납축전지의 전기적 특성변수
배터리(축전지)
5. 납축전지의 전기적 특성변수
일반적으로 자동차용 축전지에는 주요한 특성값이 기호로 표시되어 있다.
형식번호는 제작사 및 적용 규격에 따라 다르나, 대부분의 규격에서 정격용량, 정격전압, 저온 방전 시험전류 등은 반드시 표기하도록 명시하고 있다.
(1) 전기 전도성-고유저항의 역수(단위 : 1/(Ωㆍm))
전기 전도성의 정의는 격자, 극판 스트랩(strap) 그리고 셀-커넥터와 같은 축전지의 내부 도체 외에, 전극 간의 전류흐름에 관여하는 도체로서 축전지의 전해액에도 적용된다. 전기 전도성이 높다는 것은 전기도체를 구성하는 해당 물질이 전류를 잘 전도한다는 것을 의미한다. 전압을 측정하고, 내부도체와 전해액에 대한 전기 전도성을 평가하여 축전지를 평가할 수 있다.
대전류-축전지 테스트에 비해, 이 테스트의 장점은 축전지를 완전히 충전시키지 않아도 되고, 축전지가 부하를 받지 않으며, 충전상태와 동시에 축전지의 노화(老化) 상태도 점검할 수 있다는 점이다.
(2) 에너지 밀도와 출력밀도
① 에너지 밀도(energy density : Energiedichte)
완전 충전된 축전지에서 방출할 수 있는 최대 전기에너지 양을 축전지의 총질량[Wh/kg] 또는 체적[Wh/ℓ]으로 나눈 값을 말한다.
② 출력 밀도(power density : Leistungsdichte)
출력밀도는, 특정 기간에 걸쳐 그리고 특정 온도에서, 방출 가능한 최대 전기출력(완전 충전된 축전지에서 규정된 전압 최저점까지)을 축전지의 총중량[W/kg] 또는 체적[W/ℓ]으로 나눈 값을 말한다.
(3) 용량(capacity : Kapazität)
완전 충전된 축전지에 얼마나 많은 전하가 들어있는지 또는 일부 방전된 축전지에서 아직 사용 가능한 전하가 얼마나 남아 있는지를 나타낸다.
축전지 용량은 방전전류, 전해액의 밀도(또는 비중)와 온도, 충전상태(노화 상태) 등에 따라 변화한다. 축전지 용량은 방전한계(셀 전압 1.75V 또는 전해액 비중 1.14)까지 방전할 수 있는 총 전기량을 말하며, Ah(ampere-hour)로 표시한다.(* 충전 시 충전 가능한 총 전기량 → 충전용량)
다음과 같은 경우에 용량이 감소한다.
① 높은 방전전류
② 기온이 낮고, 전해액의 밀도가 낮을 때
③ 축전지의 노화
④ 축전지의 손상
축전지 용량(K[Ah])과 방전전류(I[A]), 그리고 방전시간(t[h]) 사이에는 다음 식이 성립한다.
일반적으로 시동축전지의 정격용량(KN)은 전해액온도 27℃에서의 20시간 방전률(K20)로 표시한다.(DIN 72310에서는 25℃에서의 20시간 방전률)
완전 충전된 축전지가 방전한계(셀 전압 1.75V 또는 전해액 비중 1.14)까지 20시간 동안 일정한 전류로 방전할 수 있는 능력을 말한다. 측정한 용량은 정격용량의 40% 이상이어야 한다.
여기서
KN＝K20 : 정격용량[Ah]
IE : 방전전류(평균)[A]
20h : 방전시간(＝20시간)
예제1
용량 84Ah의 축전지는 전해액온도 27℃에서 4.2A를 계속해서 20시간 동안 방전할 수 있다.
[표1 전해액 온도와 방전전류에 의한 용량 변화(예)]
* 3.5K20 : 20시간률의 3.5배 전류로 방전한다는 뜻.
