배터리 팩

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Battery Pack

1 정의

배터리를 외부 환경의 물리적 충격으로부터 보호하며 특정한 역할을 수행할 수 있도록 만든 것. 가령 스마트폰이나, 무전기, 노트북 컴퓨터 등에 장착된 축전지가 대표적인 예이다.

통상적으로 전원이 적게 소비되는 장치에는 소량의 배터리가 포장되어 보호회로가 달려있는 형태.

반대로, 전동 자전거나 전기자동차와 같이 어마어마한 양의 전력을 소비하는 경우 적개는 한두개 많게는 수십개에 달하는 배터리가 한데 묶여서 하나의 배터리 팩 구조물을 이룬다.

배터리 팩의 구조가 복잡해질수록 각각 배터리별 성능차에 따라 배터리 팩 수명과 성능에 문제가 생길 수 있는데, 이를 극복하기위해 공장에서는 성능이 균일한 배터리를 생산하고, 그 중에서도 각종 특성 값이 거의 일치하는 배터리를 골라내어 한데 묶는 작업이 행해진다.

IT 분야, 특히 스마트폰과 같은 휴대용 IT기기 쪽에서는 속칭 밥통 이라고 부르기도 하며, 기계 내부에 들어있는 크고 아름다운 대용량 Li-CoMn(보통 우리가 리튬-이온 배터리라고 부르는 그것!) 전지를 사용해 디바이스를 충전하거나 비상 전원으로 이용한다. 전자기기들에게 있어 공중급유기의 역할을 하는것이다. 간단히 말하면, 기기의 전력을 책임지는 생명줄.

의외로 외장 배터리는 비상 시는 물론 일반적인 상황에서도 보조 배터리가 없을 때보다 더 큰 마음의 여유를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 필요시 배터리가 없는 제품을 가동하기 위해서 사용될 수도 있다. 만약 배터리가 0%에 다다르거나 갑자기 정전이 되었거나 예비군 훈련을 뛰거나 할 때에는 더할나위 없는 중요한 친구. 직장에서 정전이 발생하면 외장 배터리를 가진 사람은 인기인 겸 배터리 셔틀이 된다.

참고로 젠더 하나와 구형 스마트폰으로 보조 배터리 비슷한 것(?)을 만들 수 있다. 스마트폰의 경우 네트워크가 연결되지 않으면 의외로 대기시간은 긴 편이므로(최상의 상태일 경우 일주일에 10%씩 전력을 소비한다물론 오래 쓰던거면 얄짤없이 단다) USB OTG용 변환 젠더를 이용하여 사용 중인 휴대폰과 구형 휴대폰을 직접 연결해주면 호스트로 동작하는 쪽이 보조 배터리로서 동작하게 된다. 물론 전류 제약이 있어 충전속도가 빠르지는 않으므로 충전중인 휴대폰을 사용할 경우 여전히 충전속도보다 배터리 다는 속도가 더 빠를 수 있다. LG G5는 이 기능을 지원해, 배터리 크래들에 배터리를 넣으면 외장 배터리처럼 쓸 수 있다. 하지만 효율이 영 떨어져서 좋지 못하다.

2 상세

보통 우리가 IT기기에 사용하는 배터리 팩은 Li-CoMn(리튬 이온 배터리) 를 여러개 병렬해서 용량을 키워놓은 후, 승압 회로를 거쳐 전압을 올려주는구조로 되어 있다. 물론 중간에 배터리의 과방전, 과충전 방지용 보호회로가 삽입되어 있다.

이러한 단순 배터리 팩은 소비전력이 작고(수십와트라 해봐야 전기자전거,노트북,캠핑용 파워팩의 절반~수백분의 1수준이다) 구태여 고성능 배터리를 매칭시킬 필요가 없으므로 구조가 단순하다. 사실,병렬 배터리는 각 배터리가 엄청난 특성차를 보인다거나 할정도로 막장 상태만 아니라면 그냥 한데 묶어서 써도 웬만해서는 문제가 생기거나 하지 않는다. 물론 그렇다고 아무 배터리나 한데 묶어도 된다는건 절대 아니다. 같은 제조사의 같은 로트의 배터리를 성능검증 없이 그냥 묶어주고 쓰면 된다는 의미.

