에너지 효율성
전기자동차의 에너지 효율성은 전기에너지의 충전과 방전 효율에 따라 정해진다. 보통 한번 충전하였을 경우 충전량의 약 70%에서 85%의 전기에너지가 실제 사용이 가능하다. 또한 충전간에 약 9.5%정도의 에너지 손실이 일어난다. 보통의 전기자동차는 이 동력 소비의 대략 20%정도는 배터리 충전의 비효율성 때문이다. 휘발유자동차의 대부분의 에너지는 열로 발산되어 없어진다. 즉, 휘발유 자동차 엔진은 열효율성이 20%밖에 안 되기 때문에 효율성이 낮다. 따라서 전기자동차의 에너지 효율성은 휘발유자동차의 에너지 효율성보다 좋고, 심지어 하이브리드 자동차의 에너지 효율성보다 뛰어나다. 그러나 에너지원으로부터 바퀴 구동까지의 에너지 효율을 따져보면 꼭 그렇지도 않다. 전기자동차가 요하는 전기는 발전소에서 만들어지는데, 발전소의 발전효율은 40%가 넘지 않고, 송전시 손실되는 에너지도 많기 때문이다.
급속 충전기는 저속충전기에 비해서 보다 월등한 장점이 몇 가지 있다. 한가지 분명한 것은 충전 시간이 짧다는 것이다. 급속 충전기가 완전 충전할 때 까지의 소요시간은 충전율 뿐만 아니라 충전상태, 배터리의 용량과 종류에 따라 달라진다. 완전 방전된 니켈 카드늄 배터리는 0.5C의 충전율로 약 2시간이면 충전이 완료된다. 1C로 하면 약 1시간이 걸린다.
완전충전이 되면, 충전기는 자동적으로 배터리의 자가방전을 보충하기 위한 trickle 충전 상태로 전환된다. 다양한 크기의 배터리를 충전할 수 있다는 점에서 급속 충전기는 저속 충전기 보다 우월하긴 하지만, 그래도 배터리의 크기와 종류에 있어서 제한이 있다.
제세한 이야기는 이곳에서...
http://myhome.hananet.net/~whatid/ba02.htm
급속충전기의 높은 충전 전류와 충전시 배터리를 모니터링 해야 한다는 점 때문에, 반드시 제조업자가 지정한 배터리만을 충전해야 한다. 최근의 급속 충전기들은 일반적으로 NiCd와 NiMH 배터리 모두를 충전할 수 있다. SLA와 리튬 이온 배터리는 니켈을 기본으로 하는 배터리와는 충전 알고리즘이 상당히 다르기 때문에, 이들 배터리까지 충전할 수 있도록 설계되지 않은 충전기로는 SLA와 리튬 이온 배터리를 충전할 수 없다. 일부 배터리 제조업자는 전자적으로 배터리 종류와 충전율을 설정할 수 있도록 코드화 하였다. 따라서 지정된 배터리가 충전기에 연결되면 충전전류와 알고리즘이 자동으로 맞춰진다.
통상, 저속 충전기 보다는 급속 충전기가 더 좋다. 저속 충전기는 배터리의 성능과 수명을 단축시키는 현상 즉, 전극 내부의 극판에 커다란 크리스탈 판을 형성시키는 것으로 알려져 있다. 하지만 급속 충전기를 사용하면서 충전하는 동안 온도 상승을 제어하지 못한다면 차라리 저속 충전기를 사용하는 것이 좋다. (역자 주: 한번 배터리를 구워버리면 성능회복은 영원히 안되기 때문이다.)
Trickle 충전시에는 배터리가 약간 미지근한 온도가 된다. 만지기에 뜨거운 정도가 되면 trickle 충전이 너무 높게 설정되어 있다는 것으로 이때는 과충전으로 인해서 배터리는 회복할 수 없는 상처를 입게 된다. 그래서 배터리를 trickle 충전상태로 일주일 이상 계속해서 놓아두는 것은 trcikle 충전전류가 올바르게 설정되었다고 해도 권할만한 일이 아니다. 혹 배터리를 항상 사용가능한 상태로 충전기에 연결해 놓아야 한다면, 반드시 매달 한번씩은 완전 방전/충전을 하는 정련(exercise cycle)을 해주어야 한다.