전해액 온도가 27℃ 이상이면 방전용량은 정격용량보다 증가한다. 그러나 어떠한 경우에도 60℃ 이상의 고온에 방치해서는 안 된다. 축전지온도가 상승하면 극판이 약화되고(작용물질의 분리, 극판격자의 부식), 자기방전(내부 방전)이 현저하게 증가한다.
전해액온도가 27℃ 이하로 낮아지면 온도가 낮아짐에 따라, 용량도 감소한다. 그 이유는 낮은 온도에서는 축전지의 전기화학작용이 느리게 진행되기 때문이다.[표 4-5 전해액 온도와 축전지 용량의 상호관계(예 : 납축전지) 참조]
[표2 전해액 온도와 축전지 용량의 상호관계(예 : 납축전지)]
표1, 2로부터 고부하, 저온상태 즉, 겨울철 시동 시에는 축전지 용량이 크게 감소함을 알 수 있다. 기온이 낮을 때는 기관의 저항은 증대되고, 반대로 축전지 용량은 감소하므로 그만큼 시동에 어려움이 따르게 된다.
[그림3 온도에 따른 축전지의 용량변화 및 기관시동에 필요한 전류]
(4) 축전지 전압
축전지 전압은 양(＋)극과 음(－)극 사이의 전위차(potential difference)이다. 측정조건 또는 작동조건에 따라 전압의 명칭도 다르고 그 값도 다르다.
① 축전지 단자전압
축전지 단자 전압 또는 줄여서 축전지 전압은 그때그때 축전지 전극에서 실제로 측정되는 전압이다. 축전지 단자 전압은 충전상태와 분극전압(polarization voltage)에 따라 넓은 범위에서 변화를 반복한다. 무부하전압은 단자전압의 특수한 경우이다.
② 무부하전압
전류소비가 없거나 전류를 공급하지 않는 상태에서 극판표면의 분극전압이 회복된 후의 전압 즉, 전류부하가 걸리지 않은, 개회로 전압(OCV ; Open Circuit Voltage)을 말한다.
무부하전압은 전해액의 밀도 외에, 축전지의 충전상태를 나타낸다. 완전 충전한 다음에 24시간이 지나서 전해액온도 25℃에서의 무부하전압이 12.5V~12.8V이면 완전 충전, 12.2V~12.5V이면 1/2 방전, 12.2V 이하이면 과방전된 상태이다.
무부하전압은 전류소비 시 또는 충전 시에 측정결과가 다르게 나타난다는 점에 유의해야 한다. 축전지 단자배선을 분리한 상태에서만 무부하전압을 정확하게 측정할 수 있다. (＋)극판에서의 표면전하 때문에 충전 후 또는 방전 후에는 최소한 6시간 동안을 기다려야 무부하전압을 정확하게 측정할 수 있다.
무부하전압을 전해액비중에 0.84를 더하여 구하기도 한다. 예를 들면 20℃에서 전해액 비중이 1.28이면 해당 셀의 무부하전압은 2.12V가 된다. 그러나 무부하 상태에서 측정한 전압 즉, 무부하전압을 축전지의 충전상태에 대한 정확한 판단기준으로 사용할 수는 없다. → 단지 축전지에 결함이 없을 경우에만 무부하전압으로 축전지의 충전상태를 판정할 수 있다.
6개의 셀이 직렬로 결선되어 있을 경우, 무부하전압은 “6×(전해액 비중＋0.84)”로 구한다.
③ 분극전압(Polarization voltage : Polarisationsspannung)
축전지의 전기화학적 현상으로서, 축전지의 단자전압과 실제 무부하전압과의 차이를 말한다.
분극전압이 발생하는 이유는 다음과 같다.
• 충전 후, 과도하게 높은 전압에 의해
• 극판에 산이 너무 많다.
• 극판에 산이 부족하다.
• 양(＋)극판의 표면전하(surface charge)
• 방전 후의 전압강하.
