자동차용 배터리와 보조배터리에 대한 상식정리..

리튬인산철(LiFe) 보조 배터리를 처음 제작하게 된 동기가 12.8V LiFe배터리가 12V 자동차 시동배터리(SLA)와 충전전압이 같았기 때문입니다.

Pb 배터리 (Sealed Lead Acid) : 셀당 2.0V x 6 = 12V , 충전전압: = 14.6V (+-0.1V)
LiFe 배터리 (LiFePO4) : 셀당 3.2V x 4 = 12.8V, 충전전압: = 14.6V (+-0.1V)

위와 같이 자동차에 장착된 12V Pb배터리와 12.8V LiFe배터리는 운좋게도?~ 충전전압이 14.6V로 동일합니다.

또한, 모든 자동차의 전장시스템의 허용 입력전압은 11~15V 정도의 허용입력전압을 가집니다. 전원이 배터리를 통해 입력될 경우(12.0V)와 알터네이터의 충전전압으로 입력될경우 (13~15V) 모두 정상 작동해야 하기 때문이죠.

결국, LiFe 셀 4개를 직렬 조합한 4S 구성의 12.8V LiFe배터리는 공칭전압이 Pb배터리보다 0.8V 차이가 남에도 불구하고, 오히려 차량 전장품에 더 적합한 전압을 공급하며, 충전전압이 동일하고, 온도변화에 따른 방전량 차이가 적으며, 자연방전량도 매우 적어 자동차의 12V 시스템의 SLA배터리를 대체하는데에 이론적으로 완벽하다고 볼 수 있겠습니다.

그런데, LiFe 보조배터리를 제조판매하는 과정에서, 많은 분들이 LiFe배터리보다도 자동차의 납산배터리에 대해 잘못알고 게신 점이 많다는 것을 알게 되었습니다.
또한, 기존의 납산배터리의 판매마진이 높아서인지, 판매자분들과 관련 주변기기 판매업체에서 비 상식적인 논리로 납산배터리의 장점을 설명하는 경우도 많이 보게 되었습니다.

Pb배터리는 어떤 특징이 있고, 어떤 문제점이 있는가?를 위주로 설명을 해 보겠습니다.

표: LiFePO4 배터리는 배터리의 모든 특성이 Lead acid(SLA)배터리보다 월등히 좋습니다. 다만, 가격이 SLA보다 비싸지만, 대신 수명이 길어 총 구입유지비용 (TCO)은 LiFePO4가 더 저렴해 질 수 있습니다.

[납산배너리에 대한 상식들]
# 전류는 물과 같이 높은데서 낮은데로 흐릅니다. 즉, 전압이 높은데서 전압이 낮은데로 흐릅니다.
배터리 전압이 12.5V이고, 알터네이터 전압이 14V 라면, 알터네이터에서 나온 전기가 배터리로 흐르고(충전), 또한 같이 연결된 라디오, 커먼레일등의 전장품에 배터리에서가 아닌 알터네이터의 전류가 공급됩니다. 시동을 꺼서 알터네이터가 작동을 안하면, 배터리가 전류를 방출하는 유일한 전원이므로 배터리의 전류가 사용됩니다.
배터리가 2개라면? 그리고 두 배터리의 전압이 다르면? 배터리A는 12.8V이고, 배터리B는 12.5V라면, 배터리A에서 배터리B로 전류가 흐르게 됩니다. 즉, 배터리A가 배터리B를 충전시키게 됩니다. 이런 상황은 A배터리가 방전되어 전압이 떨어지고, B배터리가 충전되어 전압이 올라가 두 배터리의 전압이 같아질 때까지 지속되게 됩니다.

# 모든 종류의 배터리는 고유의 방전 전압 특성을 갖습니다.
휴대폰 배터리는(Li-ion) "남은용량"이 스마트폰엔 "90% 100%" 이렇게 %로 표시됩니다만, 사실은 배터리의 남은용량을 정확히 %로 알 수 있는 방법은 없습니다. 다만, 모든 종류의 배터리는 남은용량과 전압 사이에 고유의 값이 있습니다.
예를들어, SLA배터리는 배터리 전압이 12.8V면 100%상태로 보고, 12.1V면 50% 상태로 봅니다. 이는 SLA배터리이면 메이커에 상관없이 동일한 법칙입니다. 델코던 아틀라스던 전압이 12.1V로 뜨면, 남은 용량이 50% 정도라고 보는 겁니다.
LiFe 배터리의 경우엔, 13.2V면 100%로 보며, 12.1V면 15% 정도로 남은용량을 판단합니다.
휴대폰 배터리의 경우엔 3.7V면 100%로 보고, 3.0V면 15% 미만으로 보고 15~100% 사이에 방전그래프(보통은 리니어하지 않습니다)를 그려 그 사이 용량을 %로 표시해 주는 것입니다.

