납 축전지 용어 정리(lead–acid battery)

자동차 학습/전기자동차 2020. 6. 12. 07:58 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

납 축전지 용어 정리(lead–acid battery)

 

1. 가속수명시험 (accelerated life test)

실 제 의 사 용 상 태 보 다 환 경 스트레스(온도 등) 또는 적용 스트레스(전류, 전압 등)를 상승시켜 기간을 단축하는 수명시험. 가스 발생 (gassing)물이 전기분해 되어서 가스(산소, 수소)가 활발하게 발생하는 상태.

 

2. 감액특성 (characteristics of electrolyte decrease)

배터리의 전해액이 감소한 정도를 나타낸 것.

 

3. 개로전압 (open circuit voltage)

배터리가 외부 회로로부터 전기적으로 끊어진 상태에서 이 배터리의 표시 전압.

 

4. 격리 (partition)

모노 블록 전조에 서로 인접한 2 개의 단전지 사이를 칸막이한 벽

 

5. 격리판 (separator)

양극판과 음극판의 사이에 단락 방지와 간격 유지의 목적으로 수직으로 넣는 다공 또는 미세공의 박판. 격리판은 내산화성, 내약품성, 전기절연성 등이 있는데 그 상부 전해액의 확산과 이온 전도를 막지 않는 것 등의 기능을 가질 필요가 있다. 또한 전해액 유지의 기능도 가져야 하는 것이 있다.

 

6. 격자 (grid)

연 축전지의 페이스트식 극판의 활물질을 유지한 것으로 격자모양의 전류가 들어오거나 나가는 분배의 역할을 한다.

 

7. 경부하수명 (shallow cycle endurance)

시험방법에 있어서 1회의 방전심도가 10% 이하의 경부하 영역에서의 방전과 충전의 싸이클을 반복할 때의 수명.

 

8. 고율방전 (high rate discharge)

축전지의 용량에 비하여 비교적 큰 전류로 행하는 방전.

 

9. 고율방전 특성 (high rate discharge characteristics)

고율방전을 행한 경우의 방전특성

 

10. 고율방전용축전지 (high rate discharge type battery) 

고방전율을 높이도록 설계된 축전지

 

11. 공칭전압 (nominal voltage)  

배터리전압의 표시에 이용하는 전압. 일반적으로 기전력보다 약간 낮은 값을 잡는다. 예로, 납-배터리는 단전지당 2.0V, 니켈-카드뮴 배터리에는 단전지당 1.2V 이다

 

12. 과방전 (overdischarge)

배터리를 정해진 종지전압 아래까지 방전한 것.

 

13. 과충전 (overcharge)

완전 충전된 상태에 도달된 후의 충전, 물 보충을 필요로 하는 축전지에는 물의 전기 분해에 의하여 전해액이 빠르게 감소한다. 축전지는 일반적으로 필요이상의 과충전을 행하면 수명에 나쁜 영향을 미친다.

14. 과충전 수명시험 (overcharge life test)

과충전이 수명을 결정하는 중요한 인자가 되는 축전지에 있어서, 축전지의 과충전 내구력을 조사하는 시험.

 

15. 교류 (alternating : AC)

전류의 흐름이 주기적으로 크기와 방향이 바뀐다. 배터리는 교류를 이용하지 않는다.

 

16. 국부전지 (local cell)

축전지의 극판에 불순물 등이 부착되어 국부적으로 전위의 차이가 발생한 것. 자기방전의 원인 중 하나이다.

 

17. 균등전압 (mean voltage)

통전중의 축전지전압의 평균값. 정전류 방전에서는 규정 방전 종지전압에 도달할 때까지 평균값을 말하는 것이 보통이다.

 

18. 균등충전 (equalizing charge)

여러 개의 축전지를 같은 조로 하여 장시간 사용한 경우 자기방전 등으로 발생하는 충전상태의 불규칙한 산포를 없게 하고 충전상태를 균일하게 하기 위하여 행하는 충전의 방법

 

19. 극성 (polarity)

전기적으로 서로 반응하는 음양의 차이 나는 성질.

 

20. 극주 (pole)

극판군의 스트랍부에 연결되어 있는 기둥 모양의 전기도체.

 

21. 극판 (plate)

축전지의 활물질을 유지한 전극. 양극판과 음극판이 있다.

 

22. 극판군 (element)

양극판군 및 음극판군을 조립하여 격리판이나 매트류를 끼워 넣은 것.

 

23. 글라스매트 (glass mat)

글라스 섬유를 교착시켜 적층하고 바인더로 결착하여 매트로 한 것. paste식 연축전지의 양극 활물질의 탈락 방지에 이용한다.

 

24. 급속충전 (quick charge)

큰 전류로 단시간에 충전을 하는 것.

 

25. 기판(격자판) (grid)

극판의 활물질을 부착할 수 있는 지지대나 전류가 흐를수 있는 납 합금

 

26. 납 붓싱 (lead bushing)

2개의 극주 관통부에 밀착시켜 넣은 납합금 재질의 물질.

 

27. 내부단락 (internal short-circuit)

단전지의 극판군에 있어서 양극과 음극이 단락하는 현상.

 

28. 내전압시험 (dielectric voltage withstand test)

전조에 고전압을 주어 소리의 울림, 핀홀 등의 유무를 조사하는 시험.

 

29. 내진성 (earthquake-proof characteristics)

지진에 대하여 축전지가 견디는 강도.

 

30. 단락전류 (short-circuit current)

축전지의 양극 단자 사이를 단락시켰을 때에 흐르는 전류.

 

31. 단자 (terminal)

외부의 전기적 회로와 연결하는 부분. 테이퍼 단자, 볼트-너트 단자, 리드선식 단자, 리드판식 단자 등이 있다.

 

32. 단자전압 (terminal voltage)

축전지의 양쪽 단자사이의 전압. 단전지 (cell) 축전지를 구성하는 개개의 전지. 단전지의 공칭전압은 연축전지는 2V, 니켈-카드뮴 축전지는 1.2V 이다.

 

33. 단전지 전압(셀전압) (cell voltage)

단전지의 단자 전압.

 

34. 드라이-업 (dry up)

과충전 등으로 전해액이 감소하여 실제 사용에 적용이 되지 않는 현상. 내부저항의 증가가 따른다.

 

35. 만곡 (buckling)

충방전에 의해서 극판이 휘어지는 것.

 

36. 묽은황산 (dilute sulfuric acid)

진한황산을 정제수로 희석한것. 연축전지의 전해액에 사용하는 경우는 보통 비중 1.200~1.300의 것을 이용한다.

 

37. 방전 (discharge)

축전지에 충전되어 있는 전기에너지를 외부로 끄집어 내는 것.

 

38, 방전량 (discharged ampere-hour)

축전지로부터 나온 전기량. 정전류의 경우에는 그 전류값과 방전시간과의 누적으로 표시한다.

 

39. 방전심도 (depth of discharge)

축전지의 방전상태를 표시하는 수치. 일반적으로 정격용량에 비하여 방전량의 비를 나타낸다.

 

40. 방전유지시간 (discharge duration time)

축전지를 규정 종지전압까지 방전했을 때의 방전시작부터 방전 끝까지의 시간.

 

41. 방전전류 (discharge current)

방전할 때의 축전지로부터 흐르는 전류.

 

42. 방전전류밀도 (discharge current density)

극판의 단위면적당 방전전류.

 

43. 방전전압 (discharge voltage)

방전할 때의 축전지 전압.

 

44. 방전 종지비중 (specific gravity of electrolyte at the end discharge)

방전 말기의 축전지 전해액 비중

 

45. 방전 종지전압 (final voltage)

방전을 정지할 때의 축전지 단자전압. 방전전류, 극판의 종류, 축전지의 구조 등에 의하여 차이가 난다.

 

46. 방전특성 (discharge characteristics)

축전지를 방전시켰을 때의 특성(효율).

 

47. 병렬연결회로 (parallel circuit)

전류의 흐름이 한 길 이상으로 통할 수 있는 경우로 같은 극끼리 연결되어 있다. 예로 12volt 50A-hour 배터리를 두개 병렬 연결하면 12volt 100A-hour의 배터리가 되는 연결법

 

48. 방폭시험 (explosion proof test)

방폭구조의 축전지로부터 발생하는 가연성 가스(주로 충전중에 발생)가 축전지 외부의 불꽃 종류에 의해서 축전지 내부에 인화, 폭발하는지를 조사하는 시험.

 

49. 배기홀 (vent hole)

축전지 내부에 발생 가스를 배출하기 위하여 상부 윗면에 설계된 구멍.

 

50. 배출 산무량시험 (escaped acid mist test)

패이스트(paste)형 또는 실(seal)형 연축전지의 충전말기에 축전지로부터 빠져 나오는 산무의 량을 측정하는 시험.

 

51. 보수인자 (maintenance factor)

축전지를 설치하는 경우에 필요로 하는 용량(축전지의 크기)를 산출하는데 있어 사용년수와 사용조건의 변화에 의하여 축전지 용량의 변동을 보상하고 정해진 부하특성을 만족하기 위하여 사용하는 보정값.

 

52. 보 충전 (auxiliary charge)

주로 자기방전을 보충하기 위하여 행하는 충전.

 

53. 봉투식 격리판 (envelope separator)

극판을 감싸 넣는 형태의 격리판

 

54. 부스터 캐이블 (booster cable)

시동 불능에 도달한 축전지에 다른 축전지를 연결하여 엔진을 시동시키는 경우에 사용되는 연결선.

 

55. 불순물 (impurity)

축전지에 원래 함유된 필요치 않은 물질. 축전지의 성능에 악영향을 미치는 물질을 나타낸다.

 

56. 부식 (corrosion)

반응성이 강한물질과 전해질의 파괴적인 화학반응. 예로 철 표면에서 묽은 황산의 반응부하 시험기 (load tester) 전기적 부하를 사용하여 배터리로부터 전류를 끌어내는 장비로 실제적인 방전 조건에서 배터리의 능력을 표시한다.

 

57. 비중 (specific gravity : Sp. Gr.)

물의 밀도에 비교된 액체의 밀도로 전해액의 비중은 순수한 물의 동일 부피의 중량에 비교된 전해액의 중량으로 표현

 

58. 비중계 (hydrometer)

보통 유리제 비중계이다. 전해액의 비중에 의하여 비중계의 위치가 변하는 원리를 이용한 것으로 전해액을 실린더에 취해서 그 중에 뜨게 하여 비중을 측정한다.

 

59. 비중구 (specific gravity indicator)

전해액의 비중변화에 대하여 뜨는 구체. 축전지의 방전 또는 충전상태를 표시한다.

 

60. 비중조정 (adjustment of specific gravity)

완전 충전후 전해액의 비중이 규정값으로 되도록 고비중의 전해액이나 정제수를 첨가하여 조정하는 것. 이 작업은 지식과 숙련을 필요로 한다.

 

61. 산무 (acid mist)

연축전지의 충전 말기에 물의 전기분해에 의하여 발생하는 가스에 수반하여 발생하는 황산분을 함유한 것.

 

62. 부동충전 (floating charge)

정류장치에 축전지와 부하를 병렬로 연결하여 항시 축전지에 일정한 전압을 주어 이것을 충전상태로 두고 정전시 또는 부하의 변경시에 끊임없이 축전지로 부터 부하로 전력을 공급하는 방식.

 

63. 부스트충전 (boost charge)

자동차용 연축전지에는 , 시동기능을 잃어버린 축전지에 충전기를 연결 하고 , 엔진시동을 보조할때의 충전. 거치식 축전지에서는 부동충전 외에도 회복충전, 균등충전 등을 말한다.

 

64. 산소과전압 (oxygen overvoltage)

실제로 산소가 발생하는 전극전위와 평형전위와의 차이.

 

65. 상부 덮개 (top cover)

축전지의 윗면을 덮는 덮개 수소과전압 (hydrogen overvoltage) 실제로 수소가 발생하는 전극전위와 평균전위와의 차이.

 

66. 설정전압 (predetermined voltage)

정전압 충전 등 사용조건을 고려하여 정해진 충전전압.

 

67. 스텝충전 (step charge)

충전 중에 전류를 단계적으로 변형시켜 행하는 충전. 정전류 충전방법의 일종이다.

