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최근 들어 전기차 배터리 화재사고가 연일 뉴스에 등장하고 있다. 이곳저곳에서 주워듣기로는 급속충전은 화재 위험이 있고, 완속 충전을 하면 좀 더 안전하다고 한다. 뉴스에 전문가가 하는 말도 얼핏 들었는데 과충전을 하면 전압이 올라가서 터질 가능성이 높아진다고도 했던 것 같다.
몇 년 전에도 삼성 스마트폰(갤럭시8이었던 것으로 기억)이 터지는 사고로 떠들썩했었고, 이번과 유사하게 특정 업체 배터리를 사용한 전기차에서 화재가 계속 나서 문제가 됐었던 적도 있었다. 당시에 찾아본 바로는 그냥 뭐 정품 충전기 쓰고 오래되면 교체하고 과충전 하지말고 뭐 그런 류의 원론적인 이야기들만 많이 봤었고, 왜 그러면 안되는지에 대한 설명은 거의 찾아볼 수 없었다. 2024년 시점에서 검색을 해보니 다음과 같은 그림이 나온다.
대충 요약하면 헛짓 말고 애지중지 써라 뭐 이런 얘긴데, 관련 지식이 없는 상황에서 보니 해당 페이지의 밑에 써있는 설명을 읽어도 너무 짧게 써있어서 정확히 어떤 원리로 과충전/과방전 하면 수명이 손상되고, 오래되면 왜 부풀며, 급속충전하면 보통으로 충전한거보다 왜 위험한지 등에 대한 내용을 제대로 이해한 것 같지가 않았다.
앞으로 전기차 시장이 오든 AI의 일상화 시대가 되든 에너지 혁명이 오든 뭐가 오든간에 에너지 저장 면에서의 배터리의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않을 것 같은데, 이번 기회를 통해 배터리 전문가가 아닌 일반인 입장에서 배터리의 충전 및 방전에 대해 이해하고 충전 방법을 왜 그렇게 해야 하는지 알아보려고 한다. 혹시나 내용이 잘못된 게 있으면 댓글 등으로 지적 바란다.
자동차 배터리, 스마트폰 배터리, 카메라 배터리, 다 같은 종류인가?
본격적으로 생각을 시작하니 일상에서도 생각보다 많은 곳에 배터리가 사용된다는 것을 금방 알 수 있다. 당장 이 글을 쓰는 시점에도 책상 위에 스마트폰 내장 배터리, 무선 이어폰 배터리, 보조배터리, 노트북 배터리 등이 있고, 사진 제대로 찍어보려고 산 디지털카메라 배터리도 있다. 이런 배터리가 전기차 배터리랑 종류가 다르고 취급방법도 다르다고 하면 배터리별로 다 알아봐야 하니, 일단 같은 배터리인지부터 파악해보기로 했다.
스마트폰 배터리는 리튬 이온
가장 친숙한 스마트폰 배터리를 확인해 보려 했으나 일체형이라서 뜯어볼 수는 없었고 삼성 공식 사이트에 들어가도 몇 시간 쓸 수 있는지만 무슨 배터리인지 안 나와서 검색을 약간 해본 결과 스마트폰에는 리튬 이온 또는 리튬 폴리머 배터리가 들어간다고 하며, 보유 중인 갤럭시 s8+는 리튬 이온인 것으로 파악했다. 2024 기준 최신인 s24+도 리튬이온인 것을 확인했다. 아이폰 15프로맥스도 리튬이온이었다. 리튬 이온이 부피 대비 용량은 크고 충전속도나 효율이 좋지만 리튬 폴리머에 비해 고온에서 안정성이 안좋다고 한다. 리튬 폴리머는 대신 충격에 약하고 저온에서 성능이 안좋다고 한다. 겨울철 아이폰 광탈 일어나는게 혹시 리튬 폴리머인가? 라는 생각이 들었는데 아이폰도 리튬이온이었다.
[1] 스마트폰에 들어가는 배터리의 종류는 리튬 이온, 리튬 폴리머: https://dpg.danawa.com/bbs/view?boardSeq=280&listSeq=3461227&past=Y
전기자동차 배터리도 리튬 이온
몇 년 전에 봤었던 배터리 전문가의 자동차 배터리 설명을 참고했다. 테슬라 차에서 쓰는 리튬인산철 배터리 (Li-FePO4; lithium iron phosphate, LFP) 라고 불리는 것과 국내 회사들이 주로 밀고 있는 3원계 또는 다원계라고 불리는 것 등등 전부 리튬 이온 2차 전지 계열이다. 리튬 이온이라고 부르는 이유는 정상적으로 동작할 때는 리튬이 고체 금속으로 존재하지 않고 전해질에 녹은 상태인 이온으로만 존재하기 때문이다. 이런저런 이름들이 있지만 이름 마케팅 부분을 빼고 보면 기본적인 원리는 같고 양극 음극 활물질을 뭘로 쓰느냐에 따라서 이름이 달라진다고 보면 된다.
[2] LFP 배터리 완전정복 (서정대학교 자동차학과 박철완 교수, 해당 언급부분 시간 찍음): https://youtu.be/M9K3B7bwq84?t=226
참고로 전기차가 아닌 경우 리튬 이온이 아니라 납-산(lead-acid) 배터리인 것으로 알고 있다. 전압은 12V가 표준이다. 이번 글에서는 앞으로 비중이 점점 늘어날 전기차 기준으로 생각하기로 한다.
[3] 전기차 아닌 경우 배터리 종류: https://blog.naver.com/erke2000/221720257607
[4] 전기차에도 납산 배터리를 보조로 활용하는 경우도 있음: https://gentle930.tistory.com/entry/전기-자동차-배터리-종류-이렇게나-많은
카메라 배터리도 리튬 이온 (Sony a7c2 기준)
보유 중인 소니 미러리스 카메라 배터리를 꺼내 보니 Rechargable Li-ion 이라고 써 있다. 참고로 1차전지는 충전이 불가능하고, 2차 전지는 재충전이 가능하다는 차이가 있다. 즉 충전 가능한 전지들은 다 2차 전지라고 보면 된다.
건전지는 알카라인, 리튬 1차전지 등 다양하고 충전되는 리튬이온은 잘 없음
그렇다면 TV 리모콘이나 여러 휴대용 기기에 들어가는 건전지(dry cell)의 종류는 어떨까? 한국전지재활용협회의 설명을 참고하면 다양한 전지가 있는데, 일반 1.5V나 9V 건전지들은 알카라인이고, 흔히 동전배터리라 불리는 CR 2032같은 것들은 리튬 1차전지(충전 불가)이다. 간혹 파나소닉 에네루프같은 충전 되는 종류도 있지만 충전 안되는 것들이 대부분이고, 이런 충전 안되는 것들은 대부분 알카라인이며, 동그랗게 생긴건 리튬 1차전지라고 봐도 될 것 같다. 이번 글에서는 충전되는 배터리에 대해 다룰 것이므로 자세한 내용은 생략한다.
