배터리 충전방식 및 각 전지의 충전전류 계산방식

배터리 충전방식 및 각 전지의 충전전류 계산방식

 

 

배터리 충전방식(Charging Method)은 배터리의 수명, 안전성, 충전 속도, 효율을 좌우하는 핵심 요소입니다.

 

1. 배터리 충전의 기본 원리

배터리 충전은 외부 전원을 이용해 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하는 과정입니다.

1) 핵심 변수 3가지

① 전압 (Voltage, V)

· 배터리 내부 화학 반응을 진행시키는 구동력

② 전류 (Current, A)

· 충전 속도를 결정

③ 온도 (Temperature, °C)

· 화학 반응 안정성과 수명에 직접 영향

 

이 세 가지를 동시에 제어하는 것이 충전 기술의 본질입니다.

 

 

2. 대표적인 충전 방식 분류

1) 정전류 충전 (CC : Constant Current)

전류를 일정하게 유지하며 충전

항목	내용
특징	충전 속도 예측 가능
장점	회로 단순, 초기 충전 효율 높음
단점	과충전 위험
사용처	초기 충전 단계

단독 사용은 거의 없음 → 반드시 정전압과 병행

 

2) 정전압 충전 (CV : Constant Voltage)

전압을 일정하게 유지하고 전류는 점점 감소

항목	내용
특징	종단 충전에 적합
장점	과충전 방지
단점	초반 충전 속도 느림
사용처	리튬이온 배터리

 

3) CC-CV 충전 방식

현재 가장 널리 쓰이는 표준 방식

충전 단계

① CC 구간

· 최대 허용 전류로 빠르게 충전

② CV 구간

· 목표 전압 도달 후 전압 고정

· 전류가 서서히 감소

③ 종단 종료

· 전류가 기준 이하로 떨어지면 충전 종료

장점	단점
빠르고 안전	제어회로 복잡

 

사용 배터리

· 리튬이온(Li-ion)

· 리튬폴리머(Li-Po)

· 전기차 배터리

 

 

3. 배터리 종류별 충전 방식

1) 납산 배터리 (Lead-Acid)

① 벌크 충전 (Bulk)

· 정전류

· 약 70~80%까지 충전

② 흡수 충전 (Absorption)

· 정전압

· 내부 전극 안정화

③ 부동 충전 (Float)

· 낮은 전압 유지

· 항상 만충 상태 유지

📌 UPS, 비상전원에서 필수

 

2) 니켈계 배터리 (Ni-Cd / Ni-MH)

① 주요 특징

· 정전류 충전

· 종단 감지는 ΔV(전압 하강) 방식

감지 방식	설명
-ΔV	만충 시 전압 미세 하락
온도상승(dT/dt)	급격한 발열
타이머	보조 안전장치

과충전에 비교적 강하지만 발열 큼

 

3) 리튬이온 / 리튬폴리머

① 충전 전압 (대표값)

· 셀당 4.2V (일반)

· 고전압 셀: 4.35V

② 특징

· 과충전 매우 위험

· 반드시 BMS 보호회로 필요

항목	영향
전압 과다	폭발, 화재
고온 충전	수명 급감
저온 충전	리튬 석출 발생

 

 

4. 고급 충전 방식

1) 트리클 충전 (Trickle Charge)

· 매우 작은 전류로 지속 충전

· 자연 방전 보상 목적

· 리튬 배터리에는 금지

 

2) 펄스 충전 (Pulse Charging)

· 전류를 ON/OFF 반복 인가

· 내부 분극 완화

· 이론적 장점은 있으나 상용화 제한적

 

3) 고속 충전 (Fast / Quick Charging)

기술	개념
PD / QC	충전기-기기 협상
다단 CC-CV	단계별 전류 조절
열 기반 제어	온도 따라 전류 감소

전기차는 셀 밸런싱 + 열관리가 핵심

 

 

5. 충전 제어 핵심 요소 (BMS 관점)

1) 필수 보호 기능

· 과전압 보호 (OVP)

· 과전류 보호 (OCP)

· 과온 보호 (OTP)

· 셀 밸런싱

 

2) 충전 종료 조건

· 전류 임계값 도달

· 최대 시간 초과

· 온도 이상

 

 

6. 충전 방식 선택 시 실무 기준

반응형

기준	중요도
배터리 화학	★★★★★
사용 목적	★★★★☆
안전 규격	★★★★★
충전 시간	★★★☆☆
수명	★★★★☆

 

 

7. 배터리 충전 전류·충전 시간 계산 공식

1) 기본 개념 정리

① 배터리 용량

· 단위 : Ah (암페어시)

· 의미 : 1A를 1시간 동안 공급할 수 있는 전하량

 

예)

· 10Ah 배터리 = 1A × 10시간 = 5A × 2시간

 

② 충전 전류 (I)

· 단위: A

· 보통 배터리 용량 대비 비율로 표현 → C-rate

예)

· 10Ah 배터리에 5A 충전 → 0.5C

 

2) 가장 기본적인 충전 시간 계산 공식

이상적인 경우 (손실 무시)

 

예)

· 20Ah 배터리

· 충전 전류 4A

∴ 20÷4=5시간 (현실에서는 절대 그대로 안 됨)

 

3) 실제 충전 시간 계산

충전 손실(열, 내부저항 등)을 고려해야 함

 

① η (충전 효율)

· 납산: 0.7 ~ 0.85

· Ni-MH: 0.65 ~ 0.75

· 리튬이온: 0.9 ~ 0.95

 

② 예제 (리튬이온)

· 10Ah 배터리

· 충전전류 2A

· 효율 92%

 

4) CC–CV 충전 방식 시간 계산

충전 시간 = CC 구간 + CV 구간

 

4-1) CC 구간 (약 70~80%)

 

· Q: 배터리 용량(Ah)

· k: CC 구간 비율 (보통 0.7~0.8)

· I: 충전 전류(A)

 

4-2) CV 구간 (약 20~30%)

전류가 감소하므로 경험값 사용

 

 

① 실무 예제 (리튬이온)

· 배터리: 20Ah

· 충전 전류: 10A (0.5C)

CC 구간

 

CV 구간

 

총 충전시간

∴ 1.6 + 0.8 = 2.4시간

 

5) 충전 전류 계산 공식 (역산)

목표 충전시간이 있을 때

 

예)

· 10Ah 배터리

· 3시간 안에 충전

· 효율 90%

 

 

6) C-rate 기준 충전 전류

 

C-rate	특징
0.2C	수명 최적
0.5C	표준
1C	고속 충전
2C 이상	열·수명 저하 위험

예) 15Ah 배터리 × 0.5C = 7.5A

 

7) 전력(W) 기반 계산 (충전기 선택)

 

예)

· 12V 20Ah 배터리

· 에너지 = 240Wh

· 120W 충전기

∴ 240 ÷ 120 = 2시간 (CV 구간 포함 시 +30~40%)