 

68. 스트랍 (strap)

같은 극성의 극판의 러그를 병렬로 용접하여 형성한 막대형의 납합금의 집전체.

 

69. 시간율 (hour rate)

축전지의 충방전 전류의 크기를 표시하는 용어. 전류 i 로 방전하고 종지전압까지의 시간이 t 시간으로 된다면 이 방전을 t 시간율 (t HR)방전으로 말하고, i 를 t시간율 방전전류라 말한다. 또한 t 분간의 경우는 t MR 로 나타내기도 한다.

 

70. 시동용 축전지 (starter battery)

 엔진을 시동하기 위하여 사용하는 전지.

 

71. 실제 용량 (actual capacity)

실제로 축전지가 가지고 있는 용량. 결정된 시간율로 방전했을 때의 용량으로, 시간율과 Ah로 표시한다.

 

72. 싸이클 수명시험 (cycle life test)

규정 전류, 온도, 시간에 대한 충방전의 반복에 의해 축전지의 수명을 조사하는 시험. 축전지의 종류, 용도 등에 의하여 여러 가지 수명시험 방법이 JIS, SAE 등으로 규격화 되어 있다.

 

73. 싸이클 써비스용 축전지 (cycle service battery)

 방전, 충전을 상호반복하여 사용하는 축전지. 대표적인 것으로는 전기차용 축전지 등이있다.

 

74. 썰페이션 (sulfation)

연축전지의 활물질이 과방전, 장기방치 등에 의하여 충전을 시켜도 원상태로 회복되기 힘든 결정성 황산납으로 되는 것. 용량이나 방전전압이 낮아지기도 하며 수명에 나쁜 영향을 미친다.

 

75. 암페어-아워 효율 (ampere-hour efficiency)

충전량에 대한 방전량의 비율을 말하며 다음 식에 의하여 산출한다.

 

 AH 효율 = (방전전류×방전시간) ÷ (충전전류×충전시간) × 100 (%)

 

76. 양극 (positive electrode)

축전지의 방전시에 외부 회로에 전류가 유출하는 음극보다 높은 전위를 갖는 전극. (+) 극 이라고도 말한다.

 

77. 양극판 (positive plate)

축전지의 방전시에 외부 회로로 전류가 유출하는 쪽의 극판. 전해액에 대한 음극판의 전위보다 높다.

 

78. 에너지 밀도 (energy density)

축전지의 단위질량 또는 단위용량당 낼 수 있는 에너지. Wh/kg, Wh/ℓ 의 단위로 표시된다.

 

79. SLI 축전지 (SLI battery)

자동차용 연축전지. SLI 는 시동(starting), 점등(lighting), 점화(ignition)의 줄임말이다.

 

80. 역충전 (reverse charge)

 극성을 반대로 하여 행하는 충전.

 

81. 연축전지 (lead-acid storage battery)

양극 활물질에 이산화납, 음극 활물질에 해면상납, 전해액에 묽은 황산을 사용한 축전지. 공칭전압은 단전지당 2.0V

 

82. 연화 (softening)

연축전지에 있어 활물질의 입자간 결합력이 충방전의 반복, 고온, 고비중 등의 사용조건에 의해서 약화되고 활물질이 연약해지는 현상.

 

83. 온도 환산 (temperature correction)

전해액 비중, 용량 등은 온도에 의해 변화하는데, 표준온도의 값으로 환산을 하는 것.

옴 (ohm) 전기회로에서 저항의 측정 단위(Ω)

 

84. 옴의 법칙 (ohm' law)

전기회로에서 전압과 전류의 관계로 다음과 같이 표현할 수 있다. V = I × R (V: 볼트, I: 전류, R: 저항)

 

85. 와트-아워 효율 (Watt-hour efficiency)

방전전력량과 충전전력량과의 비율. 다음 식에 의하여 산출한다. Wh 효 율 = ( 방 전 전 류 × 방 전 시 간 × 평 균 방 전 전 압 ) ÷ (충전전류×충전시간× 평균충전전압) × 100 (%)

 

86. 완전방전 (full discharge)

축전지를 정해진 전류로 정해진 종지전압까지 방전을 하는 것.

 

87. 완전충전 (full charge)

전체 활물질을 방전전의 상태로 되돌아 갈때까지 충전하는 것.

 

88. 용량 (battery capacity)

축전지의 전기적인 성능. 보통은 암페어-아워 용량을 의미하고 단위는 Ah로 표시하며 또는 C 로 표시되기도 한다.

 

89. 용량보존율 (charge retention rate)

용량이 안정된 축전지의 실제 용량을 A 로 하고 완전충전후의 축전지를 일정기간, 일정한 조건하에서 방치한 후의 동일조건에 의하여 잔류용량을 B 로 했을 때 다음 식에 표시된 비율. 용량보존율 = (B÷A) × 100 (%).

 

90. 용량보존특성 (charge retention)

축전지를 완전충전후에 임의의 일정조건에서 일정기간, 폐로상태에서 방치한후, 그 축전지가 보유하고 있는 용량.

 

91. 용량시험 (capacity test)

축전지를 규정전류로 규정 종지전압까지 방전하고 용량을 구하는 시험. 고율방전시험, 저율방전시험 등이 있다.

 

92. 용량환산 (capacity corrention)

축전지의 용량은 방전율, 사용온도,방전종지전압 등에 의하여 변화하는데 임의 조건에 대하여 용량에 대한 환산을 하는 것.

 

93. 용량환산인자 (capacity conversion factor)

용량환산에 사용하는 계수. 축전지의 형식, 온도 및 방전종지전압에 따라 다르다.

 

94. 용적효율 (volume energy density)

축전지의 단위 용적에 해당하는 축전지 성능. 예를 들면, Wh/ℓ, Ah/ℓ 등의 단위로 표시한다.

 

 

95. 음극 (negative electrode)

축전지의 방전시 외부회로로부터 전류가 유입하는 양극보다 낮은 전위를 갖는 전극. (-) 극 이라고도 한다.

 

96. 음극판 (negative plate)

축전지의 방전시 외부 회로를 통하여 전류가 유입하는 쪽의 극판. 전해액 속에서 양극판보다 전위가 낮다.

 

97. 음극판 첨가제 (additive reagent for negative plate)

음극판의 활물질에 성능을 개선하기 위하여 첨가하는 물질. 연축전지에는 황산바륨, 리그닌, 카본 등이 있다.

 

98. 이산화연 (lead dioxide)

연축전지의 양극 활물질. 화학기호 PbO2로 표시하며 과산화연이라 말한다.

 

99. 익스팬디드 격자 (expanded grid)

납 또는 납합금의 얇은 판으로 잘라 신장시켜 제작한 격자.

 

100. 인디케이타 (indicator)

축전지의 전해액의 위치나 충전상태를 표시하는 장치. float 식과 투시식이 있다.

 

101. 일차전지 (primary battery)

전기 에너지를 수용할 수 있으나 재충전이 불가한 배터리

 

102. 자기방전 (self discharge)

외부 회로로 전류가 흐르지 않게 되는 축전지의 용량이 감소하는 것.

 

103. 자기방전율(self discharge rate)

용량이 안정한 축전지의 실제용량을 A로 하고, 완전 충전후의 축전지를 일정시간, 일정조건에서 방치한 후의 동일한 방전조건에 의하여 남아있는 용량을 B라 했을때 다음 식에 의한 비율.

자기방전율 = (A-B) ÷ A × 100 (%)

 

104. 잔류용량 (residual capacity)

부분방전 또는 장기 보존한 후의 전지내부에 축적되어 있는 용량.

 

105. 잔류 용량계 (charge indicator of battery)

축전지의 잔류 용량을 표시하는 기계. 방전량을 표시하는 것도 있다.

 

106. 저온고율방전 (high rate discharge at low temperature)

냉 각 된 축전지에서 행하는 고율방전.

 

107. 저율방전 (low rate discharge)

축전지의 용량에 대하여 비교적 작은 전류로 행하는 방전.

 

108. 이차전지 (secondary battery)

충전에 의하여 반복 사용이 가능한 전지.

 

 

109. 저율방전특성(low rate discharge characteristics)

저율방전을 한 경우의 방전특성.

 

110. 저율방전형 축전지 (low rate discharge type battery)

저율방전 향상으로 설계된 축전지.

 

111. 저장시험 (storage test)

어떠한 규정조건에서 규정시간 저장한 임의의 전지성능을 조사하는 시험.

 

112. 저저항 격리판 (low electric resistance separator)

전기저항이 적은 격리판. 특히 고율방전 특성을 요구하는 축전지에 시용된다.

 

113. 전기량 (ampere-hour : AH)

배터리에 저장되어 있는 전기량의 단위로 전류(A)와 방전 시간(hour)의 곱으로 표현한다. 예로 5A의 전류로 20시간 방전을 할 수 있는 배터리라면 5A×20hour =100AH라고 한다.

 

114. 전기 저항 (electrical resistance)

 회로에서 전류가 자유롭게 흐를 수 있는 정도의 반대개념으로 옴으로 측정한다.

 

115. 전력 (watt)

전기적인 힘을 표현하는 단위로 전력(W) = 전류(A) × 전압(V) 전력량 (watt-hour, Hr) 전력 × 시간으로 표현된 전기적 에너지의 측정단위

 

116. 전류 (current)

전기의 흐르는 비율 혹은 도선을 따라 흐르는 전자의 흐름 비율로 보통 물의 흐름과 비유된다. 암페어(A) 전압 (volt) 전기적 전위차를 나타내는 단위 전압과 전해액과의 상관 관계

 

117. 개회로 전압 = 전해액 비중(25℃인 경우) + 0.85

 

118. 전압 강하 (voltage drop)

전기적 저항을 측정했을 때 전기적 전위의 실제적인 차이.

 

119. 전조 (container)

극판군, 전해액 등을 넣은 축전지를 형성하기 위한 내산성의 용기 또는 내알칼리성의 용기

 

120. 전해액 (electrolyte)

축전지 내부의 전기, 화학반응에 따라 이온을 전도시키는 매체. 연축전지에는 묽은 황산, 알칼리 축전지에는 일반적으로 수산화칼륨 용액이 사용된다.

 

121. 접지 (ground)

회로의 기준 전위. 자동차에 사용할 경우 배터리 케이블 중의 하나를 자동차의 몸체나 프레임에 연결시킴으로써 회로를 구성한다. 오늘날 99% 이상이 음극 터미널을 접지로써 사용한다.

 

122. 정류기 (rectifier)

정류기를 사용하여 교류전력을 직류전력으로 교환하는 장치.

 

123. 즉용식 연축전지 (dry charged lead-acid battery)

액 주입후에 초기 충전을 하지 않아도 사용가능한 연축전지. 일반적으로는 간단한 보충전을 필요로 하는 경우가 많다. 또한 보충전을 함에 따라 축전지의 성능을 처음부터 충분한 사용이 가능하다.

 

124. 정저항방전 (fixed resistance discharge)

 일정한 저항을 부하로 하여 행하는 시험. 방전이 진행하고 축전지 전압이 떨어지는데 따르는 전류는 작아지지 않는다.

 

125. 정전압 수명시험 (constant voltage life test)

충전을 정전압으로써 행하는 수명시험 방법

 

126. 정전력방전 (constant watt discharge)

일전한 전력으로 행하는 방전.

 

127. 정전류, 정전압충전 (constant voltage constant current charge)

 충전 시작은 일정한 전류로 충전을 하고 충전이 진행되어 축전지의 단자전압이 임의의 설정전압에 도달한 이후. 그 전압으로서 충전을 하는 방법.

 

128. 정전류방전 (constant current discharge)

일정한 전류로 행하는 방전.

 

129. 정전류충전 (constant current charge)

일정한 전류로 행하는 충전.

 

130. 정전압충전 (constant vlotage charge)

축전지의 단자에 가하는 전압이 일정하게 유지되는 충전.

 

131. 종지방전 (cut-off discharge)

축전지의 방전량, 방전시간 등이 어떠한 일정값에 도달했을 때에 중단하는 방전방식

 

132. 중량효율 (weight energy density)

단위 중량당 얻어진 축전지의 방전특성. 예를 들면, Wh/kg, Ah/kg 등의 단위로 표시된다.

 

133. 중부하수명 (deep cycle endurance)

수명시험 방법에 있어서 1회의 방전심도가 20% 이상의 중부하 영역에서의 방전과 충전의 싸이클을 반복했을 때의 횟수.