[5] 건전지 종류 및 구별법 (한국전지재활용협회): https://kbra.net/sub/sub03_02.php
참고로 마트에 가면 건전지 종류가 많고 가격도 천차만별이라 뭘 선택할지 고민이 많이 될텐데, 이 글 외에 앞으로 배터리에 대해 정리할 가능성이 거의 없을 것 같아 배터리 충전을 다루는 현재 글의 범주를 벗어나긴 하지만 이전에 봤었던 한국소비자원의 건전지 비교평가 링크 남긴다. 간단하게 요약하면 AA나 AAA형 배터리에서 다이소 네오셀 쓰면 웬만한 상황에서 가성비랑 지속시간까지 다 챙겨지고, 카메라 플래시 등 고부하나 완구류 등 중~고부하에서 오래가는거 쓰는 경우에도 다이소 네오셀이 유효하고 다른 브랜드는 벡셀 플래티넘 (프리미엄은 구리고 플래티넘으로 사야됨) 쓰면 된다.
[6] 다이소, 듀라셀, 벡셀, 에너자이저 건전지 4개 브랜드 품질비교 시험평가 (한국소비자원 2024.06, 세부내용 첨부 pdf참고): https://www.consumer.go.kr/user/ftc/consumer/cnsmrBBS/79/selectInfoRptDetail.do?infoId=A1080397
[7] 건전지 7개 브랜드 20종 가성비 비교 (한국소비자원, 2018.07): https://www.kca.go.kr/home/sub.do?menukey=4004&mode=view&no=1002671245
보조배터리는 리튬폴리머와 리튬이온이 혼재함
2019년에 해외 출장 갈 때 인천공항 면세점에서 샀던 샤오미 보조배터리를 확인해 보니 아래 그림과 같이 리튬폴리머였는데, 겉보기엔 똑같이 생겼지만 리튬이온인 제품도 있었다. 최근 출시된 다른 제조사 제품들도 쭉 봤는데 리튬이온도 있고 리튬폴리머도 있었다. 어쨌든 몇 년간 실사용하면서 스마트폰 충전할 때는 발열이 거의 없지만 태블릿 등에 연결할 경우 발열이 꽤 있어서 리튬이온보다는 고온에 강한 리튬폴리머를 사는 게 좋을 것 같다는 생각이 들었다. 다만 표기가 리튬폴리머라도 이름마케팅으로 사기치는 경우가 있을 수 있으니 정확한 기술은 조사해봐야 한다.
다나와 보조배터리 구매 가이드 기준으로는 배터리 종류는 딱히 신경쓰지 않고 무게, 부피, 용량, 충전속도, 충전 단자 등 충전 자체에만 집중한 것을 알 수 있었다. 여행용은 기내반입 정도만 신경쓰고 딱히 안전에 관한 언급은 없었다.
[8] 다나와 보조배터리 구매가이드: https://plan.danawa.com/info/?nPlanSeq=8598
정리하면 2024년 기준 재충전 가능한 배터리의 대부분은 리튬이온 또는 리튬폴리머
요약을 해보면 전기차를 포함하여 충전 가능한 배터리는 대부분 리튬이온이고 보조배터리의 경우 리튬폴리머인 경우도 있다는 것을 알 수 있었다. 대부분의 사람이 부피가 작고 용량 큰 것을 선호하기 때문으로 추정한다. 따라서 이 글에서 이후 등장하는 배터리의 충전은 리튬이온 또는 리튬폴리머 배터리의 충전으로 간주한다.
에너지 밀도 관점에서 배터리 기술의 발전 속도는 느린 것 같다
몇 년 전에 본업인 연구 진행하면서 배터리 연구 위주로 하시는 한양대 이윤정 교수님과 회의하면서 들은 내용을 발췌하자면, 리튬이온이라는 기술이 나온 지는 한참 됐지만 같은 공간에 얼마나 많은 에너지를 저장하느냐의 에너지 밀도 관점에서 보면 아직까지도 거의 발전이 없는 수준이라고 한다. 2020~2021년 쯤이었던걸로 기억하는데 이후 몇 년이 지났지만 여전히 상용 배터리 분야에서 근본적인 혁신은 일어나지 않은 것으로 보이며, 리튬 이온이 아직까지도 대세인 것으로 생각한다.
사족이지만 당시에 협업내용은 내가 개발 중이었던 인체부착형 빛 치료기기에 사용할 수 있는 탄소기반 유연 배터리를 공급받기로 되어있었는데, 막상 얘기해 보니 축전 용량이 너무 작아서 쓸 수가 없었다. 그리고 7년여의 연구기간 동안 용량과 안정성 문제를 극복 못해서 결국 유연 배터리를 통합할 수 없었고 학위 주제로 완성한 양산 가능한 임상기기는 외부전원을 사용하였다.... 이 경험을 통해 차세대 배터리 발전 속도가 느리다는 것을 직접 느낄 수 있었다.
고속충전? 급속충전? 왜 완속충전과 나눠놨나?
전기차에서의 정확한 용어는 급속 충전, 완속 충전
뉴스에 자주 나오는 얘기로는 안전을 위한다면 완속충전을 쓰라는 점이 있다. 그렇다면 급속은 뭐고 완속은 뭔가? 다음의 2022년 글에서 확인한 법령 내용에 따르면 전기차 충전에서 급속은 1~2시간 정도, 완속은 14시간 정도에 충전되는 것을 의미한다. 법령 용어에 맞추어 이후에는 급속 충전과 완속 충전이라는 용어를 사용하겠다.
[9] 전기차 결국 완속충전 쓰게 되는 이유(엔카매거진, 2022): https://m.encarmagazine.com/theme/theme1/view/135307
급속 충전은 직류로 직접 충전, 완속 충전은 교류로 전원을 공급하고 내부회로에서 직류로 바꿔서 충전
알고 보니 급속 충전과 완속 충전은 충전기에서 나오는 전기의 종류가 다른 것이었다. 알다시피 거의 모든 배터리는 직류로 동작하는데, 일반적인 스마트폰 충전기 등등에서는 220V 교류 전원에 꽂았을 때 내부에서 직류로 변환하는 회로가 들어있고 충전시 직류를 사용한다. 전기차에서 급속 충전은 충전 장치에서 직류를 먼저 만들어서 배터리에 바로 공급하는 방식이었고, 완속 충전은 차량 내부에 있는 완속 충전장치에 교류를 공급하고 완속 충전장치에서 직류로 변환하여 충전하게 되는 거였다. 다음의 LG에너지솔루션 자료 및 다른사람 블로그 자료에서 확인할 수 있다.