표: Pb배터리의 용량%과 전압V과의 상관관계

# 배터리 제조사의 차이에 의한 성능차이는?
같은 종류의 Pb(SLA)배터리라면, 동일한 용량밀도와 무게, 동일한 총 용량(20HR rate), 동일한 전압강하 곡선을 갖습니다.
다만, 제조사의 제조 노우하우에 의해 차이가 나는 것이 있는데, 아래와 같습니다.
방전능력(1HR rate, peak discharge rate, CA, CCA): SLA배터리의 용량은 20시간동안 출력한 전류량(20HR rate)로 표기합니다. 즉, 70A SLA배터리는 20시간동안 70A를 출력할 수 있는 배터리인 겁니다. 그런데, 같은 70A용량의 배터리라도 제조사의 제조방법에 따라 순간적(10초이내)으로 최대한 출력할 수 있는 전류량은 차이가 납니다. 자동차용 배터리의 경우 자동차 시동시 이렇게 순간적으로 큰 전류가 필요한데, 이를 CA(Cranking Amps)로 표기합니다. 예를들어 70A 델코배터리의 CA가 600A로 표기되어 있으면, 이 배터리의 총 용량은 20HR rate로 70A이고, 10초 이내로 순간적으로는 600A까지 출력할 수 있음을 말합니다. 옵티마 배터리 같은 고방전 SLA배터리는 배터리 전극판을 원형으로 구성하여 접촉면적을 최대한 높여 같은 용량이어도 순간 방전량이 매우 큰 제품을 만들어 내었습니다.

사진: 옵티마 배터리. 55A의 공칭용량이면서도 CCA가 750A 나 됩니다. 짧은 시간에 더 많은 전력을 방출할 수 있으며, 충전도 더 빠르게 됩니다. 구조적으로 지금까지 출시된 SLA배터리 중 가장 좋은 성능을 제공하는 배터리입니다. But, 총용량은 보통 SLA배터리와 동일, 방전 성능은 보통의 LiFePO4에 근접(15C)

# CA와 CCA는?
CA는 Cranking Amps 이고 CCA는 Cold Cranking Amps 입니다. 풀어쓰면, CA는 배터리의 시동능력이고, CCA는 한냉시 시동능력입니다. CA는 온도 20도에서의 10초간 방전량이고, CCA는 -18도에서의 10초간 방전량 입니다.
다만, 이는 새 배터리로 측정한 이론치이며, 측정방법에 따라 크게 차이가 납니다.

델코75A 배터리의 성능표기. 배터리용량이 75A, CCA가 630A로 표기되어 있습니다. 위에 옵티마 배터리는 55A면서 CCA는 750A인데, 델코 75A배터리는 75A로 부피와 무게는 26% 크고 무거우면서도 CCA는 630입니다. 용량대비 방전량의 차이가 거의 40%정도 차이가 납니다. 즉, 옵티마 배터리는 같은 목적(자동차시동)을 달성하기 위해서 40%정도 작고 가벼운 배터리를 사용해도 된다는 의미.

또한 75A용량이면서, CCA가 630A라는 것은 순간적(10초미만)으로는 8.4C rate의 전력을 방출할 수 있는 능력이 있다고 말할 수 있습니다. 8.4C = 자기보유용량(75A)의 8.4배(630A)까지 순간적으로 방출할 수 있다는 의미.
CCA를 측정하는 방법의 차이로 BCI식 측정치로는 630A 이고, DIN 측정법으로는 340A 입니다. 아무래도 DIN 방식 CCA측정법이 보다 실제(추운 날씨에서 자동차 시동능력)능력치에 더 가깝겠지요.
같은 용량의 Pb배터리에서는 CA 수치가 높은 배터리가 일반적으로 충전속도도 더 빠릅니다.