• 전해액에 대한 극판 한계면적의 전기적 저항
위에서 언급한 여러 가지 화학적 작용 때문에, 충전 후 처음에는 실질적인 충전상태보다 더 높은 무부하전압이 유지된다. 그 반대로 방전 후의 무부하전압은 실질적인 충전상태보다 더 낮다. 그러나 분극전압은 시간이 흐름에 따라 낮아져, 축전지의 단자전압은 무부하전압과 같아지게 된다. 산 과다와 산 부족으로 인한 분극은 전류가 흐르지 않는 상태에서 수 시간 후에 보정된다. 표면전하에 의한 분극현상은 전류가 흐르지 않는 상태에서, 수일이 지난 후에도 실질적인 충전상태보다 더 높은 충전상태를 나타낼 수도 있다.
④ 정격 전압
이론적인 전압은 두 전극에 사용된 전기화학적 반응물질에 따라 다르다.
자동차용 납축전지의 정격전압은 ‘셀(cell)당 정격전압×직렬로 결선된 셀 수’로 표시한다. 현재 사용되고 있는 납축전지의 정격전압은 셀 당 2V로서, 6개의 셀이 직렬로 연결된 경우 정격전압은 12V이다. 실제로는 축전지가 부하된 상태에서 측정한 전압만을 충전상태의 판정기준으로 활용할 수 있다.
[그림4 충/방전 시 전압과 전해액 밀도의 변화]
정격용량의 8~10%의 전류로 충전을 개시하면 전압은 2.12V까지는 급격히 상승하고, 그 이후부터는 천천히 상승한다. 이때 충전전류는 역으로 감소한다. 전압 2.4V에서 축전지는 약 80% 정도 충전상태에 도달하며, 가스가 발생하기 시작한다.[그림 4 참조] → 가스 발생 전압
비교적 다량의 물이 분해되기 시작하면 산소와 수소가 발생된다. 이 시점부터는 충전전류를 정상적인 충전전류의 1/10 수준으로 낮추어야 한다. 2.4V 이상에서는 비교적 짧은 시간 내에 2.6~2.7V에 도달하고, 더 이상 충전되지 않는다.
납축전지 전압(셀 당)
• 정격 전압 : 2V
• 방전 종지전압 : 1.75V
• 가스 발생전압 : 2.4V(＝충전전압)
• 충전 종지전압 : 2.75V
(5) 저온 방전시험 전류(Ikp)(Cold discharge current : Kälteprüfstrom) → 저온 시동능력
완전 충전된 새 축전지의 저온시동능력은 저온방전시험전류(예 : 175A)로 표시한다. 축전지의 내부저항이 증가하면(예 : 온도가 낮을 때, 축전지가 노화되었거나 손상되었을 때, 충전도가 낮을 때), 저온시동능력은 약화된다. 신품이지만 충전상태가 불량한 축전지보다는, 노화되었지만 완전 충전된 축전지의 저온시동능력이 항상 더 양호하다는 점에 유의해야 한다.
추위는 시동조건을 가혹하게 만든다. 기관의 모든 부품들은 작동이 어렵게 되고(예 : 엔진오일의 점도가 높아짐), 이와는 반대로 축전지의 성능은 낮아지기 때문이다. 저온시험전류는 －18℃에서 완전 충전된 축전지로부터 방출된다. 방전을 시작한 후, 특정 시간이 경과한 다음에 축전지 단자전압이 규정 최저값보다 낮아져서는 아니 된다.
소요시간과 방전종지전압은 시험규격에 따라 다르게 정의되어 있다. 정격전압이 12V인 시동 축전지에 대해 각 규격들에서는 다음과 같이 정의하고 있다.(시험온도 －18℃)
• EN : 10초 후, 최소한 7.5V 이상
• SAE : 30초 후, 최소한 7.2V 이상
• DIN : 30초 후, 최소한 9.0V 이상, 그리고 150초 후에 최소한 6.0V 이상
저온 방전시험 결과, 측정값이 규정값보다 낮으면, 축전지는 완전한 성능을 발휘할 수 있는 상태가 아니다. 저온시험 방전전류는 극판 수, 극판 단면적, 극판 간격 및 격리판 재질 등의 영향을 크게 받는다.