아래의 내용에서는 다양한 충전방법에 대해서 알아보고 충전기들의 성능을 비교해 보고자 한다. 저속충전기 보다 급속충전기가 더 좋다는 것은 거의 상식으로 되어 왔는데, 제대로 설계된 폐쇄 루프형 충전기(이 충전기는 배터리와 충전기가 서로 신호를 주고 받으며, 완전 충전상태가 되면 급속충전을 중지시킨다)는 배터리의 수명과 성능에 최고로 여겨지고 있다.
1 니켈 카드늄 (NiCd) 배터리의 충전방법
배터리 제조업자들을 새 니카드 전지를 사용하기 전에 24시간 가량 저속충전할 것을 권한다. 이 최초의 trickle 충전을 해주어야, 오래 보관하는 동안 셀의 바닥에 전해액이 침하되어 나타나는 격리판의 마른 반점을 제거하기 위해 전해액을 재분배해 줄 수 있게 된다. 뿐만 아니라 각 셀이 보관기간동안 서로 다른 수준의 자가방전을 해왔던 것을 배터리 팩 내의 각 셀을 모두 똑같은 수준의 충전 수준을 회복할 수 있도록 도와준다.
일부 제조업자들은 니카드 배터리를 만충전 해서 출하하지 않는다. 이런 배터리들이 용량을 완전히 회복하려면 사용자가 수회의 충/방전을 반복하거나 배터리 분석기(analyzer) 혹은 정상적 사용(normal use) 방법을 이용해야 한다. 많은 경우에 배터리의 완전한 용량회복을 위해서는 50에서 100회의 충/방전이 필요하다. 일부 Sanyo와 Panasonic 니카드 배터리는 단 5회 내지 7회의 충/방전만으로 완전한 용량회복이 가능하다. 초기의 용량이 달라질 수는 있지만 한번 용량이 회복되고 나면 매우 꾸준하게 유지된다.
대부분의 니카드 전지들은 한 두 시간의 급속충전이 적당하지만, 급속충전은 5℃에서 45℃ 사이에서만 이루어져야 한다. 니카드 전지가 5℃ 이하에서 충전되면, 산소 재결합 효과가 엄청나게 감소하고 전지 내부에 압력 축적이 일어난다. 때때로, 전지의 안정판이 열려서 수소가 발생할 수도 있다.
낮은 온도에서 배터리의 느린 물질대사를 보충하기 위해서는, 특히 충전의 시작과 종료시점에서 0.1C의 저충전방법을 사용해야 한다. 낮은 온도에서 충전시키는 특별한 방법이 있다. 니카드 배터리는 극히 낮은 온도에서 충전할 수 있는 유일한 상용배터리이다.
높은 온도에서 니카드 배터리의 충전능력은 급격히 떨어진다. 상온에서 충전할 때 100%가 충전되고, 45℃에서 충전될 때는 70%만을, 60℃에서 충전될 때는 45%만이 충전된다.
차량에 부착된 충전기가 더운 여름에 충전 성능이 떨어지는 이유가 바로 이것이다. 높은 온도에서 충전시키는 특별한 방법도 있다.
대부분의 재충전 셀에는 올바르게 충전되지 않을 때, 과도한 압력을 완화시켜주는 안전 배출구가 있다. 니카드의 안전 배출구는 150에서 200PSIG(자동차 타이어의 압력은 30PSIG)가 되면 열리도록 설계되어 있다. 높은 압력 상승으로 배출구가 열려서 가스가 배출될 때, 배터리에 손상이 일어나지는 않지만, 일부 전해액이 유실되거나 봉인이 약해질 수도 있다. 이런 경우에는 배출구가 열릴 때, 백색 가루가 나타나게 된다.
