최근, Ah 정격을 10배 높이기 위해 12V 배터리 10개를 직렬로 배터리 회로에 장착하려는 고객의 도움이 요청된 적이 있습니다. 이것이 고객이 원하는 대로 하기 위한 적절한 방법이 아니라는 것은 알고 있습니다.
요컨대, 직렬로 연결된 배터리는 회로의 전압원을 증가시키는 반면 병렬로 연결된 배터리는 유효 전류를 증가시킵니다. 아래 회로도를 보시면 도움이 될 수 있습니다.
위의 회로도 중 직렬 회로에서는, 부하가 배터리 쪽을 바라보면 두 개의 셀 또는 두 개의 전압원이 있으므로 전류는 한 셀에서 시작해 부하로 가는 방향에 있는 다른 셀로 흘러가야 한다는 것을 알 수 있습니다. 병렬 회로에서는 부하가 배터리 플레이트 폭이 두 배인 하나의 셀을 바라보게 되므로 전압은 단일 셀과 동일하지만 전류는 어느 하나 또는 두 셀에서 부하로 직접 흐르게 됩니다. 두 개의 독립적인 전류원이므로 전류 용량이 사실상 두 배로 늘어나게 됩니다.
하지만, 이 프로젝트를 진행하면서 암페어시, 저온 시동 전류(Cold Cranking Ampere, CCA) 및 기타 몇 가지 용어가 이전부터 잘 알고 있던 용어가 아님을 인지하고는 몇 가지 조사를 해야 했습니다. 테스트용 부품으로 12VDC 납축 전지 몇 개를 고르고 정보를 찾아보기 시작했습니다.
한 제품이 20 Ah라고 하는데, 그렇다면 20시간 동안 1A 또는 1시간 동안 20A로 구동할 수 있다는 것을 의미할까요? 이해한 바로는 25°C/77°F에서 20시간 동안 1A라는 것입니다.
표준 12V 납축 딥사이클 배터리는 따로 명시되지 않는 한 20시간율을 기준으로 테스트됩니다. 항상 제조업체의 규격서를 확인하여 테스트 조건들을 확인하십시오 - 해당 사양이 어떤 조건 하에서 유효한지를 모른다면 사양은 아무런 의미가 없습니다.
시동 배터리는 동일한 조건으로 10시간율을 기준으로 테스트됩니다.
특정 배터리에서는 20시간 이내에 배터리를 방전 시키기 위한 시험 전류가 1.2암페어였습니다. 두 번째 12V 배터리를 살펴보니 20시간율의 20Ah 정격이고 시험 전류는 1암페어입니다. 셀당 순방향 전압은 1.75V라는 표기도 있는데 이는 방전 시 (배터리가 허용하는)셀당 최저 전압입니다.
첫 배터리의 규격서를 다시 보니 차단(cut off) 전압이 10.5V라고 되어 있습니다. 12V 배터리는 6개의 2V 셀로 구성되어 있으니 10.5를 6으로 나누면 1.75V가 나오므로 제대로 비교하고 있다고 말할 수 있음을 확신했습니다. 또한 참고에는 기재된 율은 최소값이 아닌 세번의 충방전 주기에 대한 평균이라고 적혀 있습니다. 이 부분이 20Ah 정격이면 20시간 동안 1A일 것을 예상하지만 1.2A였던 이유에 대한 설명입니다. 이 부분이 약간 더 혼란스럽게 만들지만 여러분이 항상 규격서를 보아야하는 이유를 보여주는 좋은 예이기도 합니다.
20시간 동안 1A 또는 20암페어시 정격의 배터리가 있는데 2A가 필요합니다. 규격서에는 1.9A의 전류로는 배터리를 10시간 동안 사용할 수 있다고 하는데 어떻게 이럴 수 있나요? 단순히 빌헬름 포이케르트를 탓할 수도 있지만 사실 그는 이 현상에 대한 설명과 우리에게 도움이 되는 공식을 제공한 공로를 인정받고 있습니다. 방전 속도가 증가하면, 포이케르트의 법칙에 근사하게 배터리의 가용 용량이 감소합니다.
다시 말해 납축 전지의 전류를 빨리 소모할수록(방전시간이 짧을수록) 배터리의 방전 기간 동안 소모해야 할 전류가(배터리 방전 용량이) 줄어듭니다. 위 예제의 20암페어시 배터리는20시간 동안 1암페어를 출력할 수 있지만 1.9암페어에서는 10시간 후 방전되어 19암페어시가 될 것입니다. 그리고 포이케르트(Peukert)의 법칙에 따르면 필요한 2암페어율으로는 용량이 더욱 줄어들 것입니다.