반면, 노트북이나 전기자전거, 전기자동차와 같이 어마어마한 소비전력을 사용하는 기기의 경우 배터리의 순간적으로 뽑아내는 전력량만해도 적게는 5A 정도에서 많게는 수백A에 달하다보니 각 배터리별로 정밀하게 특성이 일치하고, 균일한 품질로 제조된 제품을 묶어야 한다. 또한 보호 회로도 단순히 과충 과방전 방지를 넘어서서 배터리의 건강 상태를 점검하고, 이상 발생시 보호회로에서 처리를 시도하고, 배터리간 틀어진 특성을 잡아주도록 시도하는 등의 복합적인 배터리 매니지먼트 시스템 역할을 수행하는 BMS 회로를 장착하게 된다. 2015년에 들어 전반적인 가격이 하락하면서, 타 제품과 차별화 하기 위해 BMS 회로를 넣은 스마트폰 배터리팩도 나오는 추세이다.

사실, 이러한 배터리들은 애시당초 성능과 신뢰도가 아주 우수하다보니 구태여 복잡하게 매칭시키지 않아도 우리가 사용하는데에는 큰 지장이 없을 정도로 성능을 발휘한다. 레저스포츠용 배터리뱅크에 묻지마 수준으로 남용돼도 쌩쌩히 잘 버틴다. 힘쎄고 오래가는걸 끼얹나?

3 배터리를 따로 사용하지 않고 팩으로 제작하는 이유

배터리를 팩으로 제작하는 배터리 팩의 경우, 외부의 요인에 의한 위험성, 특정 기기나 환경에 대해 대응할 수 있도록 구성한 장치이다. 배터리를 따로 뽑아두었을 경우 그 배터리는 생각보다 대단히 연약하고 사고위험과 동작 신뢰성 등에 큰 장애를 초래할 수 있다. 이말은 즉, 구태여 고 신뢰성과 특정 기능과 환경에 대응하지 않아도 되는 배터리는 그냥 외부로 노출되어 있다는 의미이다.

당장 집에 있는 리모콘의 뒷뚜껑만 열어봐도 배터리가 팩으로 되어있지 않고 그냥 낱셀(배터리 하나 하나 각각을 셀, 배터리 cell이라고 한다.) 상태로 들어가 있다. 자동차 본닛을 열어보아도 큼지막한 납산전지가 그냥 구조물에 고정되어 단자에서 선만 쑥 연결되어 있다.

가령 이렇게 생각 해보자. 어떤 기기가 총 12개의 배터리 셀을 연결해서 동작한다고 할때 이 배터리를 한번에 충전해야되고 외부 충격에서 충분히 방호되어야 한다. 이런 기기에 들어가는 배터리를 그냥 여러개 줄줄이 연결해서 외부로 노출된 상태로 쓴다면 어떤 일이 벌어질까? 당연히 지속적인 충격과 진동에 의해 연결이 분리되거나, 찍힘 긁힘 등으로부터 12개의 배터리가 안전할리가 만무하다. 더군다나 이렇게 끊어진 배터리가 너덜너덜 돌아다니다 쇼트라도 발생하는 날에는... 폭발 화재는 덤으로 따라간다

이러한 이유에서 특정 환경에 대응하거나 기능을 발휘해야 하는 특수한 경우에 배터리를 팩으로 제조하는 것이다. 스마트폰도 배터리의 찍힘, 기스, 쇼트 등에 대응하고 각 핸드폰 별 디자인이라던가 작동을 위한 단자 접점과 정확히 맞닿게 하기 위해 배터리를 팩으로 만들어서 신뢰성을 높인 것이다.