일부 상용 급속 충전기 중에는 배터리의 상태를 최우선적으로 고려하지 않도록 설계된 것들이 있다. 온도 감지만을 이용해서 배터리의 충전 상태를 측정하는 종류의 충전기가 특히 그렇다. 감지 서미스터(thermistor)나 온도 스위치의 허용오차가 크고, 셀에 대한 부착 위치 때문에 온도 감지라는 것은 부정확하다. 충전하는 동안 주위온도나 직사광선에 노출되는 것도 온도감지에 영향을 준다. 이런 충전기 제조업자들이 어떤 조건하에서도 완전 충전을 해내기 위해서는 배터리를 완전히 "구워"버려야 한다. 45℃이상의 온도는 배터리에 해가 되며, 반드시 피해야 한다. 특정온도, 예를 들어 50℃가 되면 충전을 중지하는 종류의 충전기는 배터리 수명을 단축시킨다.
가장 발전된 충전기는 절대온도를 측정하는 것이 아니라 셀의 온도 변화를 측정해서 완전 충전을 종료한다. 이런 종류의 충전기는 배터리에 더 좋긴 해도, 여전히 완벽한 감지를 위해서 셀에 충분한 온도 스윙(swing)을 제공해 주어야 한다.
만충전 된 배터리가 계속해서 토핑(topping) 충전되면 과충전이 발생한다. 사용할 때마다 핸드폰이나 휴대용 무전기를 충전기에서 제거해야 하는 차량용 혹은 고정용 충전기는 이것을 다시 충전기에 올려 놓을 때마다 급속 충전이 시작되기 때문에 배터리에 더욱 무리를 주게 된다.
IC 제어장치를 사용해서 배터리의 전압과 전류 혹은 다른 변수들을 감지하고 특별한 신호가 발생하면 충전을 중지시킬 수 있는 등 더욱 정확하게 만충전에 도달할 수 있다. 특별한 신호 중의 하나는 Negative Delta V(NDV)로 알려진 것으로, 만충전시에 전압이 떨어지는 경우이다.
NDV는 개방형 납산 니카드 충전기와 서미스터가 없는(혹은 필요한) 배터리 분석기에 권장되는 만충전 방법이다. 확실한 측정을 위해 충분한 전압 저하를 얻으려면 충전율이 0.5C 이상은 되어야 한다. 그리고 팩 내의 모든 셀이 충방전 특성이 같은 것끼리 잘 매치되어 있어야 한다. NDV에 의한 전압저하가 불충분하면 급속 충전상태가 계속되기 때문에 과충전으로 인해 과도한 열이 발생된다. NDV를 이용한 충전기는 어떤 조건에서도 안전하게 충전하기 위한 또다른 충전 중단 장치를 가지고 있어야 한다.
표준형 니카드의 효율적 충전 요소는 저속 충전기 보다는 급속 충전기라고 할 수 있다. 1C의 충전율에서, 일반적인 충전효율은 1.1 혹은 91%라고 말할 수 있다. 저속충전기(0.1C)는 효율이 1.4 혹은 71%로 떨어진다. 이것은 충전 에너지의 단 "1.0"부분만 배터리에 흡수되고 나머지 0.1이나 0.4 부분은 주로 열손실을 통해서 소실된다는 것이다.
1C의 충전율로 니카드가 완전 충전되는 시간은 60분이 약간 넘는다.(1.1 충전효율에서 66분이 걸림) 충전시간은 배터리가 부분적으로 방전되었거나 메모리 현상 등으로 만충전이 될 수가 없을 때 더 짧아진다. 0.1C의 충전율로 니카드의 충전시간은 14시간이 걸린다.
배터리는 충전 과정의 최초 70%에서 대부분의 에너지를 흡수하며, 배터리는 차가운 상태가 유지된다. 사실, 급속충전용으로 만들어진 니카드 배터리에는 C율의 몇 배에 이르는 전류도 적용될 수가 있다. 초급속 충전기는 이런 특별한 현상을 이용할 수가 있어서 수분안에 배터리 용량의 70%를 충전할 수가 있다. 시간만 충분히 있다면, 만충전까지 충전이 계속되지만 전류를 많이 떨어트려야 한다.