[10] 급속 충전과 완속 충전의 특징(배터리인사이드, 2023): https://inside.lgensol.com/2023/05/세상의-모든-배터리에-대한-궁금증-전기차의-급속/
[11] 전기자동차 완속 충전과 급속 충전의 차이 (엠에스리 네이버 블로그, 2021): https://naver.me/GkKnyuXv
충전 중에도 급속충전이 완속충전보다 위험한가?
앞의 두 자료에는 나와 있지 않지만, 배터리 자체로는 얼마나 충전됐는지 확인할 방법이 없으니 과충전 방지 회로가 필요할 것이다. 배터리에 직접 연결되는 급속 충전을 하는 경우 충전 스테이션의 과충전 감지 기능에 의존할 수밖에 없고, 완속 충전하는 경우 자동차 제조사가 만든 완속 충전장치의 과충전 방지 회로를 이용하니 후자가 좀 더 안전할 것으로 추정할 수 있다. 어쨌든 추정이 아니라 사실이 필요하니 좀 더 조사해 보았다.
스마트폰의 경우 완충 이후 계속 충전하는 게 제일 문제
다음의 동아일보 기사에 따르면 스마트폰 충전의 경우 충전 자체로는 속도가 빠르고 느리고 하는 것이 배터리 수명에 영향은 거의 없지만 완충 이후에 과충전하면 배터리 수명에 매우 안좋고, 고속충전을 하는 경우 완충이 빨리 되어 가만 놔두면 과충전될 가능성이 높으므로 안좋은 이유가 더 크다고 한다. 이외에도 리튬이온 특성상 잔량 0%로 방치하면 수명이 빠르게 줄어든다는 것을 알 수 있었다.
[12] 고속충전, 무선충전은 배터리 수명에 악영향? 오해? (동아일보, 2021): https://www.donga.com/news/It/article/all/20210512/106892010/1
기본적으로는 전기차에도 동일하게 적용 가능하겠지만, 전기차는 사용 전력도 다르고 충전 중에 발열도 훨씬 많을 것 같아서 충전 중 무슨 일이 일어나는지도 알아보기로 했다.
충전은 양극(cathode)의 리튬 이온이 분리막 뚫고 탄소 음극(anode) 쪽으로 이동하여 화학적으로 결합하는 현상
조사한 바에 따르면 리튬 이온 배터리는 2개의 전극(양극, 음극)과 그 사이의 전해질, 그리고 둘이 안섞이게 막아주는 분리막으로 구성되어 있다. 이 때 전해질 안에 리튬 이온이 있는데 양극에서 음극으로 이동하면 충전, 반대로 이동하면 방전이다. 이동한 리튬이온은 음극 또는 양극과 화학적으로 결합한다. 앞의 배터리 전문가 인터뷰 영상에서도 확인할 수 있다시피 2024년 기준으로도 음극은 거의 탄소이고 종류에 따라 양극만 바뀌므로 충전 중에는 탄소 음극만 신경쓰면 될 것으로 생각했다.
[13] 리튬이온배터리의 구조와 작동 원리 (LG엔솔, 2021): https://inside.lgensol.com/2021/11/리튬이온배터리의-구조와-작동-원리/
[14] 리튬이온배터리의 위험과 손실 예방 (한국화재보험협회, 2017): https://www.kfpa.or.kr/webzine/201707/disaster_prevention_01.html
에너지 관점에서 생각해 보면 방전될 때는 화학 결합에 저장되어있던 에너지가 전기로 전환되면서 효율이 100%가 아닌 이상 열이 발생할 수밖에 없을 것이다. 반대로 충전할 때도 외부 전원에서 들어가는 전기 에너지가 화학 에너지로 전환되면서 기본적으로는 흡열 반응이겠지만 충전 효율이 100%가 아니니까 불가피하게 열이 발생할 것이다. 급속 충전을 하는 경우 같은 시간에 더 많은 에너지를 때려박는거기 때문에 열이 더 많이 발생하는 건 당연한데, 그게 얼마나 되는지에 대해 조사해 보았다.
충전할 때보다는 방전할 때 발열이 더 크다
다음의 그래프는 충전 및 방전 시 발열에 대해 계산한 한국전기연구원의 연구 내용이다. 가로축이 C rate라고 되어있는데 charging rate의 약자이며 배터리의 전압은 대체로 고정이니 높아질수록 전류량을 늘려서 빨리 충전하는 거라고 보면 된다. 세로축은 절대온도 켈빈인데 섭씨로 바꾸려면 대략 273을 빼면 되며, 같은 전류량이라도 충전할 때보다 방전할 때 열이 훨씬 많이 나는 것을 알 수 있다. 그리고 당연하지만 전류량이 커지면 열이 더 많이 오르고, 일정이상 갔을때 더 안올라가는 이유는 주변온도가 낮아서 식는 영향을 고려했기 때문이다.
[15] 리튬이차전지의 열화학과 수명에 대한 고찰 (한국전기연구원 도칠훈, 2022): https://inside.lgensol.com/2022/10/리튬이차전지의-열화학과-수명에-대한-고찰/
그렇다면 기본적으로 전기차도 충전할 때보다는 실제 운전할 때 발열에 의한 위험이 더 클 것으로 예상하는데, 이곳저곳의 매체에서는 급속충전을 문제삼고 있다. 그렇다면 정상 충전에 의한 발열보다는 잘못된 스마트폰 충전 습관과 마찬가지로 완충 이후 과충전시의 발열이 더 문제가 될 것으로 추정할 수 있으며, 좀 더 알아보기로 했다.
과충전시 발열은 전압이 높아지는 것이 위험요소
앞의 한국화재보험협회 자료를 다시 보면 다음과 같이 전압에 대한 언급이 있다. 어려운 말 집어치우고 이해를 해보자면 전압이 높아지면 원래는 이동통로 기능만 해야 하는 전해질이 고전압에 의해 분해되면서 열이 난다는 얘기다.
추정결론: 물론 급속충전이 충전 중 발열이 더 크겠지만 방전을 고려하면 충전 중 보다는 완충 이후 과충전이 더 문제일 것으로 예상
지금까지 내용을 요약해 보면 충전할 때보다 방전할 때 발열이 훨씬 클 것으로 예상되므로 충전 중 발열에 의한 위험성보다는 완충 이후에 과충전 되었을 때 발열이 더 큰 위험일 것으로 생각한다. 그렇다면 과충전시 전압이 대체 얼마나 오르고 발열이 얼마나 되지? 라는 의문이 생길 수밖에 없다.
정상적인 상황에서 리튬 이온 전지의 충전과 방전
C rate가 1이면 1시간, 2면 30분 만에 충전되는 것. 셀 1개 기준 리튬 이온 전지의 방전 전압은 3.6V, 완충은 4.2V 정도, 완전방전은 3.0V 정도
좀 더 검색해 보니 꽤 쓸만한 자료를 발견하였다. 아쉽게도 자동차용 배터리는 아니고 소형 리튬이온 배터리에 관한 내용이긴 했지만 이해를 높이는데 매우 도움이 되었다. 해당 사이트의 내용에 대해 언제 접근이 불가해질지 몰라서 아카이브의 개념으로 자료에 있는 그래프들을 이 블로그로 옮겨왔다. 내용의 저작권은 원 저작자에게 있다.