3.1 디바이스 충전 시 용량에 대한 이슈

배터리라는 물건이 그렇게 간단한 물건이 아니다. 리튬 계열 배터리의 경우, 정상 전압 3.7V, 완충 전압 4.24V 최대 방전 전압 2.8V인데, 보통 표기하는 용량은 mAh 단위로, 만일 1mAh라면 1시간동안 1mA를 뽑아주면 방전된다는 의미(=2.8V까지 떨어진다)이다.

그런데, 실상 휴대폰 등의 전자제품은 내부 회로를 구동하기 위한 최저 전압이 3V를 넘어서기도 하고, 리튬 계열 배터리의 전압곡선 상 3.7V에서 전압이 떨어지기 시작하면 급격히 떨어지게 되므로 실제 최저 전압은 3.xV 수준에서 잡아두게 된다. 즉, 3.xV~2.8V까지의 전류는 쓸 수 없게 되고, 이게 용량 뻥튀기로 나타나는 것이다.

게다가 이 경우는 외부 배터리팩이다. 즉, 3.7V를 5V로 승압해서 USB 포트로 내보내야 하는데, 여기서 전력 손실이 일어난다. 물론 고급 반도체 칩으로 승압할 경우 효율은 무려 98%이상씩 나오기도 하지만, 가격이 비싸므로 보통 우리가 IT기기에 사용하는 배터리팩에는 이런 좋은 반도체가 사용된 경우를 보기가 힘들다.

게다가 USB로 충전하는 스마트폰의 경우, 접촉저항, USB 케이블의 저항, 핸드폰이 켜져있는 동안 충전하면서 소비하는 전력에 의해 효율이 또다시 낮아지게 된다. 그래서 실상 표기된 용량에 비해서 충전이 적게 되는 것이다. 3.7V를 5.0V로 변환할 때 스위칭 회로를 사용하게 되는데, 이때 회로에서 자체적으로 전력을 소비해버리게 되고 결론적으로 아주 좋은 회로를 썼을 때 기준으로 최종적인 배터리 용량의 90%이상을 활용할 수 있다는 의미이다. 심지어 강압 시에도 강압 회로에서 회로가 자체적으로 전력을 소비해버린다. 이러나 저러나 효율은 절대 100%가 될 수 없다보니 실제 표기 용량보다 충전되는 양은 더 적어질 수 밖에 없는것이다.

인터넷에는 이 전력 손실이 3.7V를 5.0V로 승압하면서 전류가 3.7/5.0비율로 저하하면서 일어난다는 주장이 잘 알려져 있고, 심지어 배터리팩 마케팅 업체에서도 그걸 그대로 가져다 쓰고는 하는 일이 발생하고 있는데, 이는 우연히 손실률이 3.7/5.0 비율과 비슷하게 나온 것 뿐으로 실제의 전력 손실은 위에 기술한 것 같이 다른 원인으로 일어난다. 물론 배터리 팩의 용량을 mAh값으로 표기할 때엔 보통 배터리의 전압인 3.7V 기준으로 표기하기 때문에 5.0V 기준으로 보면 3.7/5.0만큼의 전류밖에 나오지 않는 것이 사실이지만 에너지의 총량은 전압이 상승하기 때문에 그대로 유지된다. 따라서 이는 배터리팩 용량 표기법에 관련된 문제일 뿐이지 배터리 팩의 '효율'과는 상관이 없다.

또한 대륙의 제품들의 경우, 아예 대놓고 짝퉁으로 만들어서 실제 표기 용량의 1/10도 안되는 황당한 용량을 가지는 경우도 있다. 대표적으로 울트라파이어 브랜드. 울트라파이어의 경우 공식 울트라파이어 쇼핑몰이 아닌 타 사이트에 유통되는 동일 제품명의 상품들은 다 짝퉁이라고 봐도 무방할 지경... 오죽하면 공식 쇼핑몰에 짝퉁 파는 블랙리스트 사이트 목록 까지 작성해두었을까...