전지 용량의 70%가 충전되면, 에너지 흡수량이 점점 줄어든다. 셀이 과도한 가스를 발생시키기 시작하면 전지내의 압력과 온도가 증가한다. 충전도 점점 안되기 시작해서 만충전에 도달하면 과충전되기 시작한다.
초고용량 니카드 배터리는 1C로 충전시키면 표준 니카드 배터리 보다 열이 더 상승하는 경향이 있다. 이런 현상은 부분적으로 배터리의 내부 임피던스가 증가하기 때문에 일어나는 현상이다. 최적의 충전성능을 얻기 위해서는 충전 초기에 높은 전류를 사용하고 이후에 충전 수용도가 감소함에 따라 낮은 충전율?
완전충전이 되면, 충전기는 자동적으로 배터리의 자가방전을 보충하기 위한 trickle 충전 상태로 전환된다. 다양한 크기의 배터리를 충전할 수 있다는 점에서 급속 충전기는 저속 충전기 보다 우월하긴 하지만, 그래도 배터리의 크기와 종류에 있어서 제한이 있다.
제세한 이야기는 이곳에서...
http://myhome.hananet.net/~whatid/ba02.htm
급속충전기의 높은 충전 전류와 충전시 배터리를 모니터링 해야 한다는 점 때문에, 반드시 제조업자가 지정한 배터리만을 충전해야 한다. 최근의 급속 충전기들은 일반적으로 NiCd와 NiMH 배터리 모두를 충전할 수 있다. SLA와 리튬 이온 배터리는 니켈을 기본으로 하는 배터리와는 충전 알고리즘이 상당히 다르기 때문에, 이들 배터리까지 충전할 수 있도록 설계되지 않은 충전기로는 SLA와 리튬 이온 배터리를 충전할 수 없다. 일부 배터리 제조업자는 전자적으로 배터리 종류와 충전율을 설정할 수 있도록 코드화 하였다. 따라서 지정된 배터리가 충전기에 연결되면 충전전류와 알고리즘이 자동으로 맞춰진다.
통상, 저속 충전기 보다는 급속 충전기가 더 좋다. 저속 충전기는 배터리의 성능과 수명을 단축시키는 현상 즉, 전극 내부의 극판에 커다란 크리스탈 판을 형성시키는 것으로 알려져 있다. 하지만 급속 충전기를 사용하면서 충전하는 동안 온도 상승을 제어하지 못한다면 차라리 저속 충전기를 사용하는 것이 좋다. (역자 주: 한번 배터리를 구워버리면 성능회복은 영원히 안되기 때문이다.)
Trickle 충전시에는 배터리가 약간 미지근한 온도가 된다. 만지기에 뜨거운 정도가 되면 trickle 충전이 너무 높게 설정되어 있다는 것으로 이때는 과충전으로 인해서 배터리는 회복할 수 없는 상처를 입게 된다. 그래서 배터리를 trickle 충전상태로 일주일 이상 계속해서 놓아두는 것은 trcikle 충전전류가 올바르게 설정되었다고 해도 권할만한 일이 아니다. 혹 배터리를 항상 사용가능한 상태로 충전기에 연결해 놓아야 한다면, 반드시 매달 한번씩은 완전 방전/충전을 하는 정련(exercise cycle)을 해주어야 한다.
아래의 내용에서는 다양한 충전방법에 대해서 알아보고 충전기들의 성능을 비교해 보고자 한다. 저속충전기 보다 급속충전기가 더 좋다는 것은 거의 상식으로 되어 왔는데, 제대로 설계된 폐쇄 루프형 충전기(이 충전기는 배터리와 충전기가 서로 신호를 주고 받으며, 완전 충전상태가 되면 급속충전을 중지시킨다)는 배터리의 수명과 성능에 최고로 여겨지고 있다.