 

134. 직렬연결회로 (series circuit)

전류의 흐름이 한길을 통하는 경우로 양극과 음극이 연속적으로 연결된 경우, 예로 만일 12volt의 배터리가 직렬로 연결되어 있다면 24volt가 되며, 용량은 같다.

 

135. 직류 (direct current : DC)

전류의 흐름이 오직 한방향 으로 흐름. 배터리에서 방전시 직류를 방전하며, 충전시 반대 방향으로 직류를 사용해야 한다.

 

136. 진동시험 (vibration test)

축전지에 진동을 가하여 기계적 강도를 조사하는 시험.

 

137. 집합 배기구조 (collective exhaust unit)

두 쎌 이상의 발생 가스를 집합하여 축전지 외부로 한꺼번에 배출하는 구조.

 

138. 초기용량 (initial capacity)

초기의 축전지 용량. JIS 등에서는 초기용량은 정격용량의 일정값 이상이면 좋다고 규정하고 있다. (예를들면, 95%) 초충전 (initial charge) 미충전 축전지의 최고 충전. 전해액 주입후 통전하여 활물질 충분하게 활성화하는 것.

 

139. 총전압 (total voltage)

 2개 이상의 단전지를 직렬로 연결한 경우의 전체 전압.

 

140. 최대방전전류 (maximum discharge current)

변형, 외관이상, 극주의 용접절단 등을 발생하지 않는 범위에서 방전 가능한 최대전류

 

141. 축전지 (battery)

2개의 다른 전극과 1개의 도전성 물질로 구성되어, 그것에 의하여 화학적 에너지와 전기적 에너지가 상호 교환하는 계(system). 일반적으로 2차전지라 말한다.

 

142. 축전지 내부압 (internal cell pressure)

축전지의 내부 압력. 전해액 성분의 전기분해에 의하여 가스발생과 음극판에서의 산소가스의 흡수 등에 의한 축전지내부의 압력이 변화한다.

 

143. 출력밀도 (power density)

단위 중량당 얻어진 축전지의 출력. 예를 들면, W/kg 등의 단위로 표시된다.

 

144. 충방전횟수 (cycle number)

 충전방전을 반복하는 경우의 충방전 횟수. 1회 충전, 1회 방전을 1 회(싸이클)로 한다.

 

145. 충전 (charge)

 축전지에 외부 회로로부터 직류를 공급하고 극판 활물질을 화학 변화시켜서 축전지 내부에 전기에너지를 화학에너지로서 축적하는 일.

 

146. 충전기 (battery charger)

 축전지의 충전에 편리하도록 사용 되는 정류기. 정류장치라 말한다.

 

147. 충전량 (charged ampere-hour)

 충전에 사용되는 전기량. 정전류충전의 경우에는 그 전류값과 충전시간의 누적으로 된다. 단위는 암페어-아워(Ah)

 

148. 충전말기 전압 (end-of-charge voltage)

 충전 말기에 통전 상태에 있는 축전지의 전압.

 

149. 충전부족 (poor charged state)

충분히 충전시키지 않은 상태. 항상 충전 부족상태로 되어 있으면 수명이 단축된다.

 

150. 충전 상태 (state of charge)

 배터리에 저장된 전기적 에너지의 양으로 주어진 시간에서 만충전상태를 %단위로 표현

 

151. 충전수입성 시험 (charge acceptance test)

 방전된 축전지가 얼마나 충전될 수 있는가를 조사하는 시험.

 

152. 충전전류 (charge current)

 충전중에 흐르는 전류. 정전류 충전의 경우 항시 일정한 전류가 흐른다. 정전 압충전의 경우에는 충전의 진행에 따라 전류값이 작아지게 된다.

 

153. 충전전압 (charge voltage)

 충전중의 축전지 전압.

 

154. 충전특성 (charge characteristics)

충전시의 전류, 전압, 시간 등의 관계

 

155. 충전효율 (charge efficiency)

암페어-아워 효율과 와트-아워 효율과의 총칭. 암페어-아워 효율의 의미로 사용하는 경우가 많다.

 

156. 측면터미날 (side terminal)

축전지의 측면부위에 설계된 단자. 자동차용 축전지 일부에 사용되고 있다.

 

157. 트리클 충전 (tricle charge)

축전지의 자기방전을 보충하기 위하여 부하로부터 떼어노은 상태에서 끊임없이 미세한 전류로 행하는 충전.

 

158. 파이럿-쎌 (pilot cell)

전지 성능시험 등으로 배터리를 대표하는 단전지.

 

159. 패이스트식 연축전지 (pasted type lead-acid battery)

 양극, 음극에 패이스트식 극판을 사용한 연축전지.

 

160. 폐로전압 (on-load voltage)

축전지에 부하를 연결하여 방전시키고 있을 때의 전압.

 

161. 폭발한계 (explosion limit)

폭발이 일어나기 위해서 필요한 가스농도, 압력 등의 한계. 예로서 수소 공기의 혼합기체에는 폭발 하한선의 수소농도는 4~9% 정도로 알려 있다.

 

162. 형식(designation)

형식 또는 명칭외에 축전지 갯수 등 필요한 사항을 포함하는 것. 따라서 조전지의 종류 등을 동시에 표시하는 것도 좋다.

 

163. 하이브리드 배터리 (hybrid battery)

극판 격자합금이 양극과 음극이 다른 연축전지., 예를 들면 양극격자는 Pb-Sb계 합금, 음극격자는 Pb-Ca계 합금을 사용하는 자동차용 연축전지.

 

164. 해면상납 (spongy lead)

다공성으로 생성된 납으로 연축전지의 음극판의 활물질은 해면상납으로 불린다.

 

 

165. 허용 최저전압 (allowable minimum voltage)

부하쪽에 기계가 요구하는 최저 전압값으로 전지와 부하의 사이에 연결선 등의 전압강하를 가하는 전압.

 

166. 화성 (formation)

극판을 적당한 전해액 속에서 전해시킨 양극판, 음극판에 각 극성을 갖게 하는것. 연축전지에는 건조시킨 극판을 희황산 속에서 전해시키고 산화 및 환원에 의하여 양극판의 납산화물을 이산화연, 음극판을 해면상 납으로 변화시킨다.

 

167. 활물질 (active material)

전극의 전기화학 반응물질. 연축전지의 경우 양극의 이산화납, 음극의 해면상납.

 

168. 활물질의 이론용량 (theoretical capacity of active material)

활물질량에 대한 이론적인 용량. 예로서 연축전지에서 음극 활물질(Pb) 3.866g, 양극 활물질(PbO2) 4.463g 의 이론용량은 1Ah 이다.

 

169. 활물질의 이용율 (active material utilization)

전체 활물질 질량에 대하여 실제로 방전반응에 참여한 활물질 질량의 비율 또는 이론용량에 대한 실제용량의 비율.

 

170. 회로 (circuit)

전자의 흐름 통로, 폐회로인 경우는 전자의 흐름이 가능한 경우나 개회인 경우는 절단되거나 연결이 되지 않은 경우이다.

 

171. 회복충전 (recovering charge)

방전된 축전지를 다음 방전을 위하여 용량이 회복될 때까지 충전을 하는 것.

 

172. 회전 (cycle)

배터리에서 한번 방전 그리고 한번 충전을 1회전 혹은 1사이클(cycle)이라 한다.

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LIC(리튬이온 캐패시터) 전지

자동차 학습/전기자동차 2020. 5. 26. 08:29 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

LIC(리튬이온 캐패시터) 전지

1. 전지의 개요

 리튬이온 캐패시터(LIC : Lithium-ion Capacitor)는 전기이중층 캐패시터(EDIC : Electric Double Layer Capacitor)와 리튬이온 2차 전지(LIB)의 특징을 겸비하는 하이브리드 캐패시터(Hybrid Capacitor)이며, 고 에너지 밀도, 신뢰성, 긴수명, 안정성으로 인해 활발하게 진행되고 있다.

 리튬이온 캐패시터란 음극에 리튬 첨가 가능한 탄소계 재료를 이용하고, 양극에서는 통상의 전기이중층 콘데서에 이용되고 있는 활성탄, 혹은 폴리머계 유기 반도체 등의 캐패시터 재료를 이용한 하이브리드 캐패시터이다. 음극에 전기적으로 접속된 금속 리튬이 전해액의 주액과 동시에 국부 전지를 형성해, 음극의 탄소계 재료에 리튬이온으로서 첨가가 시작힌다.

 첨가가 완료되며 음극의 전위는 개략 리튬의 전위가 되어, 리튬이온 캐패시터는 충전 전의 초기 전압으로서 3V 미만의 전압을 가진다. 따라서 통상의 전기이중층 콘덴서와의 충방전 전위를 비교하면, 양극의 전위를 너무 높게 설정하지 않아도, 고전압을 얻을 수 있어 이것이 결과적으로 신뢰성 향상의 한 요인이다.

 리튬이온 전지는 값이 비싸고, 충방전 속도(출력밀도)가 충분하지 않으며, 충방전 반복에 의한 열화가 문제이다. 특히 충전에 시간이 많이 걸리는 문제는 가장 큰 난제이다. 이를 획기적으로 개선 할 수 있을 것으로 기대되는 새로운 전지가 부상하고 있다. 지금까지 무정전 비상전원 장치에 사용되어 온 리튬이온 캐패시터이며, 부품기술이나 재료 기술의 발전에 따른 것이다.

리튬이온 캐패시터 구조(출처: LIC 삼신 디바이스)

 리튬이온 캐패서터는 전기이중층 캐패시터라고 하는 축전 부품과 리튬이온 2차 전지를 조합한 하이브리드 구조이다. 전기 이중층 캐패시터의 정극(+)과 리튬이온 2차전지의 부극(-)을 연결한 것이다.

전기이중층 캐패시터는 전극 표면에 이온이 접근해서 만들어지는 전기 2중층을 캐패시터(콘덴서)로서 이용하는 것이며, 충방전이 아주 빠르지만(출력밀도가 높지만), 에너지 밀도는 낮다. 그래서 부극(-)을 치환함으로써 출력밀도와 충방전 반복 가능횟수를 리튬이온 2차 전지에 비해 한 자리수 이상 개선하고, 에너지 밀도를 전기이중층 캐패시터의 몇 배 이상으로 높여서 리튬이온 전지와 비슷한 성능을 지닌다.

 유망한 전지로는 리튬이온 전지가 있다. 이 리튬이온 전지에 비해 리튬이온 캐패시터는 순간적으로 커다란 에너지를 얻을 수 있기 때문에 순간 전압저하 보상장치 등 산업용 장비에 사용되고 있다.

LIC 응용 분야

 리튬이온 캐패시터는 특징을 살려서 태양광 발전 등의 자연 에너지와 조합으로 생태계 및 장수명화에서 환경 부하 저감으로의 공헌을 기대할 수 있는 장치이다.

 또한 박형은 비접촉 충전 등의 급속 간이충전 시스템과 조합 및 자연 에너지 충전에 의한 소형 모바일 기기, 통신 기기 등에 적용할 수 있다.

일본 ACT사 리튬이온 캐패시터 전지

 응용 분야는

① 급속 충전, 경량, 저자기 방전의 특징을 민생 기기용 전원

② 미터 통신& 검침 System

③ 태양전지, 풍력발전과 조합한 축전 장치(가로등, 소형 LED 조명등)

④ 에너지 절약 기기의 보조 전원(복사기 급속가열, 프로젝트 등)

⑤ 자동차 전자 제어 관련(idling-stop devices, drive recorders, brakes-by wire ) 등에 일부 실용화 되어 사용되고 있다.

2. 리튬이온 캐패시터의 전지의 장단점

표 리튬이온 캐패시터 전지의 장단점

리튬이온의 단점

- 값이 비싸다.

- 충방전 속도(출력밀도)가 불충분

- 충방전 반속에 의한 열화 문제

- 특히 충전에 시간이 많이 걸리는 문제

- 충방전 횟수는 1000~2000번이 한계

- 메일 충방전을 반복하는 경우 3년 정도면 수명이 끝남

- 리튬은 철이나 알루미늄에 비해 채굴량이 많이 않은 희귀금속(희토류금속)에 속한다. 게다가 생산의 대부분을 중국에 의존하고 있으며, 미래에도 자원의 장기적 확보가 어렵다.

