자동차 보조배터리와 알터네이터 충전 문제 #2

http://cafe.naver.com/vwtdi/258997 에서 자동차용 12V 배터리의 특성에 대해서 정리했었습니다.

이번엔 자동차에서의 배터리의 “충전문제”에 대해서 써보려고 합니다.

[알터네이터]
자동차의 엔진 힘으로 작동되는 발전기-Alternator(이하 “알터”)는,
1. 자동차 시동 배터리의 충전
2. 동시에, 자동차 전장품에 전력 공급
의 역할을 합니다.

알터네이터는 승용차이면 통상 100A 전후한 일반적으로 충분한 용량의 제품이 장착되어 있으며, 엔진 RPM과 무관하게 전압과 공급전력이 조절되도록 되어 있습니다. 통상 알터네이터에서 공급되는 RAW전력은 3상 교류 전력이며, 이를 다시 13~14V DC 전력으로 변환하여 공급해 주게 됩니다.

알터네이터의 첫번째 존재이유는 “시동을 걸기 위한 배터리의 충전”이고, 배터리의 충전은 “충전 전압”과 가장 밀접한 관련이 있습니다.
떄문에, 알터네이터는, 차량의 배터리를 적절하게 충전시키기 위해 공급 전압을 조절하는데, 이러한 공급전압의 조절은 차량 제조사마다 조금씩 다릅니다.

[배터리의 충전 방법]
모든 종류의 2차전지(충전과 방전을 반복할 수 있는 전지)는 전지 자체의 공칭 전압보다 높은 전압을 배터리에 공급하여 줌으로서, 배터리가 충전되게 됩니다.

위 그래프는 배터리를 최적의 조건으로 충전하기 위한 전압과 전류공급 그래프 입니다. (SLA 1cell 기준값이므로, 12V 배터리면 X6 한 수치로 보시면 됩니다)

위 그래프를 풀어 해석하면,
. 충전 초기 3~4시간 정도는 14V미만의 전압에서 정전류로 충전을 함 (대부분의 에너지가 충전되는 구간으로 60~80%이 전력이 충전됨)
. 이후 14.4~14.7V 정도의 전압으로 충전 전압을 올려 나머지 용량을 꽉 채워 완충시킴. 충전 전류량 감소됨. 5~9시간 소요. (Constant Voltage)
. 충전 전류량이 0.01C 수준으로 낮아져 완충되었다고 판단되면, 다시 충전 전압을 낮추어 완충상태를 유지시킴 (Float charge)

이렇게, 배터리를 최적의 상태로 완충시키기 위해서는 배터리 상태에 따라 배터리 알터네이터에서 전압을 조정해 주어야 합니다.

결과적으로 SLA배터리는 아래와 같은 두가지 충전 status가 있고, 장단점이 있습니다.

충전전압	13.8V ~ 14.1V (완속충전)	14.4V ~ 14.7V (급속충전)
장점	배터리 수명 최대화. 배터리 발열 최소화. 30도 이상의 기온에서 충전 가능.	빠른 충전 시간. 배터리 저장 전력의 최대화 가능. 극판 Sulfation 최소화.
단점	느린 충전시간. 총 저장용량이 낮아질 수 있음. Equalizing 충전을 안할 경우, Sulfation 진행 가망성 높음.	배터리 손상, 가스 발생 가망성 있음. 물보충 필요. 높은 기온에서는 적합하지 않음.(오버차지 손상 가망성 높음)

통상 2차 전지는 충전전압이 높으면, 빠르게 충전되지만, 배터리 수명이 짧아질 수 있다는 단점이 있는데, SLA전지는 꼭 그렇지도 않고, 낮은 전압으로 천천히 충전시에도 내부에 Sulfation 발생확률이 오히려 높아, 좋지 않을 수 있다는 특정이 있습니다.

자동차 제조사에 따라서, 알터네이터의 전압 조정 알고리즘을 달리하여 장착된 시동용 배터리를 충전 제어합니다.

실제로는, 최근까지는 대부분의 차량의 알터네이터 전압 조정 알고리즘이 이렇게 섬세하지 않았고, 그냥 14.4V +-0.2V 정도로 정전압 상태를 유지시키는 단순한 경우가 대부분 이었습니다.

하지만, 2000년대 이후로 개발된 차량들은, 온도, 전압, 부하량, 메인배터리쪽 충전부하량 등을 추가로 감지하여 더 섬세하고, 안전하면서도 빠른 충전과 배터리도 보호할 수 있도록 상황에 따라 13.2V ~ 14.8V 까지  전압을 변화시킵니다.