1 니켈 카드늄 (NiCd) 배터리의 충전방법
배터리 제조업자들을 새 니카드 전지를 사용하기 전에 24시간 가량 저속충전할 것을 권한다. 이 최초의 trickle 충전을 해주어야, 오래 보관하는 동안 셀의 바닥에 전해액이 침하되어 나타나는 격리판의 마른 반점을 제거하기 위해 전해액을 재분배해 줄 수 있게 된다. 뿐만 아니라 각 셀이 보관기간동안 서로 다른 수준의 자가방전을 해왔던 것을 배터리 팩 내의 각 셀을 모두 똑같은 수준의 충전 수준을 회복할 수 있도록 도와준다.
일부 제조업자들은 니카드 배터리를 만충전 해서 출하하지 않는다. 이런 배터리들이 용량을 완전히 회복하려면 사용자가 수회의 충/방전을 반복하거나 배터리 분석기(analyzer) 혹은 정상적 사용(normal use) 방법을 이용해야 한다. 많은 경우에 배터리의 완전한 용량회복을 위해서는 50에서 100회의 충/방전이 필요하다. 일부 Sanyo와 Panasonic 니카드 배터리는 단 5회 내지 7회의 충/방전만으로 완전한 용량회복이 가능하다. 초기의 용량이 달라질 수는 있지만 한번 용량이 회복되고 나면 매우 꾸준하게 유지된다.
대부분의 니카드 전지들은 한 두 시간의 급속충전이 적당하지만, 급속충전은 5℃에서 45℃ 사이에서만 이루어져야 한다. 니카드 전지가 5℃ 이하에서 충전되면, 산소 재결합 효과가 엄청나게 감소하고 전지 내부에 압력 축적이 일어난다. 때때로, 전지의 안정판이 열려서 수소가 발생할 수도 있다.
낮은 온도에서 배터리의 느린 물질대사를 보충하기 위해서는, 특히 충전의 시작과 종료시점에서 0.1C의 저충전방법을 사용해야 한다. 낮은 온도에서 충전시키는 특별한 방법이 있다. 니카드 배터리는 극히 낮은 온도에서 충전할 수 있는 유일한 상용배터리이다.
높은 온도에서 니카드 배터리의 충전능력은 급격히 떨어진다. 상온에서 충전할 때 100%가 충전되고, 45℃에서 충전될 때는 70%만을, 60℃에서 충전될 때는 45%만이 충전된다.
차량에 부착된 충전기가 더운 여름에 충전 성능이 떨어지는 이유가 바로 이것이다. 높은 온도에서 충전시키는 특별한 방법도 있다.
대부분의 재충전 셀에는 올바르게 충전되지 않을 때, 과도한 압력을 완화시켜주는 안전 배출구가 있다. 니카드의 안전 배출구는 150에서 200PSIG(자동차 타이어의 압력은 30PSIG)가 되면 열리도록 설계되어 있다. 높은 압력 상승으로 배출구가 열려서 가스가 배출될 때, 배터리에 손상이 일어나지는 않지만, 일부 전해액이 유실되거나 봉인이 약해질 수도 있다. 이런 경우에는 배출구가 열릴 때, 백색 가루가 나타나게 된다.
일부 상용 급속 충전기 중에는 배터리의 상태를 최우선적으로 고려하지 않도록 설계된 것들이 있다. 온도 감지만을 이용해서 배터리의 충전 상태를 측정하는 종류의 충전기가 특히 그렇다. 감지 서미스터(thermistor)나 온도 스위치의 허용오차가 크고, 셀에 대한 부착 위치 때문에 온도 감지라는 것은 부정확하다. 충전하는 동안 주위온도나 직사광선에 노출되는 것도 온도감지에 영향을 준다. 이런 충전기 제조업자들이 어떤 조건하에서도 완전 충전을 해내기 위해서는 배터리를 완전히 "구워"버려야 한다. 45℃이상의 온도는 배터리에 해가 되며, 반드시 피해야 한다. 특정온도, 예를 들어 50℃가 되면 충전을 중지하는 종류의 충전기는 배터리 수명을 단축시킨다.
