[전자공학] 리튬 배터리 CC/CV 충전

글의 참고

- https://www.monolithicpower.com/battery-charger-fundamentals

- https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=yyg1368&logNo=60202405827 

- https://tra1.tistory.com/55

- https://m.blog.naver.com/techref/222367164090

- http://www.iwiz.pe.kr/bbs/view/dicainfo/article_16.html

- http://www.iwiz.pe.kr/bbs/view/dicainfo/article_16.html

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글의 전제

- 내가 글을 쓰다가 궁금한 점은 파란색 볼드체로 표현했다. 나도 모르기 때문에 나중에 알아봐야 할 내용이라는 뜻이다.

- 밑줄로 작성된 글은 좀 더 긴 설명이 필요해서 친 것이다. 그러므로, 밑 줄 처친 글이 이해가 안간다면 링크를 따라서 관련 내용을 공부하자.

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글의 내용

- 리튬 배터리 용어

• SOC - State Of Charge
  
  • 현재 배터리의 충전량을 최대 용량에 대한 백분율로 표현한 수치. 말 그대로 현재 충전 상태를 의미한다.
  • SOC = 잔존 배터리 용량 / 전체 용량
• DOD - Depth Of Discharge
  • 현재 배터리의 잔존 용량에 대한 백분율로 표현한 수치.

 

출처 - https://m.blog.naver.com/techref/222367164090

 

 

• SOH - State Of Health
  • 직역하면 건강상태를 의미합니다. 배터리는 사용할 수록 내부저항이 증가해 용량이 열화되는 제품인데, SOH는 그 열화량이 얼마인지를 나타내는 수치로 쉽게말해 수명을 뜻합니다.

출처 - https://tra1.tistory.com/55

 

• 위 그림을 보시면 SOH와 SOC의 차이점을 이해하실 수 있을겁니다. Degraded는 용량이 열화된 부분으로 사용할 수 없는 영역에 해당합니다. 즉, 처음 상태보다 34%가 부분은 사용을 할 수가 없으며, 현재 66%만 사용할 수 있다는 것이죠. 반면에 SOC는 열화된 상태를 기준으로 사용할 수 있는 가용 용량 최대 상태가 100%를 의미합니다.
• SOH를 계산하는 알고리즘은 여러가지가 있지만, 가장 기본적이며 정확한 방법은 직접 방전용량을 측정하는 것입니다. 배터리 만충상태에서 만방전을 할 때 까지의 전류를 계산해 방전용량을 측정하고, 공칭용량과 비율을 나타내어 계산하는 것이죠.
• 보통 리튬이온배터리는 4.2V가 만충상태이고, 2.5V가 만방상태인데 1C로 방전하여 측정합니다.  만약 배터리의 설계된 공칭용량이 2Ah이고 현재상태에서 측정한 방전용량이 1Ah라면 방전용량(1)/공칭용량(2)*100하여 50%라는 SOH값을 얻을 수 있습니다. 'SOH = 공칭용량 대비 측정용량의 비' 

 

 

 

- 리튬 배터리 용량 

• 건전지로부터 에너지를 출력하면 출력한 만큼 전지가 원래 가지고 있던 에너지량은 줄어드는 것이 당연하다. 그 전지에서 어느 정도의 에너지를 출력시키는가는 출력할 수 있는 전류와 시간을 곱한 값으로 나타내며 이것을 그 전지의 방전용량 또는 단순히 용량이라 말한다.