리튬이온 캐패시터 장점

- 전기이중층 캐패시터라고 하는 축전부품과 리튬이온 2차 전지를 조합한 하이브리드 구조의 전지

- 무정전 비상전원장치에 사용

- 100~200만 번 충방전이 가능하므로 수명은 반영구적

- 단자간의 전압으로부터 에너지 잔량을 정확히 측정할 수 있는 이점

- 50센티미터~1미터의 거리를 송수신 안테나가 상당히 떨어져 있어도 송전할 수 있다.

리튬이온 캐패시터의 단점

- 에너지 밀도가 낮다.

- 1회 충전하고 시속 40km로 주행하면 10~20분 정도에 전기에너지가 소진된다. 대안으로 무선급전으로 전기를 공급하면 된다.

LIC(Lithium Ion Capacitor) 비교

이차전원

전기이중층커패시터(EDLC)

리튬이온커패시터(LIC)

리튬이온전지(LIB)

정극(+)

활성탄

활성탄

리튬메탈옥사이드

부극 (-)

활성탄

흑연계탄소

흑연계탄소

에너지밀도

Low

Medium

High

출력밀도

High

Medium

Low

신뢰성

High

Medium

Low

전압

~ 3.0V

3.8V

4.2

 

 

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Ni-Zn(니켈아연 전지)

자동차 학습/전기자동차 2020. 5. 25. 14:01 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

Ni-Zn(니켈아연 전지)

 Zn/Ni 전지는 1901년경 러시아인 Mikhailouski가 특허를 출원한 이후 독일에서는 1930년에 들어 이를 전기자동차용으로 사용하기 위한 연구개발이 진행되었다.

 2Hi(OH)2(s) + Zn(OH)2(s) 2Ni (OH)3(s) + Zn

(−) electrode:  Zn + 4 OH− ⇌ Zn(OH)42− + 2e− (E0 = −1.2 V/SHE )
Electrolyte: KOH
Zn(OH)42− ⇌ Zn(OH)2 + 2OH−
Zn(OH)2 ⇌ ZnO + H2O
(+) electrode:  2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 e− ⇌ 2 Ni(OH)2 + 2 OH− (E0 = +0.50 V/SHE)
Overall reaction:  Zn + 2 NiO(OH) + H2O ⇌ ZnO + 2 Ni(OH)2
Parasitic reaction:  Zn + 2 H2O → Zn(OH)2 + H2

 그러나 1950년대에 이르기까지 실용화된 기록이 없다가 1960년대에 접어들면서 유럽 및 미국에서 연구가 활발하게 진행되었다.

니켈아연 전지의 특징

① 에너지 밀도가 45~65 Wh/kg으로 납축전지보다 높다

② 가격은 Ni-Cd 전지 대비 저렴하다

③ 충전량은 방전량의 110% 이내여서 충분하다

④ 충전 상태나 방전 상태에서도 장시간의 보존이 가능하여 유지보수가 간단하다

⑤ 내진동성, 내충격성 등이 우수하다.

 그러나 에너지 밀도가 높더라도 납축전지와의 차이가 적기 때문에 1 충전 주행 거리를 획기적으로 확장하기는 어렵고, 아연 전극의 수명이 짧다는 단점도 있다. 따라서 미래의 전기자동차 전원으로 사용하기 위해서는 대폭적인 수명 성능의 향상이 필요하다.

 

찻대 전지, 니켈-아연 전지

 높은 에너지 밀도와 높은 비율의 방전이 가능하나 우수한 성능로 인해 많은 종류의 알카리 전지에서 아연이 사용되는데, 그 중에서 전기 자동차용 2차 전지로서 니켈-아연 전지의 활용 가능성이 가장 크다. 그러나 충전 반응 시 일어나는 아연 전극에서의 불균일한 조직형성 때문에 누전과 수차례 충방전을 반복하면서 발생하는 전극 변형에 의한 전지용량 감소가 초래되어 전지의 수명이 200~300회 정도에 불과해서 아직까지 상용화에는 어려움이 있다.

 니켈-아연 전지는 전극에 따라 다소 제조과정이 다르다. 먼저, 양극에 해당하는 니켈전극은 일반적으로 소결식으로 제조되는데, 이 방법은 니켈 집전체 위에 부피비로 75~80%에 달하는 기공을 갖는 Ni 소형판을 소결방법으로 제조한 후, Ni(NO3)2를 함침하여 Ni(OH)2 활물질을 생성시키고 나서 충방전을 통한 화성공정을 거쳐 전극으로 제조한다.

 음극 전극의 경우, 아연산화물 분말을 주성분으로 하여 아연금속 분말과 몇 가지 첨가제를 혼합하여 집전체에 도포하는데, 도포하는 방법으로는 건식법으로 해야 전극에서 발생하는 산소의 발생전위를 높을 수 있다. 다음, 내알카리성을 갖는 금속이 전착도금 된 구리 집전체 위에 활성물질과 첨가제가 혼합된 분말을 가압 성형함으로써 전극이 제조된다.

 전지의 수명에 영향을 미치는 요인 중의 하나인 분리판은 각종 재질과 구조가 이용되는데, 알카리에 강한 종이, 유기질 다공성 박막 등 3중 구조로 이루어져 있다. 수명에 중대한 또 한가지 요인인 전해액은 일반적으로 25~35% 수산화칼륨 용액이나, 여기에 수산화리튬 용액을 혼합하여 사용한다.

 니켈-아연 전지는 전기자동차용으로 많은 가능성을 지니고 있다. 또한 높은 출력과 에너지 밀도, 낮은 가격, 안정성, 원료 및 제조 공정의 무공해성 등 전기자동차용 전지가 갖추어야 할 성능을 갖추고 있으므로 그 수명 특성을 개선 할 경우 전지의 가격과 더불어 성능을 비교하면 니켈-금속수소화합물, 나트륨-황 등의 여타 전지들과 경쟁이 가능할 것이다. 결국 니켈-아연 전지의 실용화를 앞당김으로써 가까운 장래에 환경오염 및 에너지고갈 문제를 완전 해결한 전기자동차가 실용화 될 수가 있다.

 

 

 

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납축 전지

자동차 학습/전기자동차 2020. 5. 21. 14:03 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

납축 전지

 자동차 내연기관에 사용되고 있는 전지는 납산 전지와 알카리 전지의 두 종류가 있으나, 대부분 납산 전지를 사용하고 있다. 알카리 전지는 납 전지에 비해 과다 충방전에 견디고 수명이 길다. 그러나 원료의 공급 등에 제한을 받고 값이 비싸다는 단점이 있다.

 납축전지는 전극으로 납을 사용하기 때문에 전지의 중량이 무겁고, 에너지 밀도는 2차 세계 대전 중에 약 20 Wh/kg 전후였으나, 종전 후에는 재료 혁명의 영향으로 성능, 수명이 크게 발전하여 지금도 자동차 및 기타 산업의 시동용 전지로 많이 사용되고 또한 성능향상이 이루어 지고 있다. 현재 전기자동차용 납축전지의 에너지 밀도는 약 40 Wh/kg(5 HR)이고, 대전류 방전에 있어서도 비교적 양호한 특성을 보여주고 있다. 영국에서의 우유 배달차 전원으로 사용되는 납축전지의 에너지 밀도는 25 Wh/kg 전후로 상당히 낮은 편이다. 그러나 영국은 일정 반경에서만 사용하는 제한적 주행거리에는 에너지 밀도도 충분하고, 전지의 수명은 약 4년간 보증하여 사용하고 있다.

 현재 사용되고 있는 전지 중인 납축전지는 가장 저렴하여 전기자동차의 전원으로 사용될 경우 엔진차에 비교적 저렴한 가격으로 유지할 수 있는 장점이 있다. 또한 폐전지로부터 납의 회수가 용이한 장점이 있다.

 그러나 에너지 밀도가 낮은 40 Wh/kg 전후의 전지를 탑재할 경우 전기자동차의 1충전 주행거리는 연속주행에서 약 100 km 전후이고, 도시 내에서 GO/STOP의 반복으로 인해 이의 약 1/2 또는 그 이하의 주행거리로 감소한다. 물론 이 정도의 주행 거리로 용도에 따라 실용성이 있으나, 광범위한 목적으로 활용하기 위해서는 에너지 밀도를 높이지 않으면 안된다.

 납축전지의 또한 단점으로는 방전 후의 충전에 통상 6~8시간의 상당히 긴 시간이 요구되는 것이다. 효과적인 충전을 하기 위해서는 저렴하고 신뢰도가 높은 충전기의 제어기구가 개발되어야 하며, 이를 개발하기 위해서는 보다 많은 연구 개발이 필요하다. 향후 전지의 액보충 횟수를 줄이거나, 전지의 밀폐화로 액보충을 없애는 방안, 충방전량을 알려주는 지시계의 개발, 전지에 관한 유지 관리의 간소화를 위한 성능 향상 연구가 추진되어야 할 것이다.

납축전지

1) 납 전지

양극판 : 과산화납(PbO2, 다갈색)

음극판 : 해면상납(Pb, 순납)

전해액 : 비중 1.2~1.3 정도의 묽은 황산(2H2SO4)

셀당 기전력 : 2.1[V]

2) 알카리 전지

양극판 : 수산화 제2니켈(ZLI(CH)3) à수산화니켈(ZLI(CH)2)

음극판 : 카드뮴(Cd)à수산화 카드뮴(Cd(OH)2)

전해액 : 수산화알카리 용액(KOH)

 양극에 수산화 제2니켈, 음극에 카드뮴, 전해액으로는 알카리 용액을 사용한 것이 널리 사용되고 있다. 기전력은 약 1.2V이다. 알카리 전지의 특징은 진동에 견디며 자기방전이 적고 평균수명이 길고 넓은 온도 범위에서 사용할 수 있다.

[1] 전지의 구조와 작용

 현재 납산 전지의 구조는 아래와 같으며, 여러 개의 단전지(Cell)로 이루어진 케이스가 있고, 각 단전지마다 양극판과 음극판, 격리판 및 전해액이 들어 있다. 또한 양극판은 음극판보다 적용이 활발하여 쉽게 파손되므로 화학적인 평형을 고려해서 음극판을 한 장 더 많이 둔다.

 

납전지의 4대 구성 요소

1) 양극(cathode) : 외부 도선으로부터 전자를 받아 양극 활물질이 환원되는 전극

2) 음극(anode) : 음극 활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극

3) 전해질(electrolyte) : 양극의 환원 반응, 음극이 산화반응이 화학적 구조를 조화를 이루도록

                      물질이동이 일어나는 매체

4) 분리막(separator) : 양극과 음극의 직접적인 물리적 접촉 방지를 위한 격리막

 1) 극판(plate)

 아래와 그림과 같이 납과 안티몬 합금의 격자 속에 납 산화물의 분말을 묽은 황산으로 반죽(paste)하여 붙인 상태로 만든 것을 충전하여 건조시킨 후 전기 화학처리를 하면 양극판은 다갈색의 과산화납(PbO2)으로, 음극판은 해면상납의 작용물질로 변한다.

 극판의 두께는 2[mm] 또는 3[mm] 정도의 얇은 극판도 만들어지고 있다.

2) 격리판(separator)

격리판의 기능은 음양극판 사이에 끼워져 단락을 방지한다. 그 종류에는 강화섬유 격리판, 비공석 고무 격리판, 합성수지 격리판이 있다. 또한 이 격리판(separator)은 부도체이며, 전해액이 자유로이 확산할 수 있도록 다공성이어야 하면, 또 내산성과 내진성이 우수해야 한다. 또한 격리판의 설치는 화학작용을 원활하게 하기 위하여 주름진 쪽이 양극판(+극판 : positive plate)쪽을 가게 한다. 홈이 있는 면이 양극판 쪽으로 끼워져 있고, 단독 또는 글래스 매트(glass mat)와 함께 사용한다. 글래스 매트는 양극판의 양면에 끼워져 어떤 일정 압력으로 눌러 진동에 약한 작용물질이 떨어지는 것을 방지한다(글래스 매트: 유리 섬유판)

납축전지 격리판

 3) 유리 매트(glass mat)

 양극판의 작용물질은 진동에 약하여 떨어져 나가기 쉬우므로, 이것을 방지하여 전지의 수명을 길게 할 목적으로 유리 섬유의 매트로 양 극판의 양쪽에서 작용 물질을 누르듯이 끼워 놓는다.