# 모든 종류의 배터리는 과충전 또는 과방전시 손상됩니다.
자동차 배터리를 방전(12V미만 까지의 과방전)시키면, 배터리가 손상되어 교체해야 하지요.. LiFe배터리는? LiFe배터리도 똑같습니다. 다만 손상전압이 다릅니다. SLA배터리는 통상 12.1V 미만, LiFe배터리는 8.2V 미만의 전압이 되면 배터리가 손상되는 것으로 봅니다.
또한, SLA배터리나 LiFe 배터리에 15V 이상의 높은 전압으로 충전을 해도 배터리는 손상됩니다.(충전속도는 조금 빨라짐)
즉, 모든 종류의 배터리는 과방전 또는 과충전시 배터리에 영구적인 손상이 올 수 있습니다. 다만, 배터리 가격이 저렴한? SLA배터리는 과방전이나 과충전으로부터 배터리르 보호(회로를 끊음)할 수 있는 보호회로(BMS)가 통상 장착되어 있지 않으나, LiFe나 Li-ion배터리는 보통 보호회로가 장착되어 있어, 과충전 또는 과방전시 보호회로가 작동하여, 배터리가 영구적으로 손상되는 것을 1차적으로 보호합니다.

# 급속충전의 조건
배터리의 급속충전은 충전기가 급속충전 능력이 있어야 하는 것이 아니고, 배터리가 급속충전을 받아줄 수 있는 배터리 이어야 합니다. 그 다음, 충전기가 배터리가 빨아들일 수 있을 만큼의 전력을 공급해 줄 수 있어야 하는 것이고요.
배터리가 빨아들일 수 있을 만큼보다 큰 전력을 공급하면? 배터리의 능력치보다 더 많은 전력을 공급할 방법은 충전 전압을 높여주는 겁니다. 충전전압을 적정치보다 높여주면, 그만큼 빠르게 충전이 되지만, 전해액의 화학작용으로 내부에 수소가스발생이 Absorber가 감당 못할 만큼 생성되게 됩니다. 이렇게 수소가스가 생성되게 되면, 배터리케이스가 부풀어오르게 되고 배터리가 망가지며, 최악의 경우엔 배터리가 터져 강산성의 황산용액에 의한 심각한 피해를 입을 수 있습니다.

급속충전으로 SLA배터리가 부풀어오른 사진.

통상 SLA배터리는 0.1~0.25C 정도의 충전성능을 가지고 있기에, 완전방전상태에서 80%까지 10시간 ~ 4시간 정도 소요될 수 있으며, 100%완충까지는 10~24시간 소요됩니다. 이보다 더 빠르게 충전시에는 배터리의 손상 가망성이 매우 높아지게 됩니다.

# MF와 SLA 배터리. 그리고 개방형 배터리
SLA(Sealed Lead Acid) = MF(Maintenance Free) 배터리 입니다. (AGM,VRLA,GEL 배터리도 SLA 배터리 범위에 넣겠습니다)
SLA배터리는 약자대로 "밀폐형" 배터리입니다. 밀폐형이고 사용기간 동안 증류수 보충등의 유지보수작업을 할 필요가 없는 배터리라는 뜻입니다. 좋지용?? 충방전시 발생하는 가스를 음극쪽과 양극쪽으로 옮겨주어 외부로 가스가 배출되거나 보충이 필요하지 않도록 설계된 배터리입니다. 지금 차량에서 사용하는 대부분의 배터리이죠..

그럼 "개방형" 배터리도 있는가? 네, 개방형배터리를 Flooded battery라고 합니다. 개방형 배터리는 배터리 위에 증류수 보충을 위한 구멍이 있고, 여기에 주기적으로 증류수를 보충해 주어야 합니다.

사진: 세계적인 Deep Cycle 배터리 제조사인 Trojan사의 Flooded battery. 12V이므로 총 6개의 격리판에 전해액 보충을 위한 주입구가 6개 있습니다. 생김새가 지금은 자동차에서 안쓰는 옛날 축전지처럼 생겼지만, 여전히 가장 성능이 좋은 배터리입니다.

# SLA배터리가 무보수로 좋아보이는데, 왜 Flooded 배터리를 쓸까용? SLA배터리의 단점은?
얻는게 있으면 잃는게 있듯이, SLA배터리는 전해액의 증발을 막기위해 칼슘을 첨가하거나 전해액을 GEL화 시키는데, 이로 인해 충전방전 속도가 크게 느려지게 됩니다. 또한, 충방전시 온도변화에 따른 성능저하가 더 크게 생기고요, 과방전이나 과충전이 되어 내부의 전해액이 어떤식으로든 줄어들게 되었을 때 이를 보충하여 배터리를 회생시킬 수 없다는 문제가 있습니다.
결론적으로 개방형 배터리는 SLA배터리에 비해 성능이 좋고 수명이 긴 대신, 주기적인 관리(전해액보충)을 해 주어야 하는 배터리 입니다. 그래서, 대량의 배터리를 사용하므로 별도의 배터리 관리자가 있거나(골프카트 등) 보다 많은 부피 무게당 전력이 필요한 경우에는(비상전원등) 지금도 개방형 배터리가 사용되고 있습니다.