 

용량(C) = 끄집어내는 전류 (A) x 끄집어내는 시간(h)

 

• 단위는 Ah(Ampere Hour) 인데, 예를 들어 3Ah 용량의 전지라고 하면 1A의 전류를 3시간 또는 3A의 전류를 1시간 흘릴 수 있는 용량이 되는 셈이다. 용량이 작은 전지의 경우는 Ah로는 단위가 너무 크기 때문에 그 1/1000인 mAh를 사용하기도 한다.
  여기서 말하는 전지의 용량이란 전지가 가지고 있는 에너지 전부가 모두 소진될 때까지 출력했을 때의 양을 말하는 것은 아니다.
• 전지를 전원으로 하는 기기를 동작시키기 위해서는 기기가 필요로 하는 전류를 흘리기에 충분한 전압이 확보되지 않으면 안 된다. 전지가 기기가 원하는 전류를 공급하기 위해서는 전지가 기기보다 전위를 가져야 한다. 전류는 높은 전위에서 낮은 전위로 흐른다. 즉, 전지의 전위가 4.2V이고 기기의 전위가 2.2V라면 전지에서 기기로 전류가 흐르게 된다. 그러나 전지의 전류가 3.0V이고 기기의 전위가 3.0V라면 전위가 서로 같기 때문에 더 이상 전류는 흐르지 않게 된다. 

 

출처 - https://hellot.net/mobile/article.html?no=45008

 

• 전지에서 에너지를 출력하면 용량의 감소와 함께 기전력, 즉 전지의 전압도 저하한다. 위 그림을 보면서 이해하면 된다. 수조 A와 대전체 A에서 가지고 있는 물이나 전자는 결국 낮은 전위쪽으로 이동하기 때문에 언젠가는 그 양이 점점 줄어들게 되어 있다. 즉, 수위의 차 혹 전위의 차가 점점 줄어들게 되어 언젠가는 전류가 흐르지 않게 된다.
• 전압이 너무 저하하면 기기가 동작할 수 없게 되지만 동작 정지가 되는 전압은 기기에 따라 다르다. 이처럼 동작 정지가 되는 이 때의 전압을 방전 종지전압 이라고 한다.
• 그러므로 전지의 전압이 방전종지전압을 밑돌아도 전지에는 에너지가 남아 있는 것이다. 이때의 에너지는 기기에서는 사용할 수 없다. 디지털 카메라에서는 많은 전력을 필요로 하기 때문에 이 방전 종지전압이 높다. 따라서 사용하지 못하고 낭비되는 에너지가 많게 되는 것이다. 그렇다면 이제 건전지의 방전 특성에 대해서 알아보자.

 

 

- 리튬 배터리 방전 특성

• 아래에서 보는 바와 같이 같은 용량의 전지(`그래프 1`의 용량 C == `그래프 2`의 용량 C)라고 하더라도 방전 특성에 따라 디지털 카메라에서 사용할 수 있는 시간이 다르다. 디지털 카메라를 구동시키기 위해서 필요한 일정한 수위의 전압이 있다. <그래프 1>의 정전압 회로를 가지고 있는 리튬 이온(Li-ion) 건전지는 전압이 일정하게 유지되어서 용량의 한계까지 다 사용 가능하지만, <그래프2>의 건전지에서는 주어진 용량을 다 소모하지도 못하게 된다.

( 주. 위의 리튬 이온(Li-ion) 방전 특성은 정전압 회로를 가지고 있는 리튬 이온의 특성 그래프임. 즉, 일정한 전압을 유지할 수 있도록 해주는 회로를 지니고 있기 때문에 전지 용량이 거의 다 될 때까지 전압이 일정하게 유지됨. ) 출처 - http://www.iwiz.pe.kr/bbs/view/dicainfo/article_16.html

 

• 즉, 디지털 카메라에 전지가 전류를 지속적으로 공급하기 위해서는 전지에서 계속 전압을 유지해줘야 한다. 그런데 아래의 `그래프 1` 리튬 이온의 정전압 회로를 가진 방전 특성인데, 용량이 거의 다 될 까지 전압을 일정하게 유지한다. 그래서 `그래프 1` b 축을 `시간`으로 보고, a 축을 전압이라 보면 특정 시점에 전압이 툭 떨어지는 것을 볼 수 있다.
• 그러나 `그래프 2`의 알칼라인 전지 같은 경우는 기기에 전류를 공급하면 할 수록 a 축인 전압이 점점 떨어진다. 그래서 특정 순간(이용 한계선 == `기기와 전지의 전위차가 동일해 지는 지점`)에 도달하면 더 이상 전류를 공급하지 못한다. 이렇면 용량을 꾀나 남게된다. 즉, 이용 한계선 이후의 삼각형 부분은 이용하지도 못하고 남아있게 된다는 것이다. 따라서 디지털 카메라에서 가장 적합한 건전지는 방전 특성이 좋은 리튬 이온과 니켈 수소 건전지 등이 되겠다.