 4) 극판군(plate group)

 극판군은 여러 장의 극판을 그림과 같이 조립하여 연결편(strap)과 극주(terminal post)를 용접해서 만든다. 이렇게 해서 만든 극판군을 단전지라 하고, 완전 충전 시 약 2.1[V]의 전압이 발생한다. 따라서 6[V] 전지는 단전지 3개로 되어 있고, 12[V] 전지는 6개의 단전지가 직렬로 접속되어 있다.

 단전지 속의 양 극판의 매수는 3~5 정도이고, 많은 것은 14매 정도다. 극판의 매수는 많을수록 극판의 대량면적이 많아지므로 전지의 용량은 커진다. 단전지는 몇 장의 극판을 접속편에 용접하여 단지 기둥에 연결한 것이다. 또는 셀(cell)이라고 한다. (+), (-)극판은 1장씩 서로 엇갈리게 조립되고 비교적 결합력이 강한 음극판이 바깥쪽에서 양극판을 보호하기 위하여 양극판 보다 1장 더 많게 조립된다.

셀당 양극판의 수 : 3~5(최고 14)

② 완전 충전시 셀당 기전력 : 2.1 [V]

③ 단전지 6개를 직렬로 연결 : 12 [V]

5) 케이스(case)

전지의 몸체을 이루는 부분이며 내부에 칸막이를 두어 단전지(cell)를 구분하고 있다. 또한 극판 작용물질의 탈락으로 인한 침전물의 쌓임을 방지하여 단락(short)이 일어나지 않게 하는 엘리먼트 레이스가 케이스 및 부분에 설치되어 있다.

 케이스는 각 셀(cell)에 극판군을 넣은 다음 합성수지(plastic) 또는 에보나이트, 경고무 등으로 성형하고 있으며 케이스의 밑부분 엘리먼트 레스트(element rest)는 극판작용 물질의 탈락이나, 침전 불순물의 축적에 의한 단락을 방지한다.

커버의 중앙부에는 전해액이나 증류수를 주입하기 위한 주입구인 필러 플러그(filler-plug)가 있다. 플러그(plug)의 가운데 부분이나 옆부분에 작은 통기 구멍이 있으며, 이 구멍은 전지 내부에서 발생하는 수소가스나 산소가스를 방출하는 역할을 한다.

6) 필러 플러그(filler plug)

 필러 플러그는 합성수지로 만들며, 벤트 플러그(vent plug)라고도 한다. 필러 플러그는 각 단전지(cell)의 상부에 설치되어 전해액이나 증류수를 보충하고 전해액의 비중을 측정할 비중계의 스포이스나 온도계를 넣을 때 사용한다. 또한 전지 내부에서 발생하는 가스를 외부에 방출하는 통기공이 뚫려 있다.

 

 7) 커넥터와 터미널(connector and terminal post)

커넥터는 납 합금으로 되어 있으며, 전지 내의 각각의 단전지(cell)를 직렬로 접속하기 위한 것이다. 또한 기동시의 대전류가 흘러도 발열하지 않도록 굵게 되어 있다. 터미널은 납 합금이므로 외부 연결계와 완전자한 접촉을 이룰 수 있으며, 크기가 규격화 되고 양극이 음극보다 조금 크게 되어 있다.

① 커넥터 : 각 셀을 직렬로 접속하기 위한 것이며 납 합금으로 되어 있다.

② 단자기둥 : 납 합금으로 되어 있으며 외부 회로와 확실하게 접속되도록 테이퍼로 되어 있다.

 

 8) 전해액

전해액은 무색, 무취의 순도 높은 묽은 황산이며, 전지 내부의 화학작용을 돕고 각 극판 사이에서 전류를 통하게 하는 일을 한다.

비중이란 물체의 중량과 그 물체와 같은 부피의 물(4[])과의 중량비를 말하며 진한 황산의 비중은 1.835이다. 전지에 어느 정도의 전기가 축적되어 있는가를 아는 방법으로서, 보통 전해액의 비중을 측정한다.

전해액 비중은 전지가 완전 충전 상태일 때 20[]에서 1.240, 1.260, 1.280의 세 종류를 쓰며, 열대 지방에서는 1.240, 온대 지방에서는 1.260, 한랭지방에서는 1.280을 쓴다. 국내에서는 일반적으로 1.260(20[])을 표준으로 하고 있다. 전해액은 순도 높은 무색, 무취의 황산에 증류수를 혼합한 묽은 황산을 사용한다. 전해액은 그 전력을 높이고 방전시에 내부 저항의 증가를 적게 하고 있다.

 

전지의 충방전

방전 : 묽은 황산속에 수소는 양극판속의 산소와 화합하여 물을 만들기 때문에 비중이 낮아진다.

충전 : 양음극판에서 수소와 산소 발생

납축전지 화학반응

1. 비중에 의한 충방전 상태

충전상태

20[]일 때의 비중

밧데리 전압

완전충전(100%)

1.26 – 1.28

12.6 이상

3/4충전(75%)

1.21 – 1.23

12.0

1/2충전(50%)

1.16 – 1.18

11.7

1/4충전(25%)

1.11 – 1.13

11.1

완전방전(0%)

1.06 – 1.08

10.5

 

[전지의 화학작용]

 1) 충방전 작용

전지의 +, - 양 단자 사이에 부하(load)를 접속하여 전지에서 전류가 흘러나가는 것을 방전(discharge)이라 하고, 반대로 충전기나 발전기 등의 직류 전원을 접속하여 전지로 전류가 흘러 들어가는 것을 충전(Charge)라고 한다.

 방전이나 충전을 하면 전지 내부에서는 양극판, 음극판 및 전해액 사이에 화학 반응이 일어난다. 즉 전지의 충방전작용은 극판의 작용물질인 과산화납(PbO2)과 해면상납(Pb) 및 전해액인 묽은 황산(H2SO4)에 의해 화학반응을 하게 된다.

방전

양극판인 과산화납은 방전하면 과산화납 속의 산소가 전해액(황산)의 수소와 결합하여 물이 생기고, 과산화납 속의 납은 전해액의 황산기(SO4)와 결합하여 황산납이 된다. 또한 음극판인 해면상납은 양극판과 같이 황산납이 된다.

 이와 같이 방전시키면 양극과 음극의 극판은 황산납이 된다. 전해액은 액속의 황산분이 감소하고 생선된 물에 의해 묽게 된다. 따라서 방전이 진행됨에 따라 전해액의 비중이 낮아져 극판이 황산납으로 변하고, 극판 사이의 도체인 전해액이 물로 되기 때문에 전지의 내부 저항이 증가하여 전류는 점점 흐르지 않게 된다.

전체 반응식  :     PbO₂ + Pb + 2H2SO₄ ⇔ 2PbSO₄ + 2H₂O

  - 양극 반응식 : PbO₂ + 3H- + HSO₄ - + 2e ⇔ PbSO₄ + 2H₂O

   -음극 반응식 : Pb + HSO₄ - ⇔ PbSO₄ + H + + 2e

납축전지 방전율

전지 방전

- 양극판 : 과산화납(PbO2) à 황산납(PbSO4)

- 음극판 : 해면상납(Pb) à 황산납(PbSO4)

- 전해액 : 묽은 황산(H2SO4) à (H2O)

 

충 전

 외부의 전원에서 전지에 충전전류를 흘러 들어가게 되며, 방전으로 인해 황산납으로 변한 음극판과 양극판의 작용물질은 납과 황산기로 분해 되고, 전해액 속의 물은 산소와 수소로 분해 된다. 분해 된 황산기와 수소가 결합하여 황산이 되어 전해액으로 환원한다. 이 때 전해액의 황산농도는 증가하여 비중이 높아진다. 이 상태로 되면 양극판은 과산화납이 되고, 음극판은 해면상납(Pb)으로 된다.

 자동차의 배터리 등 평소 흔히 쓰이는 전지의 대표적인 것에 연() 전기가 있다. 전지는 전기를 저축하고 있는 것이 아니라, 전기 에너지를 만들어내는 화학 에너지를 저장하고 있는 것이다. 물은 황산 속에 이산화연판을 (+)극으로, 순수한 납(Pb)판을 (-)극으로 넣는다. 그런 다음 연축전지의 두 극을 도선으로 연결하며 다음과 같은 화학 반응이 일어난다. 즉 묽은 황산 용액 속에는 황산이 전리되어 수소 이온 2와 황산이온으로 된다.

[3] 전지의 특성

1) 전지의 용량

 전지의 용량은 극판의 장소, 면적, 두께, 전해액 등의 양이 많을수록 커지며, “ 완전 충전된 전지를 일정한 방전 전류로 계속 방전하여 단자전압이 완전방전 종지전압이 될 때까지, 전지에서 방출하는 총 전기량을 전지의 용량이라 하며 다음과 같다.

 여기서 방전시간이란 완전 충전 상태에서 방전 종지전압까지의 연속 방전하는 시간을 말한다. 이것을 암페어시() 용량이라 하며, Ah(ampere hour)의 단위를 쓴다.

전지의 욜량[Ah] = 방전전류[A] x 방전시간[h]

2) 자기방전[Self discharge]

 전지는 사용하지 않고 그대로 방치해 두어도 조금씩 방전을 일으키는데, 이러한 현상을 자기방전이라 한다. 자기방전은 그때의 환경에 따라 다르다. 예를 들며, 전해액의 비중이 높을수록, 주위의 온도와 습도가 높을수록, 사용기간 길수록 방전량이 많다.

 자기방전의 주요 원인은 전해액 속의 불순물에 의해 음극과의 사이에 국부 전지가 생기고, 또 격자(grid)와 양극판의 작용물질 사이에 국부전지가 생겨 방전하는 경우가 있다. 그리고 전지의 와부 표면에서 생기는 누전 전류도 자기방전의 원인이 된다. 자기방전량은 전지 실용량에 대한 백분율로 나타내며 보통 0.3~1.5[%] 정도이다.

 자기 방전에서 특히 주의해야 할 점은 장기간 사용하지 않은 경우의 자기방전으로 인한 과도한 방전이다. 이 과도한 방전으로 인한 설페이션(sulfation)을 일으키면 완전 회복이 어려워지며 다시 사용하지 못하는 경우도 발생한다.

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니켈-카드뮴 전지(Ni-Cd, 니카드 전지)

자동차 학습/전기자동차 2020. 5. 12. 00:25 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

니켈-카드뮴 전지(Ni-Cd, 니카드 전지)

니켈 카드뮴 전지의 역사

 대형의 Ni-Cd 전지는 2차 대전 중에 유럽에서 개발되었고, 소형의 Ni-Cd 전지는 또한 유럽에서 1960년대 유럽에서 상용화 되었다. Ni(OH)2를 양극으로, Cd을 음극으로 사용하는 전지이며, 알카리 수용액을 전해질로 사용한다. 납축전지와 Ni-Cd 전지의 가장 큰 차별점은 전해질을 황산 대신 알카리 수용액을 사용한다. 알카리 수용액은 황산화 같은 산성 수용액보다 전도성이 뛰어나다는 장점이 있다.

 대형 Ni-Cd 전지는 철도, 차량용, 비행기 엔진 시동용 등을 비롯하여 고출력이 요구되는 다양한 산업 및 군사 용도로 사용되고 있다. 방전 시에 일어나는 가스 발생을 제어하는 기술이 개발되어 밀페식으로 만들어 진 것이 바로 소형 Ni-Cd 전지이다.

 디지털 기기에서의 배터리는 니카드 전지(니켈 카드뮴)에서 니켈수소전지, 리튬이온 전지, 리튬폴리머 전지로 이동하고 있다. 이런 상황에서 니켈카드뮴 전지는 유해 중금속 물질인 카드뮴 사용으로 인체건강 및 환경에 좋지 않아 점차 사용이 줄어 들고 있다. 현재 광범위하게 사용되고 있는 노트북, 휴대전화의 전원도 니켈카드뮴 전지에서 출발하여 리튬이온전지가 대세가 되었다.

원리와 구조

니켈 카드뮴 전지의 반응식은 다음과 같다. 양극은 니켈 산화물, 음극은 카드뮴화합물을 활성 물지로서 전해액은 주로 수산화 칼륨 수용액을 사용하고 있다.