# Auto starter 배터리와 Deep cycle 배터리란?
Deep cycle배터리란 "더 많이 방전하고 충전해도 되는 배터리"를 말합니다. Deep cycle배터리는 통상 자기용량의 50% 수준까지 방전하고 충전하고를 반복해도 수명이 짧아지지 않는 배터리를 말합니다.
딥사이클 배터리의 반대는? Auto starter 배터리입니다(자동차 시동용 배터리) 오토스타터 배터리는 지금 차량에서 사용중인 대부분의 SLA배터리를 말하며, 통상 "항상 만충에 가깝게 충전되어 있다가 차량 시동시에만 잠깐 대전력을 제공하는 목적"의 배터리 입니다.
자동차용 배터리는 오토스타터 배터리이지만, 최근엔 자동차용 배터리를 엔진 시동 목적 말고, 주차시 블랙박스용 전원으로도 사용을 하면서, 단거리선수(오토스타터배터리)가 장거리선수(딥사이클배터리)의 기능을 모두 제공해 줄 수는 없기에 배터리 방전문제가 자주 생기는 것입니다.

# Deep cycle 배터리의 종류: SLA 딥사이클 배터리와 Flooded 딥사이클 배터리
대체로 시장에 딥사이클 배터리로 판매되는 배터리는 SLA배터리와 Flooded 배터리 두종류 입니다.

사진: MF형 델코 딥사이클 배터리 DC31과 개방형 딥사이클 배터리 트로얀 J150 배터리

DC31배터리는 시중 가격이 12만원 정도 하는데 반해, 같은용량의 트로얀 배터리는 20만원이 넘습니다.
실제로, DC31배터리는 딥사이클 배터리라는 제품명이 무색하게 같은 용량의 MF오토스타터 배터리와 충방전특성과 수명이 거의 똑같습니다. DC31배터리는 다른 MF배터리와 똑같이 50%이상 방전 자주시키면 수명이 급격히 줄게 되며, 급속충전이 되지도 않습니다. 이에 반해 Trojan 개방형 배터리는 50%미만까지 방전(Deep discharge)를 시켜도 배터리가 손상되지 않으며, 심방전이나 급속충전으로 인해 줄어든 전해액을(증류수) 주기적(한두달에 한번)으로 보충해 주면 수명주기 내에서 제성능을 유지할 수가 있는 것입니다.
즉, 모든 납산배터리는 사실은 제용량을 모두 써버리는 정도로 방전시키면 수명이 대폭(10배정도) 줄어들게 되는데, 개방형 배터리는 증류수 보충을 통해서 이를 다시 회복할 수가 있으나, SLA배터리는 이렇게 다시 회복될 수가 없습니다.
그래서, "무보수형 딥사이클 배터리"라고 홍보되는 납산배터리는 사실상 "딥사이클"이라는 표현을 쓰면 안된다고 생각하며, 소비자도 "MF형 Deep cycle배터리"는 존재하지 않는다는 점을 인식해야만 합니다.
그래서, 델코에선 "딥사이클 MF배터리"라고 표현하는 제품이 있지만, 아트라스BX에선 비슷한 제품에 "딥사이클"이라는 단어를 붙이지 않고, "산업용" 또는 "솔라용" 등의 단어를 붙여 Flooded Deep cycle 배터리와 구분합니다.

100A 용량의 델코 DC31배터리의 방전곡선: 100A라는 용량은 5A로 20시간 (5×20=100A) 방전시킬 수 있음을 의미합니다. 그런데, 위의 표에서 알 수 있듯이, 100A로 방전시엔 1시간이 아닌 40분밖에 출력을 못하며, 50A로 방전시엔 2시간이 아닌 1시간 30분, 25A로 방전시엔 4시간이 아닌 3시간으로 방전성능이 줄어듭니다. 반대로 20HR rate보다 더 적은 방전량으로 방전시, 예를들어 1A로 지속방전해도, 1×100=100시간보다 더 적은 70~80시간의 방전시간만 제공합니다. 또한 이렇게 10.5V까지 심방전을 자주하면, 배터리 수명은 급격히 단축됩니다. 통상 환경에서 이렇게 10.5V까지 방전하고 충전하고를 반복하면, 총 100회 미만까지 정도만 충전할 수 있습니다. 이렇게 Pb배터리는 성능이 아주 까다로운 배터리 입니다..