 

출처 -&nbsp;http://www.iwiz.pe.kr/bbs/view/dicainfo/article_16.html

 

• 그러나 정전압 회로의 리튬 이온 전지는 갑자기 전원이 나가 버리는 단점이 있기 때문에 사용 중 전지가 나가 버려서 경통이 나와 있는 상태에서 멈춰 버리는 경우도 발생하게 된다. 용량의 한계까지 거의 일정한 정전압으로 유지되어서 디지털 카메라에서는 건전지 용량이 아직 충분 하 다고 판단하기 때문에 나오는 결과이다.
• 그렇다면 위에서 살펴본 한가지 이유 즉, 리튬 이온 건전지의 방전 특성이 좋기 때문에 오래 사용할 수 있다고 볼 수 있을까?
  그것은 아니다. 알칼라인 건전지를 보면 용량이 평균 1500mAh 정도이다. 웬만한 니켈 수소(Ni-MH) 건전지보다 훨씬 용량이 큰 편이다. 방전 특성이 아무리 좋아도 이렇게 용량 차이가 난다면 디지털 카메라에 서의 사용 시간이 큰 차이가 없을 것 같이 보인다. 그렇다면 왜 실제로는 그렇게 차이가 나는 것일까? 이 이유는 배터리에 드레인(Drain)이라는 또 다른 특성이 있기 때문이다.

 

 

- 리튬 배터리 드레인(drain)

• 드레인이란 배터리에서 전류가 한번에 최대한 방전할 수 있는 전류의 크기를 말한다. 즉, 용량 1500mAh의 알칼라인 건전지가 0.5C의 드레인을 가지고 있다면 최대한 흐를 수 있는 전류가 750mA 정도라는 뜻이다. ( 여기서 C 는 건전지의 용량을 뜻한다.)
  용량이 같은 배터리라도 그 드레인에 따라서 0.5C에서 6C 이상까지 차이가 있다. 보통 알칼라인 건전지들은 드레인이 대부분 0.5C 정도이며 듀라셀 울트라 같은 high drain 건전지는 최고 1C까지의 성능을 보이고 있다. 니켈 수소, 리튬이온 등은 대체로 3C 이며 니켈 카드뮴은 드레인이 6C까지 올라간다.
• 보통 디지털 카메라에서 필요로 하는 전류는 700mA 정도이다. ( 초기 디지털 카메라는 저전력 설계가 되어 있지 않았기 때문에 1000mA 이상의 고전류가 필요했었지만 요즈음에는 디지털 카메라의 소형화로 저전력 설계가 필수적이기 때문에 700mA 이하의 전류로도 구동이 가능하게 되었다. )
• 그렇기 때문에 1500mAh의 알칼라인 건전지가 1400mAh 이하로 용량이 떨어지게 되면 디지털 카메라를 구동할 수가 없게 되어버린다. 즉, 1400mAh 정도의 용량을 쓰지도 못하고 버리게(?) 되어버리는 것이다. 그래서 디지털 카메라에서는 반응이 없는 건전지를 워크맨, 시계 등의 소형 가전기기들에 사용을 하게 되면 웬만큼 오래 쓸 수 있는 것이다.
• 니켈 카드뮴은 드레인이 6C까지 올라가며 대부분의 니켈 수소와 리튬 이온 배터리는 드레인이 3C 정도이다. 니켈 카드뮴은 요즘 환경 문제 때문에 많이 사용을 하고 있지 않기 때문에 알칼라인과 니켈 수소를 비교해보자.
  • 용량( C ) 1200mAh 의 니켈 수소
  • 용량( C ) 2000mAh 의 알칼라인
• 디지털 카메라에서 필요한 전류가 600mA 라고 가정해보자. ( 계산의 용이성을 위해서... ) 
  
  니켈 수소의 드레인은 3C이고 알칼라인의 드레인은 0.5C 이다.
  따라서 니켈 수소에서는 용량이 200mAh 정도로 떨어질 때까지 사용 가능하다.
  