[제조사마다 다른 알터네이터 전압 제어 알고리즘]

알터네이터의 제어 알고리즘은 제조사마다 다른데, 그 이유는 다음과 같습니다.
. 복잡하지 않고 단순한 구조 선호하는 경우: 항상 14.4V 정도로 전력 공급
. 온도에 따른 충전 전압 보상기능: 온도 측정 위치(실외기온, 배터리극판온도등)에 따라 다른 알고리즘 필요
. 느린 충전, 수명 극대화 선호(장착된 배터리 용량 여유 높고, 운행시간 많은 경우) 또는 빠른 충전 선호(잦은 시동, 낮은 기온 등)
. 알터네이터나 에어컨등으로 인한 에너지 낭비를 최소화 하기 위해 알터네이터 부하를 최소화 하는 알고리즘 적용 (최신차량, 하이브리드차량, Idle stop & Go 기능 탑재 차량)

대체로, 제조사에서는 OEM 장착된 배터리에 안전하게, 충전알고리즘을 최적화 시켜 놓았는데, 충전 알고리즘의 변화 없이, 시동배터리의 용량을 변화시키거나 종류(AGM, SLA, Flooded, LiFePO4등)를 변화시킬 경우, 경우에 따라 새로운 문제가 발생할 가망성이 있습니다.

또한, 벌크충전->CV충전->Float 충전 으로의 충전 status 변화시점은 메인 배터리의 전압과 충전전류량, 그리고 온도로 판단해야 하는데, 자동차 전장 시스템은 부하가 모두 연결이 되어 있어, 배터리의 전압과 충전 전류량 등을 파악하는 것이 쉽지 않다는 문제, 배터리 온도와 엔진룸 내부 온도가 항상 같은건 아니라는 등의 여러가지 변수들이 있습니다.

[최신 차량의 자동차 배터리 충전 알고리즘]
최근 출고되는 차량의 경우, 아래와 같은, 오랫만에 차량 배터리의 충전과 관련된 새로운 변화가 있었습니다.
. ISG(Idle Stop & Go)기능 탑재 차량: 정차시 전력사용, 잦은 시동기능, 더 큰 스타터 모터 용량 등의 변화로 인해, ISG 탑재 차량은 더 큰 배터리 용량, 더 성능 높은(AGM or GEL)배터리 채용을 하며, 이에 맞추어 충전 제어 알고리즘도 더 정교해 지고 있습니다.
. 연비향상을 위한 다이어트 극대화: 알터네이터도 공짜로 작동하는 것이 아니고 엔진에 부하를 주는 장치이기에 알터네이터 부하를 배터리의 충전에만 우선순위를 두어 최적화 하기 위해 알터네이터 부하를 최소화 하려는 경향이 있습니다.

 

[배터리와 보조배터리의 충전 문제]

. 자동차에 SLA나 LiFePO4 보조배터리를 장착하였는데, 보조배터리가 예상대로 완충이 되지 못하는 상황이 있을 수 있습니다.
. 이런 상황이 발생할 수 있는 상황 조건은 다음과 같습니다.

1.  메인배터리는 만충이 되었는데, 보조배터리는 완충되지 않은 상황
통상 위와 같은 경우, 대부분의 차량은 메인배터리와 보조배터리가 시동 후에는 연동되어 있기 때문에, 차량에서는 밸런싱 된 하나의 배터리 시스템으로 보고, 밸런싱 충전 전압 (14.4V 이상)을 공급하여 줍니다.

그런데, 신형 차량의 경우, 메인배터리의 완충상태를 확인하기 위한 전류센서를 메인배터리의 –단자쪽에 추가 장착하여, 차량의 전체 전력 사용량이 아닌 메인배터리의 충전전류량을 감지하여 이 충전 전류량이 약 1A 미만이면, 메인 배터리가 완충된 것으로 판단하고, 알터네이터의 전압을 Floating 충전전압(13.6~13.8V)으로 낮추어 공급하는 상황이 됩니다.

이렇게 되면, 보조배터리는 완충되지 못하였음에도, 덩달아 완충모드(충전시간 12시간 정도 소요)로만 충전전압이 공급되어 충전시간이 늦어지게 되며, 이런 상황이 발생할 조건은, 신차로서, 메인 배터리쪽 전류량 감지센싱을 하고, 메인배터리가 새것이어서 완충상태 유지가 쉽게 되는 경우 에 발생할 수 있습니다. 다르게 표현하면, “2010년 이후 출시된 신차로 출고된지 6개월 미만의 차량”인 경우 확률이 높습니다. 