물론 그렇다고 해서 대륙제가 다 나쁜건 아니다. ATL사의 배터리라던가, 중국으로 인수된 A123사의 배터리는 리튬폴리머, 리튬인산철 배터리의 메이저급에 해당되는 브랜드이다. PISEN 같은 경우는 세계적으로 배터리를 공급하는 대기업이다. 샤오미는 3만 원에 팔 성능 좋은 배터리 팩을 1만 원 가량이라는 충격과 공포의 가격으로 팔고 있다. 미 파워 뱅크 참고. 일명 대륙의 실수 근데 얘도 요즘 짝퉁 넘치잖아

3.2 보통 시중에서 사용되는 제품들의 특징

스마트 디바이스가 보급됨에 따라 비상전원체계로 인기몰이중인 휴대용 배터리팩은 크게 두 종류로 나뉘는데 전지탈착형과 전지내장형, USB 용과 상용공급용이 있다.

전지탈착형은 보통 일반적인 AA 알카라인이나 니켈계열 충전지, 니켈 수소 ,니켈 카드뮴 등을 사용하여 USB 버스파워를 제공하는 제품군으로 사실 매일 쓰기용보단 비상용으로 쓰는것이 더 알맞은 제품군이다. 실제로 알카라인 한개나 니켈계 배터리 한 개의 전력량은 우리가 스마트폰에 이용하는 배터리의 1/3~1/4수준이다. 앞서서 설명했지만 여기에 충전 효율이라는게 또 따지고 들어가면...실제 충전되는 용량은 더 작아지게 되므로 비상용이 아닌 메인용으로는 활용하기가 사실상 불가능하다. 그럭저럭 좋은 품질의 제품도 있지만 개중에는 AA전지를 네 개 연결해서 6V를 얻은 후 (1.5 x 4) 다이오드를 달아서 역류를 막고 0.7V를 강하시켜 USB와 비슷한 전압을 만드는 물건도 있고 건전지는 두 개 쓰지만 중국에서 싸게 제조하느라 심하게 원가절감을 하여 저질 회로를 사용한 제품도 있는데, 이런 제품들은 가격이 싸다고 무심코 구입했다가는... 충전되는 속도보다 방전되는 속도가 더 빨라 오히려 활용이 불가능하고 괜한 배터리 용량만 축내는 경우가 발생될 수 있다. 저렴하다고 해서 일방적으로 가성비가 좋다는 건 절대 아니다! 가성비도 활용 가능한 수준이 되어주어야 가성비를 따질만한 가치가 있는 것이다.

파일:Xiaomi-Mi-Powerbank-Pro-e1457451401795.jpg
샤오미 10000mAh 2016년

내장형은 리튬 이온 배터리를 묶어서 제작한다. 사진에 나왔듯이, USB 포트 여러개를 달고 나오며, 기술이 발전함에 따라 과거와는 다르게 2A, 3A 출력을 지원하기도 하며, 퀄컴 퀵차지를 지원하는 모델들도 있다. 2012년에는 5200mAh 정도면 그 당시 핸드폰 배터리의 3배를 상회했으나, 스마트폰들도 발전을 하며 배터리 용량이 늘어나고 내장형이 많아져 최근에는 10000mAh, 20000mAh, 초대용량으로는 50000mAh의 휴대용 배터리도 나온다. 샤오미의 주도로 가격 또한 2만원대로 끌어 내려져 많은 사람들이 소유하게 되었다.

배터리 시장이 커짐에 따라 경쟁이 치열해지며 차별화를 위해 다양한 기능을 가진 제품들이 나오기 시작했다. 10만mAh의 초대용량, 자동차 배터리 점프 가능(!), LCD 창을 이용한 퍼센트 표시, 리튬 이온 대신 리튬 폴리머를 이용해 얇은 두께, 금속 외장 등등 다양한 시도가 시도됨에 따라 소비자들은 다양한 선택지를 저렴한 가격에 제공받을수 있게 되었다.

왠지 그거 랑 많이 닮은 것같다. 왜 자꾸 그게 생각나는걸까...? 레저스포츠용 배터리팩은 오래전부터 등산 낚시 캠핑 등에 있어서 필드(야외) 환경에서 충분한 전력을 공급하기위해 범용적이고 호환적인 전압인 12V에 큰 전류를 장기간 공급해주기 위해 개발된 장치이다. 이런 제품들은 멀티플한 활용 기능을 제공하며, 어마어마한 용량과 아주 복잡한 회로, 시스템을 갖추고 있다. 심지어 이러한 캠핑용 배터리 팩의 경우 밀도에서도 밀리지 않아서 12V 200AH급의 배터리팩이 자동차의 납축전지보다 작다.