[16] 소형 리튬이온 축전지의 충전: http://magazine.hellot.net/magz/article/articleDetail.do?flag=all&showType=showType1&articleId=ARTI_000000000030821&articleAllListSortType=sort_1&page=1&selectYearMonth=201408&subCtgId=
배터리 작동 범위는 충전이 아니라 방전 기준으로 설계되므로 충전보다는 방전을 먼저 알아볼 필요가 있다.
자료를 보니 앞에서 나왔던 C rate는 절대량이 아니라 C rate가 1인 경우 1시간에 완충 또는 완전방전되는 전류량을 의미하는 거였다. 즉 2시간에 완충되는 거면 C rate가 0.5인거고, 앞에 나왔던 자료의 C rate가 10이면 6분만에 완충되는 것으로 일상에서 충전하는 속도보다는 훨씬 빠르게 충전, 즉 많은 전류를 때려박았다는 의미였다.
자료에 따르면 적층하지 않은 배터리 셀 1개의 경우 평균 방전 전압이 3.6V이며, 완충시 약 4.2V정도임을 확인할 수 있었다. 완전 방전시에 3.0V까지도 떨어진다.
전기 많이먹는거에 연결해서 방전하면 전지 자체 저항때문에 전압 강하가 일어나서 용량이 줄어든 효과가 남
배터리도 저항이 0은 아니다보니 방전 속도가 빠를수록, 즉 전류를 많이 흘릴수록 배터리 자체에서 전압 강하가 일어난다. 즉 스마트폰을 충전하는 경우보다 노트북을 충전하는 경우 안그래도 방전 속도도 빠른데 용량 줄어든 효과까지 겹쳐서 배터리가 광탈하게 되는 것으로 이해했다.
아래 그래프에서 가로축은 총 에너지량, 세로축은 전압이다. 즉 완충 상태에서 방전하는 경우 왼쪽 끝에서부터 시작해서 오른쪽으로 가는 경로를 따라가고, 전압이 급감하는 지점이 완전방전이다. 그리고 그 때까지 방출한 에너지 총량이 가로축이다. 그래프를 보면 느리게 방전할수록 초기 전압도 높고 오른쪽 끝 전압이 급감하는 곳이 오른쪽으로 더 멀리 간다. 즉 느리게 방전시키면 용량을 더 많이 쓸 수 있고, 빨리 방전시키면 용량이 감소한 효과가 난다.
주변온도 낮으면 전압이 많이 내려가고, 이 때문에 같은 방전 속도에서 용량이 줄어듦
상온인 25도보다 온도가 낮을 경우(주황, 노랑, 보라) 초기 전압이 급감하고, 총 용량도 줄어든다. 25도보다 높을 경우 미세하게 용량이 감소하지만 전압과 용량은 25도일 때와 유사한 것을 알 수 있다.
반복 사용시 전압도 낮아지고 용량도 줄어들어 수명이 감소한다
반복 사용할 경우 배터리 자체의 저항이 미세하게 늘어나서 방전시 초기 전압이 미세하게 줄어드는데, 이게 배터리를 거의 다 썼을 때쯤 극명한 차이로 나타난다.
리튬 이온 배터리의 충전은 완충 근처까지는 전류 고정으로 빠른 충전, 이후부터는 전압 고정으로 천천히 충전. 완충 시간의 절반쯤 되는 시간에 이미 용량은 80% 정도 충전. 전압은 충전 초기에 완충 전압 근처에 빠르게 도달.
자료에 따르면 충전은 처음엔 전류를 고정해서 빠르게 충전을 하고, 이 때 전압이 점점 올라가는데 전압을 감지해서 완충 근처 전압 기준을 넘으면 그때부터는 전압을 고정하고 전류를 약하게 충전한다고 한다. 급속 충전이든 완속 충전이든 같은 방식으로 추정하는데, 이 기준점 넘으면 다르게 충전하는 방식을 구별하기 위해 이 글에서는 편의상 충전 1단계, 충전 2단계로 부르겠다.
그래프가 좀 복잡한데, 왼쪽 아래부터 오른쪽 위로 올라가는 선부터 보면 된다. 빨간색이 초기 충전시, 파란색이 300번째 충전시이다. 가로축과 오른쪽 세로축을 보면 되는데, 가로축은 시간, 세로축은 배터리 퍼센트라고 보면 된다. 완전방전 상태에서 완충 상태의 절반 정도 되는 시간에 이미 80~90% 충전이 완료된다.
다음으로 왼쪽 위에 붙어있는 선 두 개를 보면 된다. 가로축은 시간이고 세로축은 전압이다. 충전 초기에 전압이 빠르게 상승해서 3시간에 완충하는 속도인데도 40분 정도에 기준 전압에 도달한다. 충전시에는 거의 4V 넘는다고 보면 될 것 같다. 방전시의 평균 3.6V보다는 높다는 점이 특이하다. 어쨌든 빠르게 전류 때려박는 충전 1단계의 시간은 얼마 되지 않음을 알 수 있고, 전압 컷에 걸린 이후인 충전 2단계에서는 충전 속도가 점점 줄어든다.
이 때 전류는 왼쪽 아래 사다리꼴처럼 생긴 선 2개를 보면 된다. 가로축은 시간이고 세로축은 전류이다. 파란선은 첫 충전, 초록선은 300번째 충전이다. 충전기에서 최대 전류를 2암페어로 제한했기 때문에 충전 시작하자마자 2A에 걸린 상태로 중전된다. 전압이 거의 바로 4V쯤에 도달하므로 대략 8W 정도로 충전되는 상황이다. 첫 충전시에는 전압이 더 높아서 충전 1단계가 빨리 끝나는데 그래프상으로는 얼마차이 안 나는 것 같지만 시간으로는 첫 충전시 18분, 300번째 충전시에는 37분으로 꽤 차이가 크다. 충전 2단계에서는 전압을 고정하니 전류가 줄어들면서 충전 속도가 점점 느려진다. 완충시간의 절반쯤 되는 충전시간 100분에서 이미 80% 이상 충전되고, 초기 충전 전류의 1/4 수준으로 떨어진다. 즉 충전 속도가 4토막 난단 얘기다.
이 자료를 보면 이 글의 맨 앞부분에서 다뤘던 전기차 급속 충전 1시간과 2시간의 의미가 이해가 된다. 1시간은 80% 충전하는 시간, 2시간은 완충 시간으로 이해할 수 있다. 충전 시 전압은 거의 초기부터 완충 전압 근처에 도달해서 고정 전압으로 유지된다. 이후 충전 2단계에서는 전류가 자연스럽게 줄어들면서 남은 용량이 충전된다. 즉 전기차 충전시 대부분의 시간에서는 충전기에서 전압을 고정시키기 때문에 완충되기 전까지는 과전압의 위험은 거의 없을 것으로 추정 가능하다.