여기서 H는 정격 방전 시간(Hr)
C는 해당 방전율에서의 정격 용량(Ah)
I는 실제 방전 전류(A)
k는 포이케르트 상수(단위 없음)
t는 배터리 방전에 걸린 실제 시간(Hr)
포이케르트 상수 k를 계산하는 공식은 다음과 같습니다:
C1은 첫 번째 율에서의 용량(Ah)
C2는 두 번째 율에서의 용량(Ah)
R1은 첫 번째 C 레이트에서의 시간율(Hr)
R2는 두 번째 C 레이트에서의 시간율(Hr)
따라서 본래 정격인 20시간율로 1암페어인 20Ah를 대입하면,
그리고 두 번째는 10시간율로 1.9암페어인 19Ah를 대입하면,
k = 1.079914285
공식을 요약하자면, 이 배터리를 2암페어로 사용할 계획이라면 채 10시간도 지나지 않아 충전해야 할 것입니다.
공식을 통해 확인하자면: H=10, C=19, I=1.9 그리고 k=1.079914285를 대입하면 t=10으로 방전에 10시간이 소요되며 규격서 사양과 일치합니다. 동일한 공식에 (20시간율의) 2암페어 전류 소모의 경우를 대입하면 9.46시간을 사용할 수 있습니다.(섭씨 25도에서 새 배터리를 사용한다면…)
매우 중요한 참고사항: 만약 니켈 카드뮴(Nickel Cadmium)과 니켈 수소(Nickel Metal Hydride)와 같이 배터리 화학 물질을 혼합하려 한다면 추가 조사를 해야 할 필요가 있습니다. (서로 다른)전압 또는 전류 정격을 섞으려 한다면 여기서는 다뤄지지 않았으므로 추가 조사를 해야 할 필요가 있습니다, 특히 배터리 뱅크를 하나의 유닛인 것처럼 재충전하려는 경우라면. 이 보고서에서는 여러 개의 동일한 배터리를 검토하고 있습니다.
일부 배터리 관련 정의
배터리 뱅크 란 두 개 이상의 배터리를 하나 제품으로 연결한 것입니다.
직렬 연결 은 두 개 배터리의 전압은 더해지지만 (암페어시라고도 알려진)전류 정격은 유지합니다.
병렬 연결 은 가용 전류 정격은 증가시키지만 전압은 그대로 유지됩니다.
저온 시동 전류 (Cold Cranking Ampere, CCA): 미국에서의 정의
화씨 0도(섭씨 -18도)에서 30초 동안 전압이 사용할 수 없을 정도(7.2V 이하)로 낮아지기 전까지 배터리가 지속적으로 제공 가능한 전류량. 일반적으로 이 용어는 엔진 시동 배터리에서만 사용됩니다.
시동 전류 (Cranking Ampere, CA): 미국에서의 정의
CCA와 동일하지만 화씨 32도(섭씨 0도)에서 측정.
사이클 수명 (Cycle Life): 완전 충전 상태에서 완전 방전 시켰다 다시 완전 충전하는 것이 한번의 사이클로, 배터리가 수행 가능한 전체 사이클 횟수가 사이클 수명입니다. 하지만 대부분의 배터리 제조업체에서는 자사 제품의 사이클 수명에 대해 논의하지는 않습니다.
암페어시 (Ampere Hour, Ah) : 배터리 종류에 따라 정의가 다릅니다. Ah(Ampere Hour) 정격이 주어진 배터리라면 해당 정격으로 사용 가능한 시간이 수반되어야 합니다. 여러분 제품에 필요한 것을 찾을 때 비슷한 정격을 비교하고 있는지 확인하시기 바랍니다.
- 딥사이클 배터리의 경우 표준 정격은 20시간입니다.
- 시동 배터리의 정격은 일반적으로 10시간입니다.
매우 중요한 참고사항: 만약 니켈 카드뮴(Nickel Cadmium)과 니켈 수소(Nickel Metal Hydride)와 같이 배터리 화학 물질을 혼합하려 한다면 추가 조사를 해야 할 필요가 있습니다. (서로 다른)전압 또는 전류 정격을 섞으려 한다면 여기서는 다뤄지지 않았으므로 추가 조사를 해야 할 필요가 있습니다, 특히 배터리 뱅크를 하나의 유닛인 것처럼 재충전하려는 경우라면. 이 보고서에서는 여러 개의 동일한 배터리를 검토하고 있습니다.