에는 100A 이상의 BMS회로가 없습니다.

그래서 제가 제작하거나 입수한 자동차용 LiFePO4 배터리도 모두 BMS가 없는 제품들로서 과방전시(8V 미만) 배터리가 손상될 수 있습니다.

그런데, 이 Voltphreaks 사의 배터리는 최대 700A의 고방전이 가능하면서도 배터리 보호회로가 장착되어 있다고 강조하고 있습니다.

배터리 스팩: 공칭용량 25Ah, CA(Cranking Amp) 700A, CCA(Cold Cranking Amp)310A 사양.(홈페이지엔 23Ah로 표기) 이정도의 사양은 일반 SLA배터리로 80~90A 급, 자동차용 고성능 납산배터리인 옵티마 배터리로 60A 급의 배터리와 비슷한 스팩인데, 무게는 5.25lbs 로서 1/8 정도밖에 되지 않습니다. 대단한 스팩이죠. 게다가 단돈? 150만원으로 차량 엔진룸의 무게를 15kg 정도 절감시킬 수가 있겠군용.. 15kg 무게 절감을 위한 비용치고는 저렴한 편이네요.. 이정도 무게를 절감하려면, 본넷 후드를 카본으로 교체하는 정도? 이러러면 몇백만원 들어가겠죠?

그런데, *주석이 달려있네요. 위 스팩은 납산배터리 용량으로 환산한 스팩이라는 설명이군용.

이런 설명이 필요햇던 이유는 뒤에 밝혀집니다.

자, 이제 도대체 BMS를 어떻게 만들었을까? 하는 궁금증을 풀기 위해 배터리의 개복수술을 통해 속을 까봅니다.

어라?
아… 역시… 세상에 요술은 없군요… 내가 못하는거면, 남도 못하는 것이고요…

그래도 개복수술을 통해 3가지를 알게 되었습니다.
1. 이 미국산 제품에 사용된 배터리셀은 A123 시스템의 2.3A용량 LiFePO4 셀 20개가 사용되었네요. 배터리셀을 포함한 총 생산원가는 40만원을 넘지 못하겠네요. 그리고, 사용된 셀의 스팩으로 볼 때 이 배터리는 최대 345A 까지 방전시킬 수 있고, 순간적(5초미만)으로는 575A까지 방전시킬 수 있습니다. 그런데 스팩상엔 700A 라고 표시되어 있군용.. 조금 허풍이 들어간 듯.
2. 보호회로: 보호회로가 있긴 있으나, 생각보다 허접하군요. 100A급으로 보여지는 산업용 릴레이를 개조하고 잘라내고 테이핑하여 배터리 케이싱에 넣었네용. 이 보호회로가 300A 이상의 전류를 감당할 수 있을까? 좀 더 테스트해 보아야 할 것 같습니다.
3. 총 용량에 대한 트릭.. => 본 제품의 스팩에는 배터리용량이 23A 라고 되어 있습니다. 그런데, 어? 제품을 까서 사용된 배터리셀의 용량을 계산해 보니, 11.5A 밖에 안되네요.. 딱 50%.. 미국회사가 사기를 첬을까요?

아하.. 그래서 스팩아래에 주석으로 “lead-acid equivalent rating”라고 했던 것이군요..
애초에 납산배터리와 리튬인산철 배터리의 공칭용량은 측정방법이 달라 직접 비교가 어렵습니다. 그래서, 이 회사는 리튬인산철 배터리를 납산배터리의 테스팅방법(BCI 테스팅)으로 임의 테스트를 하여 “납산배터리 환산 용량”으로 용량을 표시했네요.

가령, 12V 납산배터리는 완충 후 공칭용량의 50%이상(12.1V미만 전압강하) 방전되면 배터리의 손상이 갑니다. 하지만 12.8V 리튬인산철 배터리는 12.1V 미만까지 방전되어도 배터리의 손상이 가지 않습니다. 그런 면에서 리튬인산철 배터리는 실 사용 가능 용량이 납산배터리의 2배라고 볼 수도 있는 것이고, 그래서 “납산배터리 환산용량”표시로서 리튬인산철 실용량의 2배로 용량을 표기한 것으로 보여집니다.

이 미국 제품의 벤치마킹을 통해 다음과 같은 배움이 있었습니다.
. LiFePO4 배터리로 Continues Discharge Rate 350A 급의 사양이면, SLA 배터리의 CA로 환산시 700A 급이라고 봐도 된다.
. LiFePO4 배터리로 방전능력 300A 이상 급의 사양이면, 4000cc 미만 개솔린 6기통과 2500cc 미만 디젤 4기통 차량의 시동용 배터리로 충분하다.
. 전기회로에서의 요술은 없다. 이 비싼 미국산 제품도 보호회로를 릴레이와 콘트롤보드로 구성했다.

마지막으로, 아래는 PORSHE 911 GT2 이상급에서 옵션으로 장착할 수 잇는 포르쉐 순정 LiFePO4 시동용 배터리 입니다. 가격이 무려 2500유로로 우리돈으로 400만원 정도 하네요. 그럼에도 불구하고 이런 옵션과 가격이 있는 이유는, 이 옵션의 적용으로 경감되는 약 20kg의 무게 경량화를 다른 방법으로 달성하려고 해도 1kg 당 20만원 이상의 비용이 소요되기 때문이겠지요..

포르쉐는 배터리를 만들어도 이렇게 아름다운 모양으로 만드는군용~