적당히 충전하고 적당히 방전하면 여러 번 충전해도 용량 감소가 거의 없음
다음은 충전 및 방전을 반복했을 때의 그래프이다. 전압을 3.7V에서 끊은 것으로 보아 완전방전 근처 가기 전에 적당히 배터리가 차 있을때까지만 쓰고 다시 충전하는 것을 알 수 있다. 이렇게 하는 경우 오른쪽 그래프에서처럼 세로축의 전압 강하와 가로축 오른쪽 끝의 용량 감소가 거의 변화 없음을 알 수 있다. 이게 배터리 충전 방전 습관 관련해서 흔히 나오는 20~80% 범위에서만 쓰라는 얘기로 이해했다.
풀충할수록 배터리에는 스트레스가 쌓임
배터리는 가만 놔두면 여러 가지 이유로 점점 닳아진다. 에너지 저장 관점에서 생각해 보면 배터리 안에 화학 결합 형태로 에너지가 저장되어있는데, 당연히 같은 부피에 에너지를 많이 넣어둘수록 스트레스가 클 것으로 생각할 수 있다. 자료에 따르면 예를 들면 용량이 1000인 배터리를 완충 상태로 1년 놔두면 완전방전 했다가 다시 충전했을 때 용량이 900이 되는데, 10% 충전 상태로 1년 놔두면 완전방전 했다가 다시 충전했을 때 용량이 990이 된다는 얘기이다. 의외로 10% 충전 상태가 완전방전 느낌이 아니고 그대로도 오래 간다는 점이 새로운 사실이었다.
보관온도 낮을수록 오래감
배터리도 안에 복잡한 물질들이 있다보니 고온에 방치하면 당연히 데미지를 입을 수밖에 없을 것이다. 자료에 따르면 섭씨 45도에서 보관한 경우 위의 25도에서 보관한 경우보다 줄어든 용량이 2배 커졌다. 즉 보관 온도도 중요하다는 사실을 알 수 있다. 특히 여름철에 자동차 안에 배터리 넣어두면 금방 수명이 줄어들 것으로 예상 가능하며, 이 때 배터리가 완충되어있다면 훨씬 더 빠른 속도로 열화되는 것으로 판단 가능하다. 즉 어쩔 수 없이 고온에 보관해야 하는 경우 어느 정도 쓰고 나서 낮은 배터리 상태로 보관하는 게 많이 유리하다는 것을 알 수 있다.
충전 2단계 전압을 낮출수록 배터리 수명이 길어지지만 완충 용량이 현저하게 감소함
자료에 따르면 그래프는 따로 안나와있었지만 충전 2단계의 전압을 낮출수록 오래 간다고 한다. 이 전압의 경우 사용자 입장에서 따로 조절할 수는 없겠지만, 충전기가 바뀔 경우 달라질 가능성이 있다. 정품 충전기 쓰라는 말이 이거인 것으로 해석했다. 어쨌거나 왼쪽 아래 그래프처럼 충전 2단계 전압이 0.1V만 달라져도 완충 용량이 급격하게 감소하는 것을 알 수 있다.
급속충전시 충전 1단계 시간은 전류 배수만큼 줄어듦. 완충 시간은 그거보다는 덜 짧아짐.
요즘은 파워딜리버리(PD)네 뭐네 하면서 같은 전압에서도 전류량이 높아서 충전이 빨리 되는 충전기들이 많이 나온다. 다음은 필자가 보유 중인 충전기의 옆면에 써 있는 내용이다. 정격입력은 어디 콘센트에 꽂아야 하는지를 나타내고, 충전능력에 관한 내용은 정격출력 부분을 읽으면 된다. 주변에서 볼 수 있는 고속충전 지원하는 대부분의 충전기는 5V, 9V, 12V를 모두 지원할 것이다. 셋 모두 표준 전압이고, 이 중 5V는 USB 데이터 통신시 표준 전압이다. 세 개 모두 앞에서 말한 충전 2단계의 전압보다 모두 높은데, 이 전압이 그대로 들어가는 것은 아닐 것으로 생각한다.
어쨌거나 전압은 배터리에 달려 있는 자체 보호회로 등에 의해 앞에서 알아봤던 4.2V 등으로 제한된다고 가정하고 전류를 보면 5V에서 최대 3A 수준으로 꽤 큰 것을 알 수 있다. 만약 일반 USB 포트에 꽂으면 5V에 0.5A도 안 나올 것이다. 이렇게 같은 전압에도 전류를 높이는 것을 급속 충전으로 본다면 자료에 나와 있는 그래프를 이해할 수 있다.
아래 그래프는 급속 충전시 충전 전류에 따른 충전 특성 변화이다. 충전 1단계의 최대 전류를 1~3A로 변화시켰고, 그만큼 빠르게 충전되어 기준 전압인 4.2V에 빨리 도달하고 충전 2단계로 넘어가는 것을 알 수 있다.
이 때의 완충 시간은 자료에 따르면 다음과 같다. 가운데 열은 90% 충전될 때까지의 시간, 오른쪽 열은 완충될 때까지의 시간이다. 당연히 최대 전류를 3배로 늘렸으니 충전 시간도 1/3로 줄어들 것으로 생각했는데, 90% 충전까지는 맞는 말이지만 완충 시간은 그거보다는 비율이 덜 줄어든 것을 확인할 수 있다.
이 충전 상황을 시간에 따른 배터리 잔량으로 보면 다음과 같다. 전압은 금방 포화되므로 충전 1단계에서는 전류 넣어주는대로 배수만큼 기울기가 증가하고, 90% 충전되기 전에 먼저 꺾이고, 90%부터 완충까지는 약 2배 가까이 시간이 더 걸림을 알 수 있다.
급속 충전시 전선 저항을 줄이면, 즉 길이가 짧을수록 좋고 충전 속도가 빨라짐
전기차 충전 상황을 생각해 보면 몇백 km를 달리는 차를 1시간 안에 충전하려면 엄청나게 큰 전류가 흐를 것으로 생각할 수 있다. 물론 충전 선이 굵으면 굵을수록 저항이 작고, 기본적으로 금속이다보니 매우 작은 저항을 갖겠지만, 그래도 없진 않다. 여기에 엄청난 전류가 흐르면 전선 자체에서 전압이 걸려서 배터리 실제 전압보다 전압 감지 회로에서 더 큰 전압을 검출하게 된다. 다음의 그림을 참고한다.
전압 감지 회로는 충전기 안에 있을 것이므로 충전 선에 걸리는 전압을 더해서 전압 감지 회로가 잡아버려서 전류가 크면 클수록 안 그래도 2단계로 빨리 넘어가는데 이 효과로 더 빨리 넘어가게 된다. 이것을 나타낸 것이 자료에 있는 다음 그래프이다. 같은 전류라도 충전선 저항이 크면 충전이 오래 걸리는 효과가 생각보다 클 수 있다는 것을 시사한다.
