1. 배터리 관련 개념 및 용어 정리

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1. 배터리 관련 개념 및 용어 정리

전공 관련 (Major)/강의 (Lecture)

by memyself 2021. 1. 10. 13:43

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Cell

전기화학 배터리의 제일 작은 단위로써 화합물에 따른 전압을 발생시킵니다. 
종류는 크게 1차 전지 (Primary) & 2차 전지 (Secondary)로 구성됩니다. 

Batteries

배터리와 배터리 팩(Pack)은 셀이 다수가 모여 그룹으로 만들어진 형태이며 셀들이 직렬 또는 병렬, 그리고 직렬, 병렬을 같이 조합한 형태로 구성됩니다. 

직렬 Pack (좌측), Cell (우측)

Ex) 12V의 납산 (Lead-acid) 배터리는 2V의 셀이 직렬로 6개가 연결된 형태로 구성됩니다. 

 

Nominal Voltage

Nominal은 공칭이라는 의미를 지니고 있습니다.
공칭값은 公稱-, nominal value. 즉 설비나 기기의 성능, 동작량 등에 대하여 주어지는 명목상(또는 분류상)으로 부르는 값으로 편의상 부르는데 목적이 있습니다. 

Nominal Voltage는 마찬가지로 공칭전압으로 전압의 종류를 표현하는데 편의상의 목적으로 회로나 시스템에서 사용되는 전압입니다. 때문에 실제의 전압과는 꼭 일치하지 않는 경우가 있습니다. 

배터리에서 Cell의 전압을 말할 때는 공칭(Nominal) 전압을 사용합니다. 그리고 각각의 Cell의 전압은 활성 화합물의 종류에 따라서 다르게 나타나며 표기는 cell package에 보편적으로 기록되어 있습니다. 

  • Nikel-based cell (NiCad, NiMH) - 1.2V
  • Lithium-based cell - over 3V
Capacity 

Capacity는 수용을 얼마나 할수있는가를 표현하는 용어입니다. Cell Capacity는 곧 얼마나 충전이 되는가에 대한 양을 수치적으로 표현할 때 사용되며 단위로는 Ah(ampere hours), mAh(milliampere hours)로 나타냅니다.
이는 곧 '1시간에 사용할 수 있는 전류량' 을 나타냅니다. 

Ex) 배터리가 2000mAh라고 할 때, 2000mA(2A)로 전류를 뽑을 때 1시간 동안 사용 가능

C-rate

C rate에서 C는 위의 개념 Current의 줄임말로써 보통은 방전율로 부릅니다.  

방전에서 예를 들 때 Cell에 1C라고 표기돼있다면 자기가 가지고 있는 용량(Capacity)의 1배를 내줄 수 있다는 뜻입니다.10C라 하면 자신의 용량의 10배를 내줄 수 있다는 뜻으로 모터가 배터리에게 소모 전류량을 요구할 때 그만큼 전류를 내어줄 수 있다는 능력입니다. ( 다만 배터리는 스스로 전류량을 내어주지는 않으며 반드시 외부기기에서 요청이 있어야 전류를 내어줍니다. )

20Ah를 가진 Cell이 20A로 1시간 동안 보낼 수 있다면 "1C"이며 10시간에 2A로 보낼수있다면 "C/10"로 되겠습니다. (다만 해당 관계가 반드시 선형적이지는 않습니다.)

Energy & Power 

Cell은 전기 화학적 형태로 일을 할 수 있는 에너지를 가지고 있습니다.

전체 에너지 저장 Capacity를 구하기 위해서 전압 값과 Capacity의 곱으로 계산할 수 있습니다. 

Ex) Nominal Energy Storage Capacity = 3.7V x 1.9Ah = 7.03Wh

그리고 에너지 방전율은 순간적인 셀의 power로써 단위는 mW, W, kW를 사용합니다. 


Cells connected in Series or Parallel 

위에서 언급했듯이 Cell은 직렬 또는 병렬 형태로 연결이 가능합니다.
다만 연결 방식에 따라서 합산되는 방식이 다릅니다.

직렬 연결 병렬 연결 
  1. 직렬연결 (Connected in Series)

    Cell이 직렬로 연결되어 있을 때 배터리의 총 전압은 곧 각각의 Cell이 나타내는 Voltage의 합산한 값이 되겠습니다. 
    그러나 Capacity 같은 경우는 각각의 Cell에 동일한 전류가 흐르기 때문에 전체 Capacity는 단일 Cell의 Capacity와 동일합니다. (모든 셀에서 충전과 방전은 동일한 비율로 진행됨)

    Ex) 3V 및 20Ah를 가진 셀 3개가 직렬로 연결되어 있을때

    - A Nominal Voltage : 3 x 3 = 9V
    - A Nominal Capacity : 1 x 20Ah = 20Ah
    - A Nominal energy Capacity : 3 x 3V x 20Ah = 180Wh  ( Energy = Voltage x Capacity ) 

  2. 병렬연결 (Connected in Parallel)

    Cell이 병렬 연결로 구성되어 있을 때 배터리의 총 전압은 단일 Cell의 Voltage와 같습니다. 하지만 Capacity 같은 경우 모든 Cell의 Capacity 합이 됩니다. 

    Ex) 3V 및 20Ah를 가진 셀 5개가 병렬로 연결되어 있을때

    - A Nominal Voltage : 1 x 3 = 3V
    - A Nominal capacity : 5 x 20Ah = 100Ah
    - A Nominal energy Capacity : 5 x 3V x 20Ah = 300Wh

 

 

Reference : Introduction to battery-management systems ( Coursera Lec 1.1.2 )

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