             2Ni(OH)2+Cd(OH)2 2NiOOH+Cd+2H2O

 원통형 니켈카드뮴 전지의 내부는 얇은 시트 모양의 양음극판을 나일론이나 폴리프로필렌을 소재로 한 부직포로 된 격리판을 통하여 말은 상태로, 강철제의 견고한 외장 캔에 수납되어 있다.

, 과충전시에 양극에서 발생한 산소 가스는 음극에서 흡수되어 전지 내부에서 소비하는 메커니즘으로 되어 있다. 규정 이상의 내부 가스압 상승에 대비하여 복귀식 가스 배출 밸브를 설치하고 있다.

충전 특성

니켈 카드뮴 전지의 충전특성은 전지의 종류, 온도, 충전전류에 따라 달라진다. 충전이 진행됨과 동시에 전지 전압은 상승하여 어는 정도 충전량에 도달하면 피크 전압을 나타낸 후에 강하된다.

 이 전압 강하는 충전말기에 발생하는 산소 가스가 음극이 흡수될 때의 산화열로 전지온도가 상승하기 때문에 발생한다. 충전기를 설계할 때 이 음극에 흡수되는 속도 이상으로 산소 가스를 발생 시키지 않아야 한다는 것이 중요하다.

 충전에 3가지 종류가 있다.

- 트리클 충전 : 0.033 C[A] 정의 소전류로 연속 충전

- 노멀 충전   : 0.1~ C~ 0.2 C [A]에서 150% 정도의 충전

- 급속 충전  : 1 C ~1.5 C [A]에서 약 1시간의 충전이 가능, 만충전 제어가 필요

방전 특성

니켈 카드뮴 전지의 방전 동작 전압은 방전전류에 의해 다소 변화되지만, 방전기간의 약 90% 1.2 V 전후를 나타낸다. 또한 건전지나 연축전지에 비해 방전 중인 전압변화가 적어 안정된 방전 저압을 나타낸다. 방전 종지 전압은 기기의 설계상 1셀당 0.8V ~1.0V가 적당하다. 또한 내부저항이 작기 때문에 외부 단락 시 대전류가 흐르기 때문에 보호부품 등의 설치도 필요하다.

 

메모리 효과란

 방전 종지 전압이 높게 설정되어 있는 기기나 매회 얕은 방전 레벨에서 사이클을 반복했을 경우, 그 후의 완전방전에서 방전 도중에 0.04 ~ 0.08 V의 전압강하가 일어나는 경우도 있다.

 이것은 용량 자체가 상실 된 것이 아니기 때문에 깊은 방전(1셀당 1.0 V 정도의 완전방전)을 함으로써 방전전압은 원래 상태로 복귀한다. 이 현상을 [메모리 효과]라고 한다. 양극에 니켈을 사용하는 니켈카드뮴 전지나, 니켈수소 전지에서 주로 발생한다.

 최근에는 기기축의 방전 종지전압 설정을 1.1 V/셀 이하로 하는 등 저전압 구동 IC의 사용과 적당한 세트 전지수의 선정으로 문제가 되지 않는다.

 Ni-Cd가 가진 큰 단점은 메모리 효과(memory effect)가 존재 한다는 것이다. 이 현상은 전지를 완전히 방전시키지 않은 상태에서 충전을 하게 되면 일어나는 현상이다. Cd의 결정 구조 때문에 일어나는 현상으로 메모리 효과가 생기면 결과적으로 전지의 충전 가능 용량이 줄어든다. 이 현상이 심해지면 최기 용량의 70%만을 사용할 수 있게 된다. Ni-Cd 전지를 강제 방전함으로써 메모리 효과가 일어난 Cd의 결정 구조를 제거가 가능하다. 에너지 밀도는 1 리터당 90이다.

 이 전지의 에너지 밀도는 최근의 고성능 전기자동차용 납축전지보다 오히려 약간 떨어지나, 대전류 방전 특성이 우수하고, 저온에서도 그 특성이 크게 저하하지 않는 특징이 있다.

 Ni-Cd 전지의 전압은 1.2V인데 , Ni-Cd에서는 1.2V인데, Ni-Cd 전지에서는 전지를 다 사용하기 전에 충전하면 메모리 효과(memory effect) 때문에 다음 충방전시에 용량이 줄어드는 현상이 발생한다.

 메모리 효과의 단적인 예는 전기면도기처럼 매일 일정시간 사용하고 곧 바로 충전하는 기기에서 이상 동작 현상이 발생한다. 메모리 효과인 이 현상은 이 전지를 강제 방전함으로써 메모리를 지울 수 있다. 메모리 효과는 Cd(카드뮴) 금속 고유의 특성이다. 카드뮴 금속은 수정과 같은 결정 구조를 이루고 있는데 방전이 일어나면서, 반응이 일어난 부분은 결정 구조가 흐트러져 비정형 구조로 변한다. 비정형구조와 결정 구조 사이의 경계는 충전과 방전을 거듭하면서 굵어지고, 이런 경계가 메모리 효과의 원인이 된다.

수명 특성

 니켈 카드뮴 전지의 수명은 보통 조건에서는 500회 이상 반복해서 사용할 수 있지만 수명에 영향을 주는 요인은 충전전류, 온도, 방전 심도/빈도, 과충전기간 등이 있다. 수명의 현상은 전지부품의 열화나 활물질의 기능저하에 의한 용량저하를 들 수 있다. 다른 계통의 전지에 비해 보다 안전하게 오래 사용하기 위해서는 특히 온도와 충전 전류를 고려해야 한다.

니켈카드뮴 전지의 특징

1) 사용실적을 뒷받침하는 높은 신뢰성 : 40년 이상의 상용화로 신뢰성이 높다.

2) 수명이 길어 경제성이 우수 하다. : 1회의 방전 용량은 기존의 건전지와 같지만, 일반적으로 500회 이상의 충방전이 가능하여 경제적이다. 최근에는 충전의 제어기술이 발달하여 1000~2000회 이상 사용할 수도 있다.

3) 전지 자체가 견고하여 다소 무리한 조건에서도 오래 사용되므로 기기를 복잡한 회로로 사용 할 필요가 없다. 또 다른 2차 전지에 비해 과충전/과방전에 강한 설계로 되어 있다. 또한 전지 내부에 흡수되지 않았던 가스를 방출하는 복귀식 가스 배출 밸브가 있어 안전성이 뛰어나다. 전동 공구에서의 30A까지 미치는 방전특성 및 10분 이내의 충전 등 다른 2차 전지에 비해 뛰어난 성능을 지니고 있다.

4) 폭넓은 기종과 건전지와의 호환성 : 다양한 용도에 대응할 수 있도록 여러 종류(타입, 사이즈)의 전지와 기기 스페이스에 맞춘 세트 전기가 있다. 또 건전지와 호환성이 있는 카드뮴전지와 충전기도 충실한 라인업을 갖추고 있다.

5) 우수한 신뢰성과 넓은 사용 온도/습도/범위 : 온도에 의한 성능의 변화가 적고 밀폐 구조이기 때문에 습도에 의한 영향도 거의 없다. 방전은 보통 -20~+60를 허용한다. 특히 저온에서 1C[A]를 초과하는 고부하 방전이 가능한 2차 전지가 상용화 되지 않아 니켈카드뮴 전지의 확대에 어려움이 있었다. 비상 조명기기나 자동 화재 경보기 등의 방재기기의 백업 전원으로 전부터 활용되고 있어, 신뢰성이 매우 높다.

6) 보수가 용이하고 견고 : 밀폐구조이기 때문에 보충액이 필요 없이 충방전 상태를 불문하고 보관할 수 있으므로 보수가 용이하다. 또 기기내에 장착이 가능하며 취급이 간단하다. 구조는 견고하고 재질도 금속 용기를 사용하고 있기 때문에 충격이나 진동에 대해 충분한 내구성이 있다.

니켈카드뮴 전지의 종류

 밀폐형 니켈 카드뮴 전지의 형태는 원통형, 버튼형, 편평각형(gum)이 있다. 원통 밀폐형 니켈카드뮴 전지는 일본공업규격 JIS C8705-98 24종류의 호칭 방법이 규정되고 있다. , 이것들 외형치수에 의한 분류만이 아니라 많은 용도에 따라 특성을 가지는 전용 전기가 개발되어 있기 때문에 그것들의 특성을 충분히 이해하여 가장 적당한 전지를 선택하는 것이 중요하다.

 니켈 카드뮴 전지는 납축전지에 비해 출력 밀도가 크고, 수명이 길며, 단시간 충전이 쉬운 장점이 있다. 그러나 에너지 밀도와 납축전지와 거의 같은 정밀도로 그 한계성을 많이 갖고 있으면서 가격이 납축전지에 비해 몇 배 높고, 재료의 대량 수급에도 문제가 있다.

니켈 카드뮴 전지 향후 전망

니켈 수소나 리튬 이온이라는 새로운 2차 전지의 등장으로 고용량의 측면에서는 니켈카드뮴 전지의 성능은 저하되지만 전지에서 요구되는 성능은 고용량만이 아니다. 새로운 계통의 전지는 대전류 방전, 온도 특성, 긴 수명 등에서 니켈 카드뮴 전지 정도의 특성을 얻을 수 없다. 현재 전지의 용도가 다양화되고 요구되는 특성도 다종다양하여 니켈카드뮴 전지가 아니면 사용할 수 없는 용도도 있다. 앞으로 니켈카드뮴 전지가 그 특징을 활용 할 수 있는 시장을 소개한다.

1) 동력용도(요구특성: 고출력, 장 수명, 고신뢰성)

어시스트 자동차, 전동차 의자, 스쿠터, 카트, 소형 전동 리프트 등

2) 스탠드바이 용도(요구 특성 : 연속충전, 고신뢰성)

WILL(Wireless Local Loop: 전화 회선용 백업), UPS, 시큐리티, POS 기기 등, SOHO 수요가 기대되는 가운데, 긴 수명, 고신뢰성이 보다 더 요구될 뿐 아니라 소형/경량화/긴수명/대전 방전특성/온도특성이라는 요구사항이 많아지고 있어 니켈카드뮴 전지의 사용 보편화 되고 있다.

3) 태양전지와 변용 기기(요구특성: 과혹한 환경온도에 견딜 수 있는 온도 특성)

셔터, 방범등, 표시등, 태양전지와 조합은 한 여름 고온이나 한 겨울의 영하의 온도에 대해 니켈카드뮴 전지는 온도 내구성에 적합성이 있다.

 

 

 

 

 

 

 

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전기자동차, 전기 자건거 배터리 용량 계산

자동차 학습/전기자동차 2020. 5. 10. 00:07 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

전기자동차, 전기 자건거 배터리 용량 계산

Ah/Wh

시간당 방전량(암페어)/시간당 소모 전력량(와트)로 표시하는데, 사실은 같은 단위이다.

500Wh라는 배터리 용량은 500W의 출력으로 페달을 밟았을 때, 1시간 지속된다는 의미이다.

Ah로 변환법은

W(전력) = V(전압) * A(전류)

전기 자전거 배터리의 전압은 36V이며, 이를 근거로 계산하면, 500Wh 용량의 배터리 용량은 13.8Ah, 138000mAh라고 할 수 있다.

아이폰 8 플러스의 배터리 용량이 2675mAh이니 아이폰 플러스를 51.6번 완충할 수 있는 배터리 용량이다. 그럼에도 고출력 모터는 전략을 많이 소모하여 보통 2시간 ~3시간 정도 지속 된다.

 

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하이브리드 자동차(Hybrid Car)의 배터리 조건

자동차 학습/하이브리드 자동차/PHEV 2020. 5. 8. 23:34 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

하이브리드 자동차(Hybrid Car)의 배터리 조건

하이브리드 자동차는 전기 자동차에 비교하여 다음의 조건을 갖추어야 한다.