델코 DC31 배터리의 충전스팩. 50%미만까지 방전후 만충까지 최소시간이 24시간이나 걸립니다.

표: SLA배터리의 라이프사이클 그래프. 매번 사용시 용량의 100% (10.5V)까지 쓰고 충전하면, 약 180회까지만 충전할 수 있음을 보여줍니다(초기성능의 80%가 될때까지를 일반적인 배터리 수명으로 봅니다). 배터리 용량의 30%정도만 쓰고 다시 충전을 반복하는 경우엔 약 900회까지 충전할 수 있고요..  SLA배터리의 수명은 이렇게, 충전을 몇번 했는가? 보다는 방전을 얼마나 깊게 하고 충전했는가? 에 의해 수명이 더 크게 영향받게 됩니다.

# Pb배터리의 충전
충전은 배터리의 손상 없이 얼마나 빠르게 충전할 수 있는가? 가 충전기 성능의 목표가 되는데, Pb배터리를 완전히 충전시키기 위해서는 다음 3단계의 충전 단계를 거칩니다.

1. Bulk 충전: 충전 시작부터 총 용량의 80%정도용량의 충전을 담당하는 단계입니다. 배터리 전압이 13.8V정도에 도달할 때 까지 14.4~15.0V의 전압으로 배터리가 받아들일 수 있는 최대전류로 충전하는 단계입니다. 충전 전압은 배터리 전위값이 증가하면서 점점 높아지게 됩니다. 자동차의 알터네이터처럼 충전시 공급가능한 전류량이 배터리 용량보다 충분히 큰 경우엔 이를 벌크충전이라고 하고, 충전기용량이 제한적인 경우엔 CC(Constant Current)충전 모드로도 불립니다.

2. Absortion stage: 배터리용량의 80%까지 충전이 되면, 충전기는 14.1~14.6V의 특정 전압으로 고정되어(CV: Constant Voltage) 배터리로 입력되는 전류량이 1A 미만 정도가 되어 만충될 때까지 충전합니다. 이 모드가 필요한 이유는, 방전되어 극판이 노출되어 극판 부식으로 황화물이 부착되어 배터리 성능이 낮아지는 것을 막기 위함입니다.

표: CC, CV 모드에서의 충전 전압. 배터리 손상을 막기 위해서는 온도에 따라 충전전압을 달리해야 합니다. 겨울철 자동차의 알터네이터 전압이 여름철보다 높게 유지되는 이유이며, 이렇게 안하면, 여름철 배터리 손상이 가속화 됩니다.

3. Float charging: Pb배터리는 항상 충전을 해 주며 사용하는 것이 수명을 최대로 들릴 수 있는 방법이지만, 1~2단계로 배터리가 100%충전이 된 후에도 계속 14V 이상의 전압을 공급하면, 과충전으로 Sulphation이 진행되게 되어 또 수명이 짧아지게 됩니다. 그래서 전압을 만충전압보다 약간만 높게 완속충전모드를 계속 유지하는데, 이를 Float charging 또는 Trickle charging 이라고 합니다.

표: Float charging도 온도에 따라 전압을 달리 합니다. 온도가 높아질수록 가스발생이 더 쉽기 때문에, 전압을 더 낮추어 줍니다.

실질적으로 SLA배터리는 위의 3단계로 충전하여 주는 것이 가장 좋은데, 결과적으로 전압을 높이면, 빠르게 충전되지만, 배터리 손상 가망성이 높아지고, 충전전압을 낮추면, 배터리 손상 가망성은 낮아지지만, 충전속도가 느려지게 되는 숙명?을 타고났다고 보시면 됩니다. 때문에, 충전기, 자동차 알터네이터 제조사마다 서로 조금씩 다른 충전 전압을 세팅하게 되며, 대체로 SLA배터리는 Flooded 배터리보다 배터리 손상확률이 높기에 좀 더 낮은 전압값으로 세팅을 합니다.

또한 이렇게 이상적인 충전을 위한 공식은 정해져 있으나, 온도 측정 위치, 자동차 시스템에서의 전류량 측정 위치, 충전status의 변환을 하기 위한 방법의 차이, 알터네이터의 제어방식 등에 따라 차량마다 조금씩 다른 특성을 보입니다.

차량의 알터네이터에 따른 충전방식의 차이와 보조배터리를 장착했을때의 영향 등에 대해서는 다음 포스팅에서 올리겠습니다.