  3C = 3 x 200 = 600 mA
  그런데 알칼라인에서는 용량이 1200mAh 정도까지만 떨어지면 사용이 불가능해진다.
  
  0.5C = 0.5 x 1200 = 600mA
  이렇게 드레인의 크기도 디지털 카메라에서 배터리 사용시간에 많은 영향을 끼친다.
  배터리의 방전 특성, 드레인의 크기 그리고 사용 환경이 주요 요소들이 되겠다.
  사용 환경으로는 건전지가 시간의 흐름에 따라 자가방전 현상이 있으며 특히 고온/다습한 곳에서의 자가방전은 가속화되므로 구매할 때는 꼭 제조일자를 확인하는 것이 좋다. 또한 저온에서는 건전지가 가진 용량을 충분히 발휘하지 못하게 되기 때문에 다른 때보다 건전지가 빨리 소모되는 걸 알 수 있다.

 

- 리튬 배터리 내부 저항 [ 참고1 ] 

: 모든 배터리안에는 `저항`이 달려있다. `저항`이란 뭔가를 막는 것을 의미한다. 배터리에서 `내부 저항`이란 충전과 방전을 방해하는 요소를 의미한다. 즉, 내부 저항이 커지면 당연히 배터리의 수명에도 크게 영향을 미치게 된다. 배터리 내부 저항에 영향을 끼치는 요소는 너무 많다. 

 

: 대표적으로 낮은 온도 같은 경우는 배터리 내부에 존재하는 전자들의 움직임을 둔화시킴으로써, 내부 저항을 증가시킨다(저항은 방해하는 요소라고 했다. 낮은 온도 또한 전자의 움직임을 막음으로써, 배터리의 충전과 방전을 방해하는 요소가 된다).

The resistance within the battery, generally different for charging and discharging, also dependent on the battery state of charge. As internal resistance increases, the battery efficiency decreases and thermal stability is reduced as more of `the charging energy is converted into heat`.

- 참고 : http://web.mit.edu/evt/summary_battery_specifications.pdf

In general, internal resistance will rise during discharge due to the active materials within the battery being used. However, the rate of change during discharge is not consistent. Battery chemistry, depth of discharge, drain rate and the age of the battery can all impact internal resistance during discharge.

`Cold temperatures` cause the electrochemical reactions that take place within the battery to slow down and will reduce ion mobility in the electrolyte. Subsequently, internal resistance will rise as ambient temperatures drops.
...

- 참고 : https://data.energizer.com/pdfs/batteryir.pdf

 

 

- 정전류 (Constant Current)

• 일정한 전류로 배터릴 충전하되, 미리 정해놓은 값에 도달하면 충전을 종료하는 방식.
• CC 충전 방식에서 고려해야 할 중요한 요소는 2가지 이다.
  • capacity utilization
  • charging time

" CC 충전에 속도에 따른 특징은 다음과 같다. 

낮은 충전 전류" 배터리양에 딱 맞게 충전이 잘 된다(high capacity utilization). CC에서 높은 전류로 충전할 경우, 만충 전압 레벨에서 조금 떨어질 수 있다. 예를 들어, 4.2V가 만충 전압이고, CC로 2A로 충전이라고 치자. 그렇면, 4.2V에 도달하면 충전이 종료된다. 이 때, 아마 충전이 종료될 때, 배터리 전압이 `4.05V ~ 4.1V` 까지 떨어질 수 도 있다. 왜냐면, 너무 높은 충전 전압은 배터리의 현재 양에 영향을 미치기 때문이다. 이러한 문제 때문에, 낮은 전압으로 오래 충전하고 배터리 양을 파악해보면, 거의 만충 전압과 동일하게 충전된 것을 확인할 수 있다. 이걸 `high capacity utilization` 라고 부른다.