 첫째, HEV는 사용하는 동안 빈번하게 충방전이 되며 순수 전기 자동차는 사용하는 중에 완전 충전으로부터 계속적으로 전기를 사용한다. 즉 전기 자동차는 회생제동이 작동하는 동안에만 충전될 수 있다. 즉 전기 자동차 배터리(*2차 전지) 사용의 경우 어떤 충전조건하에서 충전이 된 후 연속적으로 방전이 되며 마치 휴대용 전자제품과 같이 사용된다. 반면에 하이브리드 자동차는 사용하는 동안 회생제동 뿐 아니라 엔진을 구동시켜 발전기로부터 나오는 전기를 전지로 자주 충전을 해준다. 특히 빈번히 전지를 충전시키는 조건 즉 자주 충전하는 것은 전기자동차와 같이 연속적으로 충전하는 방법과는 차이가 있다. 따라서 HEV(하이브리드 전기 자동차)용 전지의 경우 용량이 작지만 모터를 구동시키기 위해서는 출력밀도가 전기 자동차용 보다 2~3배 이상 되어야 하며 또한 수시로 발생하는 회생제동 에너지를 효율적으로 받아들일 수 있도록 충전 수입성이 좋아야 한다.

 둘째, HEV는 완전 충전되고 완전 방전되는 경우는 거의 없다. HEV용 전지의 경우 충전 상태는 다음과 같다. 따라서 전지의 상태는 항상 출력을 발생시키거나, 회생제동 시 충전이 되게 된다. 따라서 전지는 완전 방전되거나 완전 충전되는 경우는 없어야 한다. 즉 전지는 항상 중간 정도의 충전 상태를 유지하여야 하면 이와 같은 운전 특성은 HEV만의 고유의 특징이다. 따라서 HEV용 전지는 중간 정도의 충전상태에서 충방전을 반복할 경우 용량의 감소가 없이 안정적이이야 하며, 전기 자동차용 전지의 용량의 10~40% 정도이지만 차량을 구동하여야 하므로 고율방전특성이 좋아야 하며 따라서 전지의 신뢰성이 있어야 한다.

 

 

 

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전기 자동차용 2차 전지의 조건 및 개발 현황

자동차 학습/전기자동차 2020. 5. 7. 23:28 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

전기 자동차용 2차 전지의 조건 및 개발 현황

전기 자동차용 2차 전지의 현황

 전기 자동차의 대중화를 위해서는 전지기술의 발전이 절대적이다. 안전, 충전 시간, 전력 전달, 극한 온도에서의 성능, 환경 친화성, 수명이 오늘날 전기자동차에 이용할 수 있는 충전식 전지 기술의 문제이다.

 전기 자동차는 리튬이온 전지, 리튬폴리머 이온 전지를 제풍에 채용하는 추세이다. 예를 들면 도요타 자동차의 프리우스, 캠리, 하이랜더는 밀폐형 Ni-MH 전지팩을 사용하여 전기모터에 공급하였으나 리튬이온 전지와 비교할 때 Ni-MH의 전력 수준이 낮고 자가 방전율이 높아 전기 자동차에는 극히 불리하고, 보관 수명이 3년에 불과한 Ni-MH EV에는 적합하지 않다.

  현재는 거의 대부분의 전기 자동차에 리튬이온 전지를 사용하지만, 높은 가격, 극한 온도의 불용, 안전(리튬이온 전지의 가장 큰 장재 요인임) 때문에 이 전지는 적합하지 않다. 사실 토요타는 안전에 대한 검증 문제로 리튬이온 전지를 장착한 신형 장거리 주행 하이브리드의 출시를 연기 한 적이 있다. 기존 리튬이온 전지는 수명이 3~5년이고 충전 주기는 1,000싸이클이다. 다른 문제는 전지 수명 범위를 보장할 수 있는 리튬이온 전지의 크기이다. 랩톱이나 휴대폰의 경우 사용하는 동안 전원연결이 가능하기에 기존에 알려진 작동 시간보다 짧아도 가능하지만 자동차에는 배터리가 보장 성능을 만족하지 못하는 경우 많은 문제를 발생한다.

전기 자동차용 2차 전지의 조건

첫째, 자동차 자체의 보조금과 더불어 전지에 대한 보조금 또는 기술적 발전을 통한 생산성, 효율성 향상으로 전지 자체의 가격을 낮추는 것이 과제이다.

둘째, 안전성 확보이다. 휴대용 전지가 폭발로 크고 작은 사건 사고가 발생하는 것을 볼 수 있다. 그런데 그 보다 수십, 수백 배 큰 자동차 전지가 폭발하는 사고가 발생한다고 했을 때 그 피해는 대단하다. 또한 교통 사고 시 충격으로 인한 전지 폭발 등이 발생하지 않도록 내구성과 충격 흡수율을 높이기 위한 방안 등을 수립해야 한다.

셋째, 전지의 수명이다. 차량을 교체하는 시기를 5~10년 정도 사용한다고 봤을 떼 그 전지 수명 역시 이와 비슷하거나 그 이상의 수명을 지니고 있어야 한다. 이는 가격과 관련성이 높다. 전지 수명이 짧다고 하여도 그 전지 교환 비용이 적절한 가격에 책정 된다면 사실 수명은 기준 이상만 유지하면 된다.

넷째, 집적화이다. 무게나 부피 등을 줄 일 수 있는 기술력이 필요하다. 전지가 크고 무거울 경우 결국 효율대비 사용시간은 턱없이 줄어 들 수 밖에 없다. 따라서 집적화 된 기술력을 바탕으로 작은 가볍고 출력과 수명이 긴 전지를 개발해야 한다.

 이 외에도 전지 충전 시간’, ‘충전을 위한 인프라 구축등의 과제가 있다.

전기 자동차용 2차 전지의 조건

1) 고전압

2) 대용량

3) 고출력

4) 긴 사이클 수명

5) 적은 자기방전

6) 넓은 사용온도

7) 안전하고 높은 신뢰성

8) 쉬운 사용법

9) 저 가격

전기 자동차용 전지의 구성요소

 전지에는 산화제인 양극 활물질과 환원제인 음극 활물질, 양 활물질간의 있어 이온 전도에 의해 산화반응과 환원 반응을 중개하는 전해액, 양극과 음극이 직접 접촉하는 것을 방지하는 격리판이 필요하다. 또한 이러한 구성요소를 넣는 용기(전지캔), 전지를 안전하게 작동 시키기 위한 안전 밸브나 안전장치 등이 필요하다.

1) 양극, 음극 활물질

 에너지 밀도가 큰 전지를 만들기 위해서는 기전력(electro motive force : EMF)이 크고 용량이 큰 활물질을 사용한다.

 전지의 음극 활물질에는 아연이나 카드뮴, 납이 이용되어 왔지만 최근에는 리튬 전지나 Ni-MH 전지는 리튬 또는 그것과 같은 정도의 환원력을 가진 리튬을 삽입한 탄소재료나 수소흡장 합금에 흡장시킨 수소가 음극 활물질로서 이용되고 있다. 리튬은 가장 환원력이 강한 재료이고 전기 화학당량도 적어 음극재료로서는 가장 우수한 재료라고 할 수 있다. 리튬을 음극에 이용하는 전지는 리튬의 극히 강한 환원력을 이용하고 있기 때문에 이것과 조합시키는 재료는 여러 가지가 있다. 따라서 현재 리튬 전지는 다양성이 있고 기술 발전도 빠르게 이루어지고 있다. 개발 중인 2차 전지지에서는 금속 나트륨이나 아연 등의 금속과 더불어 철이나 바나듐 등의 산화환원제가 검토되고 있다.

 2차전지의 양극에는 수용액계에서는 납, 니켈, 은 등과 같은 산화물이나 수산화물이 이용되고 있다. 또한 산화수은도 우수한 양극 활물질로서 소형전지에 이용되어 왔지만 환경면에서 현재는 사용되지 않는다. 리튬 2차 전지에는 비수용액이 이용되므로 망간이나 니켈, 코발트 등과 같은 산화물이 이용되고 있다. 그리고 또 바나튬 산화물이나 금속유화물 등도 검토되고 있다.

 2차 전지는 몇 번이고 충방전을 반복할 수 있는 것이 요망된다. 이를 위해서는 충전하면 원래의 활물질 상태로 흔적을 남기지 않고 되돌릴 필요가 있다. 리튬이온 전지에는 음극에는 탄소재료가, 양극에는 코발트산 리튬 등이 이용되고 있다. 이 전지는 방전상테로 제조된 후, 양극에서 리튬 이이온을 빼고 음극의 탄소내에 리튬을 삽입하는 충전과정이 있다. 이 전지의 충방전에서 양극, 음극의 반응은 모두 리튬의 삽입 탈피라고 하는 토포케미컬(Topochemical) 반응이 된다. 토포케미컬 반응이 진행 할 때 호스트 재료의 구조 변화가 완전히 가역이면 사이클 수명이 긴 전지가 된다.

 리튬이온 전지에는 가역성이 높은 토포케미컬 반응을 하는 재료가 선택되고 있다. Ni-MH 전지의 경우에도 충방전에 수소가 양극과 음극간에서 왕래하는 반응이 진행한다. 최근에 개발된 리튬이온 전지와 Ni-MH 전지가 함깨 토포케미컬 반응을 이용하고 있다. 이것은 납 축전지와 비교해 보자.

PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

 이와 같이 음극 활물질 Pb와 양극 활물질 PbO2 이외에 유산과 물이 반응에 관여한다. 엄밀하게 말하면 유산과 물도 활물질이며 이것들은 전해질 용액으로서 존재한다. 전지반응이 진행하면 그것들의 농도가 변화한다. 따라서 일정량 이상의 전해액이 필요하다. 한편, 리튬 전지나 Ni-MH 전지에는 전해질의 양이 극히 적어도 되게 된다.

2) 전해액

 이온 전도성 재료는 전지내에서 전기화학 반응이 진행되는 중요한 구성요소이다. 그러나 이전에 기술한 연축전지의 경우와 같이 기전반응에 관여하는 물질이 용존하는 경우를 제외하고 원리적으로는 그 양은 소량이어도 된다. 이 이온 전도체는 유산수용액이나 알카리수용액, 리튬 전지에 사용되는 비수전해액 등과 같이 용액이 이용되는 일이 많지만 폴리머 전해질이나 무기고체 전해질, 이온 전도성 글라스 등도 검토되고 있다.

 전해액은 이온 전도성이 높을 것이 요구되는 외이 충전 시라고 해도 양극이나 음극과 반응하지 않을 것, 전지 작동 범위에서 산화환원을 받지 않을 것, 열적으로 안정될 것, 독성이 낮으며 환경 친화적 일 것, 가격 경쟁력이 있어야 한다. 전지의 활물질은 분말로 만들어져 전해액에 점결제나 도전조제를 혼합해서 합제하여 이것을 집전체에 도포, 전지의 전극이 된다. 이 합제전극이 효율적으로 기능하기 위해서는 합제내의 이온 전도성이 높아야 한다.

3) 격리판

 전지의 기전물질은 산화제와 환원제이다. 이것들이 직접 접촉되면 자기방전을 일으킬 뿐만 아니라 반응이 급격히 진해되어 위험하다. 격리판은 양극과 음극 사이에 있어 양자의 접촉을 방지하고 있다. 물론 격리판도 이온 전도성을 나타내지 않으면 안 된다. 따라서 다공성 재료를 이용하여 그 구멍 속에 전해액이 침투하여 이온 전도성을 발현 시킨다. 높은 이온 전도성을 나타내는 동시에 양극과 음극의 접촉을 방지하도록 다공재료가 연구되고 있다. 그리고 산화제인 양극과 환원제이니 음극에 직접 접촉되므로 화학적으로 안정되어야 하는 것이 중요하다. 2차 전지의 격리판 재료로서 현재 연축 전지는 글라스 매트 등이, 알카리 2차 전지나 리튬 전지에는 폴리머의 부직포나 다공성막이 이용되고 있다.

 최근의 전지는 고성능이므로 전압이 높고, 에너지 밀도가 높기 때문에 폭주하면 폭발의 위험이 있다. 예를 들면 리튬이온 전지는 이상반응이 일어나기 시작하여 전지온도가 상승하면 다공막이 반응하여 구멍이 막히면 그 이상의 반응이 진행하지 않게 되어 있다. 이와 같이 하이테크 전지에는 격리판이 극히 중요한 재료 중의 하나이다.