용량과 성능이 어마어마하다보니 동시에 스마트 디바이스 십 여대이상씩 충전할수도 있고 심지어 저거가지고 필드에서 전자레인지 돌리고 커피포트와 전기장판까지 쓰고도 용량이 남는다

저정도 규모의 배터리뱅크는 각 배터리의 특성이 틀어지지 않게 잡아주기 위해서 단순 보호회로가 아닌 각 배터리별 밸런스를 잡아주는 셀 밸런스 시스템이 자체적으로 지원되며, 한 배터리의 충전이상 발생시 해당 배터리의 전압을 컷트시키거나 방전시켜가면서 다른 배터리와 함께 충전 성능을 일정하게 유지하는 등의 배터리 매니지먼트 시스템, BMS 회로가 기본으로 장비된다. 심지어 BMS에 셀 밸런스기능이 탑재되어 있는 상태에서 충전기를 이용하며 셀 밸런스를 또다시 잡아줄수있는 밸런스 충전 단자가 따로 마련되어있기까지 한 제품들이 많다.

필드에서는 저런 배터리 을 충전하기위해 보통은 태양전지판을 이용한다. 시스템 구성은 태양전지-충전회로-배터리팩 순서. 당연히 배터리팩 규모가 어마어마하다보니 태양전지도 100~200W급을 이용하기도 하며그 시스템의 규모로 따져본다면 웬만한 아파트 베란다 태양광 발전 규모보다도 더 클수도 있다.

여담이지만 한겨울철 아주 좋은 비상용 차량 시동배터리로 쓰여도 아주 훌륭하다. 용량이 용량이다보니 애시당초 저런 레저스포츠용 배터리팩에 들어가는 리튬전지는 일반 휴대기기에 사용되는 리튬망간산화물, 리튬망간코발트산화물 배터리와 달리 리튬인산철 배터리로 전압을 3.2V x 4 =12.8V로 2V x 6셀인 자동차용 납축전지의 12V에 근접하며 순간 방전율도 다른 리튬 이온 배터리에 비해서 상당히 높은 배터리이다. 다만 등가교환으로 동일용량에서 부피와 무게가 다소 떨어진다. 물론 재생배터리라던가, 어둠의경로 뒷골목으로 비정상적으로 유통되는 배터리, 원칙적으로따져서 유통될 수 없는 배터리 가 유통되는 경우도 있긴 하다. 고소방지를 위해 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.

4 배터리 팩 자작

집에 많이 남아도는 구형 배터리(정확히 무엇인가요?)를 이용해서 보조배터리를 자작할 수도 있다.
준비물은 아래와 같다.

• 승압 회로(배터리팩에서 뜯어내거나 모듈 형태로 5천원정도의 가격에 판매한다.)
• 구형 배터리
• 전극 테스트기
• 납땜용 공구(납땜 없이 직접 단단하게 연결해도 되나 접촉 불량시 효율이 떨어질 수 있다.)

방법은 아래와 같다.

1. 전극 테스트기로 배터리의 전극을 확인한다.
2. 배터리의 +단자와 -단자를 승압회로의 +단자와 -단자에 납땜하여 연결한다.(병렬 연결 가능. 이론적으로는 BMS덕분에 다른 종류의 배터리를 병렬로 연결해도 풀충전 한번 해 주면 전하가 고르게 분배된다.)
3. 케이스 등으로 외부를 감싸 사용하면 끝.

비싼 보조배터리를 살 필요 없이 몇천원짜리 모듈로 자유롭게 용량을 늘릴 수 있는 방법이기에 친환경적이고 경제적인 방법일 수 있다. 단 납땜시의 위험성에 유의하여야 한다.
납땜시의 고온은 배터리를 손상시키기 쉬우므로 확실하게 찾아볼 생각이 아니라면 납땜을 직접 하는 것 보다는 배터리 소켓을 사용하는 것이 나을 수 있다.