물론 전기차 충전소는 자기 꺼가 아니기 때문에 충전 선 길이를 선택하기는 어렵겠지만 기왕이면 짧은 게 있다면 더 유리할 것으로 생각한다. 스마트폰이나 태블릿 등 일상 전자기기의 경우 필자는 선 짧아서 빨리 충전되는 것보다 그냥 선 길게 해서 침대 등에 누워있을 때 움직이는 자유도가 큰 것을 더 선호하는 편이다.
기본 개념 정리: 리튬 이온 배터리는 오래 가는 충전 및 방전 조건이 존재
지금까지의 내용을 요약하면 다음과 같다.
- 방전시 전력 사용 클수록 용량에서 손해 많이봄.
- 상온 근처에서 동작할 때 최적 효율.
- 주변온도 낮을 경우 전압이 내려가서 용량에서 손해봄. 주변온도 높으면 배터리 열화속도 빨라짐.
- 완충에 가까울수록 열화 속도는 빨라짐.
- 장기 보관시에는 저온이고 충전량 어느 정도 낮으면 열화가 느려짐.
- 충전 2단계 전압 기준이 낮을수록 수명이 오래가지만 충전 용량은 현저히 감소.
- 급속충전시 전류가 크므로 충전선 길이 짧은 게 충전 속도가 빨라짐
물론 이 내용은 기본적으로 소형 리튬이온 배터리에 해당되는 내용이지만, 원리는 동일하니 최적 수치만 다를 뿐 기본적으로 자동차 배터리에도 적용할 수 있는 내용으로 생각한다. 다만 전기차 특성상 야외에 있어야 하고 보통 출퇴근을 위해 매일 사용하니 저온에서 충전량 줄여서 보관하는 것은 현실적으로 힘들 것으로 생각한다. 그리고 전문가 의견에 따르면 LFP같은 배터리는 충전 방전 프로파일이 달라서 위에서 본 10%까지 내리는 것은 잘못된 방법일 수도 있는 것으로 생각한다. 주의할 점은 여기서 말하는 충전 용량은 실제 전지의 충전 용량이지 완제품에서 사용자가 보는 충전 용량이 아니라는 점이다. 이에 관해서는 뒤쪽에서 다룰 예정이다.
어쨌거나 기본적인 내용을 알았으니 다시 과충전 문제로 돌아가 본다.
과충전 상황에서는 무슨 일이 일어나는가?
앞에서 언급했듯 충전 중에 완속을 급속으로 해서 위험한 것보다 완충 이후가 더 중요하다고 생각한다면 과충전 상황에서 어떤 위험이 발생하는지 알아본다. 예를들면 전기차를 급속충전에 물려놓고 3시간 있다 돌아온 경우 1시간만에 80~90% 충전되고 2시간째에 완충, 이후 1시간 동안 과충전 상태에 들어가는 경우를 고려한다.
과충전하면 전해액의 분해 및 가스발생으로 인한 압력 상승, 양극의 산화, 음극에 금속 리튬 생성, 발열에 의한 열분해, 최종적으로는 분리막이 녹으면서 양극과 음극이 단락되면서 열폭주
과충전하는 경우 앞의 자료 [14]에도 언급이 있다. 물론 2017년에 비해 기술이 발전해서 아래 수치보다 열분해 온도는 올라갈 수도 있지만 어쨌거나 60도 정도만 올라가도 전해질이 분해될 수 있다는 점을 알 수 있다. 이외에도 과방전, 물리적 손상, 제조 중 이물질 오염 등 다양한 이유도 다루고 있다.
검색을 좀 더 해보니 크게 전기적으로 산화 환원이 일어나는 반응과 발열에 의한 열분해 반응으로 나눌 수 있는 것 같다. 두 가지 반응은 동시에 일어난다.
다음은 가스 발생 관점에서 본 과충전이다. 전해액은 유기용매이므로 분해되면 산화탄소 및 탄화수소 계열의 유독 가스가 발생한다. 이게 배터리 압력을 높이기도 하고 발열을 일으킨다. 열과 압력이 점점 더 높아지면서 일정 수준에 도달하면 자체 발생한 열이 이 현상을 더 가속시키는 열폭주에 들어가는 것으로 이해했다.
[17] 리튬이온배터리의 특성 및 발생 가스 분석 (방재시험연구원 이준혁, 2022): https://www.kfpa.or.kr/webzine/202202/sub/disasters6.html
[18] 위 자료에서 언급한 ESSL 2020: https://doi.org/10.3390/batteries6020030
다음은 산화환원 반응 관점에서 본 과충전이다. 정상 충전될 때는 전극은 고체, 리튬 이온은 이온 상태로 전해질에 존재하고 양극에서 음극으로 이동한다. 그런데 여기서 더 이동할 리튬 이온이 없을 때까지, 즉 완충 상태까지 이동하면 이제 리튬 이온이 전기적으로 환원되어 탄소 음극쪽에 금속으로 석출된다. 이걸 덴드라이트(dendrite)라고 하는 것 같다. 더 충전하는 경우 전압에 의해 양극(아래 그림의 경우 리튬인산철)에 있던 리튬이 전기적으로 산화되면서 고체 양극이 리튬과 산소로 분해된다. 이 반응은 발열 반응이며 기체가 발생하므로 열과 압력이 증가한다. 열이 일정 이상으로 올라가고 산소가 풍부한 상황에서 전해질이 산화되면서 분해된다. 그러면 열과 가스가 더 발생하고 내부 압력에 의해 배터리에 구멍이 나면서 외부 산소와 접촉된다. 유입된 산소는 산화 및 발열 반응을 가속하면서 결국 불이 나고 열폭주에 이르게 된다.
[19] 상용 인산철 배터리에서 과충전에 의한 열폭주 및 가스방출에 충전 속도가 미치는 영향(Wang et al, J. Cleaner Production, 2024): https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.139992
실제 사진인지는 모르겠으나 덴드라이트의 형상에 관한 자료도 발견하였다.
다음은 양극에 니켈이 있는 경우의 열폭주 메커니즘이다. 인산철 배터리와 유사하게 음극 쪽에서 리튬이 석출되고, 양극이 온도에 따라 상변이를 2차례 일으키면서 발생한 산소와 이산화탄소가 음극의 리튬과 만나 열폭주를 일으킨다.
[20] 양극에 니켈이 풍부한 리튬이온배터리에서의 열폭주 메커니즘: https://doi.org/10.1002/adma.202402024
과충전 및 열폭주시 배터리 특성 변화: 배터리 온도는 몇백 도까지도 증가할 수 있음
다음은 열폭주시 전압과 온도의 관계이다. 가로축은 state of charge로 충전 퍼센트라고 보면 된다. 충전이 100%를 넘어가면 당분간은 발열 없이 전압이 점점 오르다가 5V도 넘어가고 일정 임계선에 도달하면 오히려 전압이 내려가면서 열이 급격히 오르고, 더 충전하다가 한계에 다다르면 열폭주를 일으킨다.