 

 

 

 

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이차 전지의 개념 및 종류

자동차 학습/전기자동차 2020. 5. 6. 00:42 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

이차 전지의 개념 및 종류

이차 전지(secondary cell, storage battery, rechargeable battery), 이전 명칭 축전지(accumulator)는 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 장치를 말한다. 여러 번 충전할 수 있다는 뜻으로 "충전식 전지"라는 명칭도 쓰인다. 흔히 쓰이는 이차 전지로는 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd), 니켈-금속 수소 전지(Ni-MH), 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer)가 있다.

이차 전지는 한 번 쓰고 버리는 일차 전지에 비해 경제적인 이점과 환경적인 이점을 모두 제공한다. 이차 전지는 표준 AA, AAA, C, sub_C, D, 9볼트 등의 규격을 따라 생산되는 것이 시중에서 판매되고 있으며, 이러한 종류의 전지를 구매하는 소비자들 또한 이에 친숙해 있다. 여러 번 충전할 수 있다는 것이 장점이지만 일차 전지에 비해 더 비싸고 이러한 전지에 쓰이는 화학부나 금속의 독성이 더 강한 편이다. 반면 일차 전지는 환경에 영향을 주는 독성 물질을 땅에 축적시키지 않는다. 니켈 수소 축전지를 생산하는 일부 업체들은 이 전지를 최대 3,000번까지 다시 충전해 사용할 수 있다고 주장하고 있다.

이용

이차 전지는 충전후에 자가방전(Self Discharge)에 의해서 에너지를 잃는 속도가 일차 전지에 비해서 매우 높기 때문에 사용하기 전에 충전해야 한다.

일회용 전지에 충전을 시도하면 전지 폭발의 가능성이 있으니 주의해야 한다.

어떠한 종류의 이차 전지(: 리튬이온전지)는 완전히 충전되었을 경우 역충전이라는 위험에 노출된다.

또다른 종류의 이차 전지(: 니켈-카드뮴 전지)는 용량을 유지하기 위해 주기적으로 충분히 방전해 주어야 한다.

이차 전지는 현재 높은 전력을 사용하는 곳에 쓰인다. 이를테면 자동차의 시동을 돕는 기기, 휴대용 장치, 도구, 무정전 전원 장치를 들 수 있다. 여기에 더 응용하여 하이브리드 자동차, 전기 자동차가 이러한 전지를 사용하여 값과 무게를 줄이고 수명을 늘리는 기술을 채용하고 있다.

니켈-카드뮴 전지는 기억 효과가 있어서 완전 충전과 완전 방전을 하지 않으면 전지 축전 용량이 줄어든다.

전기 오토바이(바이크)에는 보편적으로 납축전지가 이용되고 있으며,, 중국은 리튬인산철 배터리를 많이 사용한다. 2020년 이후에는 전기 오토바이에도 성능 및 환경 문제로 리튬이온 배터리가 보편화 될 것으로 예상된다. 전기 자동차의 대부분은 리듐이온 배터리를 채용하고 있으며, 안전 및 제조 형상의 자유도가 높아 리튬폴러머 배터리도 많이 채용되고 있는 추세이다. 휴대폰에는 대부분 리튬이온 배터리를 사용하고 있으며, 일반적 1.2V의 전압에는 대부분 Ni-MH(니켈 수소)전지가 보편 되었다.

2차 전지별 주요 특징 정리

1) 리튬폴리머 전지

-전압은 3.6V로 폭발 위험이 없고, 전해질이 젤형태이기 때문에 전지 모양을 다양하게 만들 수 있는 것이 장점이다.

-현재는 일부 휴대폰에 사용되고 있으며 리튬이온 전지를 이을 차세대 전지이다. 현재는 거의 모든 배터리 기업이 연구 개발 및 생산 중이다.

-리튬폴리머전지는 양극, 전해질, 음극으로 구성되어 있고, 양극과 음극 사이의 전해질이 음극과 양극을 분리하는 분리막과 리튬이온의 전달역할을 수행한다.

-고분자 겔 형태의 전해질을 사용하여 과충과 과방전으로 인한 화학적 반응에 강하게 만들 수 있어 리튬이온 전지에 필수적인 보호회로가 불필요하다.

2) 리튬이온 전지

-전압은 3.6V로 휴대폰, 캠코더, 디지털 카메라, 노트북, MD 등에 사용된다.

-양산 전지 중 성능이 가장 우수하고 가볍다.

-현대 일본, 한국, 중국 메이커의 기술이 선두에 있으면 최초에는 소니가 기술을 개발 및 양산하였다.

-리튬이온 전지는 폭발 위험이 있기 때문에 일반 소비자들은 구입할 수 없으며 보호회로가 장착 된 팩 형태로 판매한다.

3) 리튬이온 전지

-위험성만 제거되면 가볍고, 높은 전압을 갖고 있어 앞으로 가장 많이 사용될 전지이다.

-리튬이온전지는 양극, 분리막, 음극, 전해액으로 구성되어 있고 리튬 이온의 전달이 전해액을 통해 전달된다.

-전해액이 누수되어 리튬 전이금속이 공기 중에 노출될 경우 전지가 폭발 할 수 있고 과충전 시에도 화학반응으로 인해 전지 케이스내의 압력이 상승하여 폭발 할 가능성이 있어 이를 차단하는 보호회로가 장착된다.

4) 니켈 수소 전지

-Ni-Cd Li-ion 중간단계의 전지로 특정 사이즈만 생산

-워크맨, 디지털 카메라, 노트북, 캠코더 등에 사용되며 리튬이온(Li-ion) 전지가 안정화 되며, Ni-MH 전지는 특수제품을 제외한 곳에는 보편적 보급이 어려울 것으로 예상

-전압은 1.2V이며 니카드 전지와 혼용하여 사용하기도 하며, 니카드 전지보다 2배의 용량을 가진다.

5) 니카드(Ni-Cd) 전지

-전압은 1.2V이며 무선전화기, 무선 자동차, 소형 휴대기기에 가장 많이 사용된다.

-순간 방전량이 우수하여 레이싱카에 많이 사용된다. 초기에는 휴대폰, 무전기, 노트북, 캠코더에 많이 사용되었으나 용량이 적어 거의 사용되지 않고 있으며, 현재는 동남아 등지에서 저가의 제품이 많이 생산된다.

니켈 카드뮴 전지의 장점

-망간건전지와 같은 크기로 공칭 전압이 거의 일정하다.

-망간건전지와 비교 내부 저항이 낮으며 단시간에 큰 에너지를 꺼낼 수 있다.(큰 전류를 낼 수 있다)

-충전 가능한 전지 중에서는 수명이 긴편이며 방향을 생각하지 않고 사용할 수 있다

-충전하지 않고 사용할 수 없고 단시간에 충전 가능하다.

니켈 카드뮴 전지의 단점

-외부의 충격, 열에 약하며, 내부에 사용되고 있는 금속은 독성이 높고, 약품은 극약이다.

-방전 전압이 2단계로 내리는 것이 있다.

6) 납축전지(Lead –Acid)

-납축전지는 전압이 2V로 자동차용 전지로 가장 많이 사용된다.

-자동차용 전지는 12V 2V 전지를 직렬로 6개가 내부에 연결시켰다.

-구형 워크맨 전지나 소니 무선 전화기에도 사용되었으나 현재는 환경 및 성능 문제로 휴대용 기기에는 거의 사용되지 않는다.

-과방전 시 전지 수명이 급속히 단축되는 특성이 있으며 특히 자동차의 경우 재충전이 안 될 경우는 전지의 수명이 종료 되어 신품 배터리를 구매해야 한다.

* 참조 : 인터넷 위키백과

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전기 자동차/전기 자전거의 출력 및 토크 값의 정의

자동차 학습/전기자동차 2020. 5. 5. 00:27 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

전기 자동차/전기 자전거의 출력 및 토크 값의 정의

W(와트) Nm(뉴톤.미터)로 표시 차이점

전기 자전거 및 자동차의 모터 규격을 보면 모터의 출력표시가 상이하게 나타난다.

300W /500W / 750W 와 같이 W로 표시하는 제조사들이 있고, 65Nm / 70Nm Nm로 표시하는 메이커가 있다.

W은 출력이고, Nm는 토크이다.

1. 토크의 정의

토크의 단위는 Nm를 사용하며, 10Nm = 1kgf 1m 거리에서 들릴 수 있는 힘 1kgf×중력가속(축의 거리 1m)

Kgf(킬로그램 포스) 1Kg의 물체가 중력에 의해 누르는 무게이고, 이를 Nm으로 변환하기 위해서는 중력가속도 9.8m/s를 곱하면 Nm로 변환된다.

1kg×9.8 m/s  , 1Kgf = 9.8Nm

(보통 계산의 편의를 위해 중력 가속도를 9.8이 아닌 10을 곱하기도 한다)

 

토크 =순간 낼 수 있는 힘이다.

2.출력

출력의 단위 W(와트)를 사용하며 1W=1N의 물체를 1초 동안 1m 움질이게 할 수 있는 출력, 즉 단위 시간 당 발생되는 힘이다. 앞에서 언급한 토크를 얼마나 많이 회전 시킬 수 있는가를 나타낸다.

공식은 토크(Nm) × 분당 회전수(RPM) = 출력(W)

) 5Nm의 토크로 분당 100회의 회전을 할 경우 500W의 출력이 나온다.

다시 말하면

도로에서는 출력이 중요하고, 산에서는 토크가 중요하다.

도로 라이딩에서의 케이던스(RPM)은 보통 80~110 정도이다. 산악 라이딩에서는 보통 좀 더 느린 회전수로 라이당을 한다.

500W의 출력이 나오는 모터의 경우는 케이던스 60으로 나눌 경우, 평소 페달링에서 발생하는 토크는 8.3Nm가 됨을 알 수 있다. 250W의 경우는 4.15Nm이다.

500W의 출력이라고 표시된 모터는 그 출력을 얻기 위해 60 RPM의 속도로 8.3Nm의 토크를 가해 주어야 한다.

하지만 이와 같이 최대 토크가 아니 출력만을 표시한 모터의 경우 최대 토크가 얼마인지 모르기 때문에 실제는 체험하는 수 밖에 없다. 500W로 출력이 높다고 구매했는데 실제 급경사 구간에서 페달링을 하면 힘을 못 쓰고 페달링이 멈춰 버리는 경우도 있다.

급경사에서의 순간적인 힘보다는, 도로 라이딩에서의 지속적인 힘을 강조하는 제조사들이 보통 W를 많이 표기 한다.

전기 산악자전거가 아닌, 도로용, 시티라이딩용 전기자전거 키트들이 주로 그러하다.

그러나 출력과 최대토크를 전부 표기하는 회사들도 있다. 예를 들자면 350W/75Nm 이런 식으로 기재되는 경우이다.

350W 75Nm라는 성능의 모터가 75Nm라는 최대 토크를 발생 시킬 때의 케이던스는 4.66 즉 초당 0.07 바퀴의 속도이다.

다사 말하면 순간적으로 밟았을 때의 최대 토크가 75Nm라는 것인데, 급경사를 올라갈 때 내는 순간적인 토크값이다. 물론 순간적으로 75Nm의 힘을 내어 급경사를 극복한 뒤로는 부하가 덜 걸리기 때문 케이던스가 올라가면서 자연스러운 라이딩이 가능해 진다.

W만 봤을 때 최대 출력은 350W가 나오기 때문에, 500W 모터보다 힘이 안 좋을 것이다 라는 생각을 할 수 있는 있는데 사실은 최대 출력은 속도와 연관되어 있기 때문에 산악 자전거용 모터에서는 출력보다는 토크를 중심으로 검토하는게 맞다.

속도를 급격하게 올리고 싶지 않는 이상 300W라는 출력도 자전거에서는 과한 출력이다. 물론 최대 토크가 낮은데 출력도 낮으면 모터가 힘이 없다고 판단 할 수 있다.

국내 법규상 전기자전가는 25km/h 이하의 속도록 운행하게 되어 300W 이상의 출력에서는 제한 속도를 넘어 설 수 있는 출력이다.

토크는 낮아도 출력이 높다는 것은 말 그대로 도로에서 50km/h 60km/h 이상으로 오토바이처럼 속도를 낼 수 있는데 이 정도 급이면 그냥 오토바이를 검토하는 것이 낫다.

일반적으로 출력이 높으면 토크가 높다. 토크가 낮을 경우 RPM의 한계가 있기 때문에 출력이 높을 수는 없다. 하지만 출력이 낮아도 토크가 높을 수는 있다.

 

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