높은 충전 전류 " 빠른 충전이 가능하지만, 배터리 수명이 나빠진다.

 

- 정전압 (Constant Voltage)

• 정전압은 미리 정해놓은 전압까지만 충전하는 방식이다. 예를 들어, 배터리 전압이 4.2V까지만 충전하는 방식을 의미한다. 
  • 특징
    • 전압이 일정하기 때문에 배터리가 충전됨에 따라 충전 전류는 감소하게 된다. -> 충전은 결국 전위차에 의해 발생하기 때문이다.
  • 장점
    • 정전압으로 충전하기 때문에 과전압을 막을 수 있고, 그럼으로써 배터리 수명을 연장시킬 수 있다.
  • 단점
    • 당연한 말이지만, 충전 속도가 CC보다는 느리다.

 

- 리튬 배터리 충전에 CC/CV를 쓰는 이유 ? [ 참고1 ]

: 기존에 충전 방식인 CC와 CV가 문제가 있기 때문이다. CC는 빠른 충전이 가능하지만, `high capacity utilization`가 떨어진다. 그래서 `high capacity utilization`가 좋은 CV를 CC와 합쳐서 CC/CV 충전 방식이 생겨놨다. 배터리 충전 초기에 빠른 충전 방식인 CC를 사용해서 만충 전압 레벨까지 충전한다. 만충 전압에 도달하면, CV로 전환하면 CC에서 좋지 못했던, `high capacity utilization` 문제를 해결하기 위해 CV 방식으로 충전하게 된다.

 

- 충전 방식

• CC는 `Constant Current`로 정전류를 의미한다.
• CV는 `Constatn Voltage`로 정전압을 의미한다
• 일반적인 CC/CV 충전 그래프는 다음과 같다.

 

• Pre charge : 배터리를 CC / 10의 정도로만 충전한다. 예를 들어, CC = 1A면 프리 차징은 100mA가 된다.
• Fast charge : 배터리 셀 전압이 3.0V에 이르면 정전류 단계로 진입한다. 이때는 1A 이상의 전류로 일정하게 특정 전압까지 충전을 한다. 그런데 이렇게 높은 정전류로 충전을 하게 되면 배터리의 온도가 상당히 올라간다. 그래서 대체로 0.5 ~ 1C 속도로 제한한다고 한다. 이렇게 해서 배터리의 온도가 45도 이상 올라가지 않게 만든다고 한다. 위의 검은색 그래프는 전류, 갈색 그래프는 전압을 나타낸다. 그리고 그래프의 상단에 붉은 글자로 시간상 앞에는 Constant Current라고 있고, 뒷쪽에는 Constant Voltage라고 써져 있을 것이다. CC/CV 충전의 의미는 배터리를 초기 충전시에는 정전류로 충저하고 특정 전압에 도달하면 정전압으로 충전하기 때문이다.
• Constatn Voltage : 예를 들어 보자. 

 

 

 

• 몇 개의 그래프를 보면서 더 해석해보자. 이번에는 y축에 Vbatt_reg, Vbatt_pre, Vbatt_tc 라는 값이 생겼다. 아래의 내용은 x축을 기준으로 설명한다.
  • Trickle Charge : 요놈은 사실 2가지로 쓰인다.
    • 대개 일반적으로 trickle charging은 배터리가 2.1V 아래에 경우에서의 충전을 의미한다. 
    • 완전하게 충전된 배터리는 가만히 두면 조금씩 방전을 하게 된다. 예를 들어, 우리가 스마트폰을 100% 충전하고 가만히 방치만 해도 배터리가 방전되지 않는가? 이때 트리클 차징은 딱 그 방전되는 만큼만 충전해서 배터리가 계속 100%인 상태로 만들려는 의미로 사용된다.
  • Pre-Charge
  • CC Fast Charge
  • Constant Voltage Charge
  • Safety TImer

 

- 주의점

• 높은 충전 전류는 빠른 충전이 가능하지만, 배터리의 수명이 줄어들게 된다.