2. 기온이 높거나, 엔진룸 기온이 높거나, 메인 배터리 온도가 높다고 판단되는 경우
차량의 온도센서를 실내, 실외(엔진룸 앞쪽)외에 배터리 단자쪽에도 장착하여 배터리 온도를 좀 더 정확하게 측정하는 경우가 있습니다. 온도가 높아짐에 따라 SLA배터리를 보호하기 위해 충전 전압을 낮춰 메인 배터리의 충전속도를 늦춰 메인배터리를 보호하기 위한 목적입니다. 그래서, 여름철 기온이 높거나(30도 전후), 오랜 주행으로 엔진룸 내부 온도가 높아진 경우 알터네이터는 배터리가 완충되지 않았더라도, 메인배터리의 보호를 위해서 배터리 충전 전압을 낮추게 되어, 메인배터리, 보조배터리 모두 빠르게 충전되지 못하는 상태가 되게 됩니다. (어쩔 수 없는 문제) 다만, 이런 경우, 반대로 겨울철엔 알터전압이 더 많이 올라가 겨울철에 배터리 충전속도가 더 빨라지게 됩니다.(14.8~15V)

 

[보조배터리가 급속충전되지 못하는 상황의 해결 방법]

리튬인산철이던 Pb SLA이던 차량에 Secondary로 장착된 보조배터리가 있을 경우, 급속충전되기 위한 조건은,
”14.4~14.8V 의 전압이 공급되어야 함”
입니다. 이보다 낮은 전압으로 전력이 공급될 때 보조배터리 충전시간이 10배 쯤 늦어지게 됩니다. 자동차 알터네이터에서 직접 공급되는 전력은 자동차에서 공급받을 수 있는 가장 품질이 좋은, 공급 전류량이 풍부한 전력이기에 최대한 알터네이터 공급 전력을 직접 받도록 구성하는 것이 좋습니다. 그런데, 어떤 이유에서든 알터네이터 공급 전압이 14V미만이면, 보조배터리는 급속충전이 될 수가 없습니다.

가장 근본적이고 전체적으로 효율적인 방법은, 알터네이터 전압제어 알고리즘과 센서를 조정하여 알터네이터 공급 전압을 14.4V 이상으로 높여주는 것이겠습니다만, 이는 차량 전체 MCU와도 연동되어 있고, 원래의 차량에 영량을 주지 않아야 한다는 보조배터리의 장착 취지에도 맞지 않습니다.

그래서, 차선책으로, 13~15V 정도의 차량 전원을 공급받아 전압을 14.6V 정도로 레귤레이션하여 보조배터리로 공급하여 주는 장치(DC충전기)를 보조배터리에 장착하면, 보조배터리가 급속충전되지 못하는 문제를 해결할 수 있습니다.

다만, 이 경우의 단점은, DC충전회로 자체의 전류량 용량이 제한적이고, 발열이 있어, 최상의 상태(알터네이터가 직접 14.6V로 보조배터리와 연동된 상태)에 비해서는 충전속도가 좀 느려질 수 있다는 단점이 있습니다.

실제 실험 결과는 다음과 같습니다.

환경:
KIA K3 2013년형 (2012년 12월 출고)
9A 12.8V LiFePO4 보조배터리 장착 환경

증상:
시동 후 전압이 13.7~9V 정도로 떨어지며, 이때문에 보조배터리가 급속충전되지 못함(6시간 주행 후에도 50% 정도만 충전됨)

해결:
7A 14.6V 출력 정전압 레귤레이터 회로 추가 장착으로 2시간 정도에 보조배터리 완충됨

단, 보조배터리의 급속충전이 되지 않는 문제가 있을때, 이와 같은 DC충전회로의 추가 장착이 무조건 권장되지는 않습니다. 차량의 알터 전압이 14.4V 이상 정도인 경우엔, 알터공급 전류가 훨씬 여유도가 높기에, DC충전기(7A)보다 더 많은 전류량으로 더 빠르게 추가 발열도 없이, 급속충전을 시킬 수 있기 때문입니다.

 

K3의 경우, 메인배터리쪽의 전류량 센서로 차량 전체 전류량 부하가 아닌 메인 배터리만의 부하를 기준으로 알터네이터 전압을 조정하기 때문에, 메인배터리 상태가 신차상태로 팔팔하면, 보조배터리의 충전속도가 늦어지게 됩니다.