[20] 리튬 배터리 과충전 메커니즘 및 과충전 방지 대책: http://ko.ihtenergy.com/news/lithium-battery-overcharge-mechanism-and-anti-overcharge-measures%EF%BC%881%EF%BC%89/
다음은 가로축이 충전 퍼센트가 아니라 시간에 따른 변화를 본 그래프이며, 자료 [19]의 결과이다. 왼쪽은 충전속도가 1C인 경우, 오른쪽은 충전속도가 0.5C인 경우이다. 충전 퍼센트 100 넘어가는 구간에 대해서만 그려져 있다. 이 연구의 경우 앞의 [20]의 그래프와는 전압이나 온도 상승 양상이 다르긴 한데, 어쨌든 약 100도가 넘어가면 불이 붙고 열폭주가 시작되며, 2차 열폭주도 있는 모습을 확인할 수 있다. 0.5C 충전의 경우 2차 열폭주 없이 한 번에 불타고 끝났으며, 불은 났지만 배터리 온도는 100~200도 사이로 유지되었다. 모든 그림을 가져오진 않았지만 1C 이상의 빠른 속도로 충전하면 2번에 걸쳐서 타고 배터리 온도가 같이 수백 도까지 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
과충전과 열폭주를 요약해 보자면 100% 넘겨서 계속 충전하면 발열에 의해 열분해 및 열폭주가 일어날 수 있고 이 경우에도 충전 속도가 느리면 그나마 좀 낫다는 것을 알 수 있었다. 이쯤 했으면 이제 과충전 및 열폭주에 관해서는 충분히 알아본 것 같다. 다음으로 방전의 경우에 대해 조사해 본다.
과방전 상황에서는 무슨 일이 일어나는가? 과방전시 대책은?
물론 앞에서 방전에 대해 다뤘지만 [14]의 언급을 기준으로 특히 과방전 상태에 주목하여 다시 생각한다.
과방전시 전극의 구리막이 산화되어 분리막을 손상시킬 수 있음
방전은 충전의 역과정이므로 충전시 탄소 음극쪽으로 이동했던 리튬 이온이 양극 쪽으로 이동한다. 자료에 따르면 리튬이 충분히 빠졌는데도 더 방전되면 음극에 연결된 구리 (대충 도선이라고 봐도 될듯)가 산화되면서 전해질에 이온으로 들어가고, 분리막과 반응하여 내부 단락을 발생시킬 수 있다고 한다.
다른 자료를 보니 이 구리를 집전체(current collector)라고 하는 것 같다.
당연히 한 번 망가진 금속 집전체는 되돌리는게 사실상 불가능이므로 비가역적 열화를 일으킬 것으로 추정할 수 있다.
과방전된 경우 세류 충전을 쓰면 일반적인 충전에 도달하기 위한 조건에 보다 안전하게 도달할 수 있음. 그러나 자주 쓰면 리튬 도금을 일으킬 수 있음.
좀 더 검색해 보니 과방전시 아예 충전이 안되는 경우에 대한 자료도 찾을 수 있었다. 일반적인 정전류(CC)나 정전압(CV) 충전 말고 낮은 전류로 충전하는 세류 충전이란 걸 쓰면 된다고 한다. 다만 이렇게 하면 리튬 도금(아마 음극에 리튬 금속 생기는 현상을 의미하는듯)이 일어나서 자주 쓰지 말라고 한다.
[21] 방전된 리튬 이온 배터리를 수리하는 방법: https://www.lithiumbatterytech.com/ko/how-to-fix-a-lithium-ion-battery-that-wont-charge/
해당 자료 내용에 따르면 과방전되는 경우 운이 없으면 배터리 극성이 바뀔 수도 있다고 한다. 이 상태에서 충전기에 연결하면 충전기에서 제대로 인식을 못해서 충전이 안되거나 위험할 수 있다고 한다.
과방전되어 충전이 안 되는 경우 다른 배터리에 연결해서 전압만 맞춰주면 운 좋으면 살아날 수 있음
아마 이게 자동차 배터리에서 쓰는 일반적인 방법일 수 있다. 통상의 납 축전지에서 하던 방법인데 [21]에 따르면 전기차의 리튬 이온 배터리에도 유효한 것으로 확인했다. 보통 전압이 너무 낮으면 배터리에 연결된 충전 보호 회로가 정상 범위에서 벗어난 걸로 인식해서 충전을 막는데, 다른 배터리에 연결해서 3.0~4.2V 사이의 전압을 맞춰 주면 정상범위로 인식해서 충전이 가능해질 수 있다. 그런데 매우 조심해야 할 점은 플마 반대로 연결하면 역효과가 나서 열폭주가 일어날 수도 있다.
리튬 이온 배터리 충전 회로 및 충전 알고리즘은?
앞에서도 충전 1단계와 2단계로 다룬 적이 있지만 다시 간단하게 짚고 넘어간다. 원래는 전기차에 사용되는 전류 전압 및 충전속도, 충전방식 등에 대해서도 한번 쫙 정리하려고 했고, 전기차 이외에도 일반 전자기기 충전에 많이 쓰이는 PD 충전 프로토콜, 퀵차지 충전 프로토콜, KC인증 기준 등등도 알아보려 했으나 자세히 작성할 시간이 없어져서 링크 위주로 남긴다.
충전 알고리즘 기본: 충전준비-정전류 충전-정전압 충전-완충 검충(전류감지 등)
2008년 자료에 따르면 다음과 같고, 현재에는 충전 회로및 충전 방식이 아래보다는 훨씬 고도화되어 있을 것으로 생각한다. 어쨌든 기본이라도 아는 것이 중요하다 생각하여 간단하게 기록한다.
1. 충전 준비 (pre-charge): 충전 전에 배터리 상태 확인하는 과정. 전압을 먼저 측정하고 전압이 낮은 경우 작은 전류로 충전한다. 전압 낮을때 큰전류 쓰면 배터리 임피던스가 높아서 큰 발열이 일어날 수 있다.
2. 정전류 충전(constant current): 충전 준비과정이 끝나고 전압이 일정이상 상승하면 충전회로에 설정된 최대전류값으로 충전한다.
3. 정전압 충전(constant voltage): 배터리 전압이 4.2V에 도달하면 충전회로에서 전압을 고정하고 전류를 감소시키면서 충전한다. 이 때 전압은 1%도 흔들리지 않아야 하며, 출력 전압 설정용 저항도 1%로도 부족하고 고정밀 저항을 써야한다.