(6) 축전지 대전류 테스트(high current test of battery : Hochstrom Batterietest)
축전지 대전류 테스트는 전해액 밀도(또는 비중)를 측정할 수 없는 MF-축전지에서 주로 이용한다. 경우에 따라 축전지의 노화 정도가 너무 빠를 때, 사용 중인 축전지의 상태를 판단하는데 이용된다. 이 테스트는 실질적인 시동과정을 그대로 모사한다. 테스트 전에 축전지는 반드시 완전 충전된 상태이어야 한다. 그 다음, 실내온도에서 축전지테스터를 이용하여 축전지로부터 용량에 따라 규정된 전류로 5초 동안 방전한다. 방전을 시작한 후, 5초 후에 축전지전압이 규정값 이하로 강하되어서는 아니 된다. 규정된 최저전압은 축전지의 크기(＝용량)에 따라 다르다.
(예 : 12V 88Ah; 부하전류 300A, 최저전압 9.6V)
참고로 승용자동차 시동모터의 전류부하는 아주 짧은 시간 동안 약 400A까지 흐른다.
(7) 출력 시험(power test) → 전압강하 시험
축전지의 출력은 다음과 같이 시험한다. 완전 충전된(또는 시험해야 할) 축전지에 단시간 동안, 기동전동기의 단락전류와 비슷한 정도로 큰 부하를 가한다. 5초 후에 각 셀 전압이 1.1V 이하로 낮아져서는 안 된다.
모든 셀의 단자전압이 1.1V 이하로 낮아지면, 축전지 수명이 종료된 것으로 판정한다. 셀 간의 전압이 서로 다르면, 전압이 낮은 셀은 손상된 것으로 판정한다.
자동차용 축전지는 대부분 셀 커넥터가 외부에 노출되어 있지 않으므로, 총 전압을 측정하여 상태를 판정한다. 12V의 축전지의 경우, 5초 후에 총 전압이 6.6V 이하로 낮아지면, 수명이 다한 것으로 판정한다.
(8) 축전지의 내부저항(internal resistance : Innenwiderstand)
시동특성의 또 하나의 변수는 축전지의 내부저항(Ri)이다. 축전지와 부하회로로 구성된 전류회로에서 전류는 모든 부하의 전기저항만으로는 계산되지 않는다. 회로의 총 저항 외에 축전지의 내부저항도 고려해야 한다. 축전지의 내부저항에는 격자, 극판 스트랩, 셀-커넥터 및 전극의 고유저항이 포함된다. 그러나 작용물질의 변환 시에, 그리고 전해액에서 이온의 이동 시에 발생하는 저항이 더 중요하다. 이 이동은 격리판에 의해 억제된다. 축전지의 내부저항은 방전전류에 비례하는, 축전지의 전압강하를 통해 나타난다. 예를 들면 대전류 테스트에서 급격히 강하하는 축전지전압을 통해 확인할 수 있다. 일반적으로 내부저항은 축전지의 구조 또는 크기, 충전상태, 온도 및 축전지의 노화정도에 따라 변화한다. 특히 충전수준이 낮을수록 내부저항은 상승한다.
12V-축전지의 내부저항은 온도 －18℃, 완전충전 상태에서 Ri＝(2,100~2,400)/Ikp 정도이다. 이때 저온방전 시험전류(Ikp)의 단위는 [A]이고, 내부저항(Ri)의 단위는 [mΩ]이다.
축전지의 내부저항은 기동전류회로의 모든 저항(＝부하)이 연결된 상태에서 기동전동기를 기동속도로 회전시키면서 측정한다.
(9) 축전지 효율
기관에서와 마찬가지로 축전지에서도 에너지손실이 발생한다. 예를 들면 극판의 황산납화(sulfation)가 진행됨에 따라 효율이 저하된다. 축전지 효율은 전류효율과 에너지효율로 구분한다.