5 이야깃거리

• 소니에서 출시한 패블릿 스마트폰인 엑스페리아 Z 울트라는 핸드폰 케이스 속에 외장 배터리와 터치펜이 내장된 파워 케이스라는 이름으로 소니에서 공식 발매되는 케이스가 있다. 왠만해서는 보조 배터리 안들고다녀도 파워 케이스 + 스마트폰 조합으로 하루종일 사용할 수 있을 정도. 플립커버 케이스, 겉면은 가죽. (배터리는 내장형). 단점으로는 유일하게 엑스페리아 Z 울트라 기종만 사용 가능, 터치펜이 생각보다 잘 안뽑히는데 구조상 터치펜만 따로 빠져서 도망갈수도 있는 구조. 무엇보다 엑스페리아 Z 울트라 자체가 엄청 큰데, 파워 케이스까지 끼우면 정말 무지막지하게 커진다(...). 일반 바지 주머니에 휴대는 아주 부담스럽다.

• 2014년에 중국 회사인 샤오미에서 미 파워 뱅크를 내놓았는데 10400mAh짜리 배터리를 69위안 이라는 혁신적인 가격과 애플스러운 디자인을 가진 알루미늄 외장으로 만들어져 충격과 공포를 안겨 주었다. 실수로 만들어진 대륙의 명기라는 별명을 받을 정도. 참고로 제품 생산 초기에 삼성,LG의 배터리 셀을 사용하다 어느순간 리센이라는 중국기업에서 제작한 배터리셀도 함께 사용하고 있다.잠수함 패치

• 레저스포츠용 배터리팩의 경우 내가 쓰는 배터리팩에 들어간 배터리가 어둠의경로로 유통된건지 정상적 롯트로 생산되어 시중판매되는건지에 대한 문제도 꽤 발생된다. 가령 재생배터리(대표적으로 단자재생) 라던가... 업체에서 개발,연구단계에 있던 배터리를 폐기처분하는것이 시중에 유통된다거나 하는 경우.
  물론 이런 배터리라고해서 다 위험한것은 아니다. 왜냐하면 공장에서의 폐기처분 기준이 워낙 까다로워서 그런데... 가령 배터리 성능은 시판품과 전혀 차이가 없음 에도 불구하고 단지 제조공정상 겉면에 이름 단어 숫자 한글자 잘못 찍혔다고(...) 폐기처분 대상품이 되거나, 겉면에 기스가 조금 있는 채로 조립돼서 폐기처분 대상이 되는 등의 경우도 폐기품 판정받는 배터리가 어둠의경로 뒷골목으로 유통되는 것이기 때문이다.
  하지만 그것이 문제의 전부는 아니다. 어쨌든 공장에서는 쓰지 말라고 폐기처분한 물건에 해당된다. 이말은 즉, 이러한 비정상적인 경로로 유통되는 배터리 혹은 재생 배터리를 이용하여 만들어진 배터리 팩이 혹시나 모를 폭발이나 화재를 일으키게 된다면? 배상 문제라던가, 책임 관련해서 상당히 큰 문제를 일으킬것은 뻔하다. 더군다나 유통될수 없는 폐기처리된 산업폐기물에 해당하니 문제발생시 일이 더 커질수밖에 없다.
  사용은 개개인의 몫이다...하지만 가격이 비싸고 저렴하고의 차이와 안정성은 또다른 가치이자 돈으로 바꿀수 없는 가치라는것을 한번쯤 생각해보는게 어떨까.

• 항공사의 리튬 배터리 선적이 강화됨에 따라, 비행기 여행 시 배터리 팩은 수화물로 부칠 수 없으며 핸드캐리로 가지고 타야 하며 중국 입국시 리튬배터리 용량이 확인되지 않는경우 보안검색에서 상당시간이 소요되거나 압수당할수 있으니 유의하자