4. 완전 충전 검출: 충전 전류가 0암페어 근처인 것을 검출해서 충전을 중단한다. 전압을 안쓰고 전류를 쓰는 이유는 주변회로때문에 정확한 배터리 전압을 재기 어렵기 때문이다.
[22] 리튬 이온 전지의 충전 제어 기술(헬로티, 2008): http://magazine.hellot.net/magz/article/articleDetail.do?flag=all&showType=showType1&articleId=ARTI_000000000039453&page=1
i-매거진
리튬 이온 2차 전지의 충전 제어 기술 리튬 이온 2차 전지의 충전 제어 기술 리튬 이온 2차 전지는 체적당 에너지 밀도가 높고 휴대기기의 소형경량화와 장시간 동작의 양립을 실현하는 핵심 부
magazine.hellot.net
[23] 2차 전지 충전 방법 (로옴 반도체): https://www.rohm.co.kr/electronics-basics/battery-charge/bcm_what2
충전 방법 | 충전 제어 IC | 전자 기초 지식 | 로옴 주식회사 - ROHM Semiconductor
Home> 전자 기초 지식> 충전 제어 IC> 충전 방법 충전 제어 IC충전 방법 충전 제어 IC는 「2차전지」를 충전하는 IC로, 하기와 같은 기능을 담당합니다. ・충전 전류 · 전압 · 전력 제어 ・이상 상태
www.rohm.co.kr
전기차 충전 포트 및 충전방식 상세 비교
[24] 전기차 충전 방식 비교(비즈워치, 2023): https://news.bizwatch.co.kr/article/industry/2023/07/25/0002
전기차 충전, 알아두면 좋은 몇가지 상식들…
전기차가 늘어나면서 충전기 시장에 뛰어드는 국내 대기업들이 늘고 있습니다. 최근 정부도 관련 규제를 완화하며 전기차 충전 인프라 확대에 나섰습니다. 오는 2030년까지 전기차 충전기를 현
news.bizwatch.co.kr
[25] 전기차 충전속도, 설치유형, 충전커넥터, 차종에 따른 비교(무공해차 통합누리집, 2024): https://ev.or.kr/nportal/evcarInfo/initEvcarChargeInfoAction.do
참고로 테슬라는 별도 전용규격이 있다. 슈퍼차저 등.
[26] 전기차 충전기 비교(산체스 네이버 블로그): https://blog.naver.com/jheeya2/222585879195
전기차 충전기 KC인증 기준
과충전 보호에 관한 기준을 찾아보려고 했으나 시간이 없어서 링크만 남긴다.
전기차 충전시스템 제1부 : 일반 요구사항 (KC 61851-1)
전기차 충전시스템 제22부 : 교류 충전장치 (KC 61851-22)
전기차 충전시스템 제23부 : 직류 충전장치 (KC 61851-23)
[27] 전기차충전기 KC인증(한국기계전자시험연구원): http://www.ktc.re.kr/web_united/task/task.asp?pagen=2594
한국기계전기전자시험연구원
KC인증 접수안내 온라인고객포털 (https://cs.ktc.re.kr) (온라인고객포털은 회원가입 후 사용가능합니다) 전기차충전기 시험인증 안내자료.pdf 다운로드 관련 법령 및 표준(기술기준 등) 전기용품 및
www.ktc.re.kr
[28] 나라표준인증(전기차 충전시스템이라고 검색해야 됨): https://standard.go.kr/KSCI/standardIntro/getStandardSearchList.do?menuId=919&topMenuId=502&upperMenuId=503
국가표준 | e나라 표준인증
총 33,276 건 페이지 1/3,328 10개 20개 30개 50개 적용
standard.go.kr
USB를 통한 일반 전자기기의 충전
USB 파워 딜리버리(PD) 프로토콜
[29] USB-PD 설명(usb.org, 2024): https://www.usb.org/usb-charger-pd
USB Charger (USB Power Delivery) | USB-IF
USB has evolved from a data interface capable of supplying limited power to a primary provider of power with a data interface. Today many devices charge or get their power from USB. USB has become a ubiquitous power socket for many small devices such as ce
www.usb.org
배터리 차지 프로토콜 1.2 (2012)
CDP = charge downstream port
DCP = dedicated charging port
[29] USB PD 배터리 충전 상세스펙(USB-IF, 2019): https://www.usb.org/documents?search=Battery+Charging&category%5B%5D=49&type%5B%5D=55&items_per_page=50
Document Library | USB-IF
Search Category LegalPresentationsSpecificationToolsWhite Paper Type Cable and Connector SpecificationDevice Class SpecificationTest MatrixTest SpecificationTest ToolTest Tool Instruction Technology USB 2.0USB 3.2USB Power DeliveryUSB Type-CUSB4 Items per
www.usb.org
100W까지의 PD 예시(USB PD 3.1)
고출력을 위한 PD 확장 예시 (USB PD 3.1)
[30] USB PD 3.1 표준(usb.org, 2023): https://usb.org/document-library/usb-power-delivery
USB Power Delivery | USB-IF
usb.org
퀄컴 Quick Charge (QC) 프로토콜
기본적으로 USB PD와 동일하게 battery charge 1.2를 따른다. Qualcom 사에서 만든다. 정식 표준은 아니지만 사실상 따르는 업체가 많아서 표준처럼 됐다.
[31] QC 2.0과 3.0의 원리 (Granite River Labs, 2023): https://www.graniteriverlabs.com/ko-kr/technical-blog/qualcomm-quickcharge-qc2-qc3
Quick Charge 2.0과 Quick Charge 3.0의 원리
속도의 시대에 '퀵 차지'라는 용어에 대해 잘 알고 계실 것입니다. QC 퀵 차지 규격은 USB 인터페이스의 전원 공급 용량을 크게 늘리기 위해 Qualcomm에서 도입한 규격으로, QC 퀵 차지를 지원하는 USB
www.graniteriverlabs.com
결론
막판에 시간이 없어서 급하게 쓰느라 내용을 완전히 완성을 못했는데, 어쨌든 급속충전과 완속충전이 정확히 뭔지도 모르는 상태에서 시작했고 약 반나절 정도의 시간에 리튬 이온 배터리의 충전 및 방전에 관해서 알 수 있었다. 물론 배터리 자체 및 충전기에 각각 과충전 방지 회로 등등이 있지만 기본적으로 고속충전을 쓰는 경우 완충될 때까지는 큰 문제는 없고 완충 이후에 과충전되어 배터리 변성 및 열폭주 가능성이 높아지는 것이 가장 위험요소인 것으로 이해했다. 따라서 기왕이면 완충된 이후에 충전기를 빠르게 제거해 주어야 과충전 가능성을 원천차단할 수 있는 올바른 충전 습관인 것으로 생각했다. 이외에도 충전 및 방전의 원리에 대해 알고 나니 보이는 특징들이 있었고, 앞으로 전기차 및 전자기기 배터리 충전에 관해 좀 더 안전하게 사용할 수 있을 것 같다. 끝.
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