① 전류효율 → 암페어. 시간(Ah) 효율
전류효율(ηAh)은 정격용량(KN)과 충전용량(KL)의 비로 표시된다.
여기서
IE : K20에서의 방전전류[A]
IL : 충전전류[A]
tL : 충전시간[h]
온도 300K(27℃)에서 20시간률로 방전할 경우, 전류효율(Ah 효율)은 약 0.9 정도이다.
② 에너지 효율(energy efficiency) → Wh 효율
에너지 효율(ηWh)은 충전 에너지(WL)와 방전 에너지(WE)의 비로 표시된다.
여기서
UE : 방전전압[V]
IE : K20에서의 방전전류[A]
UL : 충전전압[V]
IL : 충전전류[A]
tL : 충전시간[h]
온도 300K(27℃)에서 20시간률로 방전할 경우, 에너지 효율(Wh 효율)은 약 0.75 정도이다. 그 원인은 충전전압(UL)이 방전전압(UE)의 평균값보다 훨씬 높기 때문이다.
(10) 축전지 수명
일반적으로 축전지의 수명은 최소한 250회의 충/방전 사이클을 반복할 수 있어야 하는 것으로 규정되어 있다.(예 : DIN) 이때 충/방전 사이클은 정격용량 40%의 전류로 1시간 방전하고, 정격용량 10%의 전류로 5시간 충전하는 것으로 되어 있다. 이론적으로는 사용이 가능한 용량이 정격용량의 50% 이하이면, 축전지 수명이 다한 것으로 본다.
[그림5 수명에 미치는 온도의 영향]
[그림6 방전 비율에 따른 사이클 횟수]
테스트 조건 : 17A/100Ah로 셀당 1.7V까지 방전(100%에 해당)
9A/100Ah로 충전, 충전계수 1.25, 주위온도 20℃
(11) 암전류와 파워 - 다운 모드
① 암전류(closed circuit current : Ruhestrom)
자동차를 시동을 끄고 세워놓은 상태에서 축전지로부터 방출되는 전류를 암전류라고 한다. 이 전류는 편의사양들의 제어유닛들이 준비-모드(대기-모드)에 들어가 있을 때 흐른다. 자동차의 모델 및 편의사양과 관계가 있으며, 최근의 자동차들에서는 대략 최대 50mA 정도이다.
이 때, 점화 스위치(단자 30)를 OFF한 다음, 또는 자동차 도어를 닫고 잠근 다음에도, 다수의 컨트롤유닛들은 아직 애프터-러닝(after-running) 중에 있음에 유의하여야 한다. 예를 들면, 그 시간 동안에 필요한 데이터들이 저장된다. 암전류를 초과하여 높은 전류를 흐르게 하는, 이러한 애프터-러닝 시간은 최대 약 15~16분 후면 종료된다.
이와 같은 애프터-러닝 시간이 지난 다음에, 비로소 정확한 암전류를 측정할 수 있다. 암전류 측정 시에는 간섭을 통해, 컨트롤유닛들을 다시 “깨우지” 않도록 유의해야 한다.
② 파워 - 다운 모드(power-down-mode)
자동차의 제원을 벗어나는 높은 암전류는 장기간 세워 놓은 자동차에서는 축전지의 과방전을 초래한다. 일부 컨트롤-유닛들은 자체 기능을 위해 단자 15를 스위치 OFF시키고, 단자 R을 OFF시킨 후에 수 분간에 걸친 애프터-러닝(after running) 시간을 필요로 하며, 이 시간이 경과한 다음에 자동으로 파워-다운-모드에 들어가게 된다. 그러나 시간제어식 파워-다운-명령을 이용하여 진단할 때마다, 단자 30에 연결된 진단이 가능한, 모든 ECU들에서 신속하게 암전류를 측정하기 위해 시간을 정확하게 조정할 수 있는 상태로 만들 수 있다.(일반적으로 각각의 애프터-러닝 시간(예 : 16분) 후에 측정 가능)