가장 발전된 충전기는 절대온도를 측정하는 것이 아니라 셀의 온도 변화를 측정해서 완전 충전을 종료한다. 이런 종류의 충전기는 배터리에 더 좋긴 해도, 여전히 완벽한 감지를 위해서 셀에 충분한 온도 스윙(swing)을 제공해 주어야 한다.
만충전 된 배터리가 계속해서 토핑(topping) 충전되면 과충전이 발생한다. 사용할 때마다 핸드폰이나 휴대용 무전기를 충전기에서 제거해야 하는 차량용 혹은 고정용 충전기는 이것을 다시 충전기에 올려 놓을 때마다 급속 충전이 시작되기 때문에 배터리에 더욱 무리를 주게 된다.
IC 제어장치를 사용해서 배터리의 전압과 전류 혹은 다른 변수들을 감지하고 특별한 신호가 발생하면 충전을 중지시킬 수 있는 등 더욱 정확하게 만충전에 도달할 수 있다. 특별한 신호 중의 하나는 Negative Delta V(NDV)로 알려진 것으로, 만충전시에 전압이 떨어지는 경우이다.
NDV는 개방형 납산 니카드 충전기와 서미스터가 없는(혹은 필요한) 배터리 분석기에 권장되는 만충전 방법이다. 확실한 측정을 위해 충분한 전압 저하를 얻으려면 충전율이 0.5C 이상은 되어야 한다. 그리고 팩 내의 모든 셀이 충방전 특성이 같은 것끼리 잘 매치되어 있어야 한다. NDV에 의한 전압저하가 불충분하면 급속 충전상태가 계속되기 때문에 과충전으로 인해 과도한 열이 발생된다. NDV를 이용한 충전기는 어떤 조건에서도 안전하게 충전하기 위한 또다른 충전 중단 장치를 가지고 있어야 한다.
표준형 니카드의 효율적 충전 요소는 저속 충전기 보다는 급속 충전기라고 할 수 있다. 1C의 충전율에서, 일반적인 충전효율은 1.1 혹은 91%라고 말할 수 있다. 저속충전기(0.1C)는 효율이 1.4 혹은 71%로 떨어진다. 이것은 충전 에너지의 단 "1.0"부분만 배터리에 흡수되고 나머지 0.1이나 0.4 부분은 주로 열손실을 통해서 소실된다는 것이다.
1C의 충전율로 니카드가 완전 충전되는 시간은 60분이 약간 넘는다.(1.1 충전효율에서 66분이 걸림) 충전시간은 배터리가 부분적으로 방전되었거나 메모리 현상 등으로 만충전이 될 수가 없을 때 더 짧아진다. 0.1C의 충전율로 니카드의 충전시간은 14시간이 걸린다.
배터리는 충전 과정의 최초 70%에서 대부분의 에너지를 흡수하며, 배터리는 차가운 상태가 유지된다. 사실, 급속충전용으로 만들어진 니카드 배터리에는 C율의 몇 배에 이르는 전류도 적용될 수가 있다. 초급속 충전기는 이런 특별한 현상을 이용할 수가 있어서 수분안에 배터리 용량의 70%를 충전할 수가 있다. 시간만 충분히 있다면, 만충전까지 충전이 계속되지만 전류를 많이 떨어트려야 한다.
전지 용량의 70%가 충전되면, 에너지 흡수량이 점점 줄어든다. 셀이 과도한 가스를 발생시키기 시작하면 전지내의 압력과 온도가 증가한다. 충전도 점점 안되기 시작해서 만충전에 도달하면 과충전되기 시작한다.
초고용량 니카드 배터리는 1C로 충전시키면 표준 니카드 배터리 보다 열이 더 상승하는 경향이 있다. 이런 현상은 부분적으로 배터리의 내부 임피던스가 증가하기 때문에 일어나는 현상이다. 최적의 충전성능을 얻기 위해서는 충전 초기에 높은 전류를 사용하고 이후에 충전 수용도가 감소함에 따라 낮은 충전율?
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