RECOM 블로그 2: 24V 배터리 구동 분야

배터리 전기차(BEV)를 포함한 모든 전기차(EV)에는 기존의 12V 납산 배터리가 탑재됩니다. 12V 납산 배터리는 메인 트랙션 배터리가 방전되더라도 계속 작동해야 하는 키리스 엔트리 및 경보 시스템용의 독립 전원 공급 장치로 사용되며, 다른 공급 전압으로 다시 보증하려면 시간이 오래 걸리고 비경제적인 레거시 12V 장비(에어백 시스템, 안전벨트 텐셔너, 대시보드 디스플레이 등)에도 공급됩니다.

내연기관(ICE) 차량에서는 납산 배터리가 엔진의 스타터 배터리로도 사용됩니다. 모페드(모터 달린 자전거)와 오토바이의 배터리는 6V, 대부분의 자동차는 12V, 대형 트럭의 경우 일반적으로 24V입니다. 6V의 배수인 것도 우연의 일치가 아닙니다. 화학물질 유형이 다양한(납산, 리튬 이온, LiFePO4 등) 배터리의 세계에서 가장 기본적인 단위는 배터리 셀이며, 이는 1~4V 범위의 부동 개회로(예: 네이티브) 전압을 가질 수 있습니다. 따라서 (특히 보호 회로와 결합한 경우) 배터리 팩(공식 명칭은 배터리 팩이지만 보통 간단히 배터리로 칭하는 경우가 더 많음)에서 여러 셀을 결합하면 더 높은 전압을 얻을 수 있습니다. 셀은 필요한 출력 전압을 얻기 위해 직렬로 결합됩니다(출력 전류를 높이기 위해 병렬로 연결할 수도 있음).

납산 배터리의 경우 셀 전압은 2V이므로, 3개의 셀을 직렬로 연결하면 6V를 전달하고 6개의 셀은 12V를, 12개의 셀은 24V를 전달합니다. 군용 차량 및 항공기용 납산 배터리는 14셀을 사용하여 군용 표준 28V의 전압을 전달합니다. 리튬이온 배터리의 경우 셀 전압은 2.4~3V이므로, 6팩의 리튬이온 배터리는 휴대용 전기 드릴 및 기타 작업장 장비에 사용할 수 있는 18V의 일반적인 배터리 전압을 제공합니다.

일반적으로, 납산 배터리는 무게보다는 가격이 중요한 대형(고전류) 분야에서 사용하고 리튬이온 배터리는 빠른 충전과 경량이 더 중요한 분야에서 사용할 수 있지만, 배터리 화학물질(과 에너지 저장 일반)은 너무 단순화하여 설명하기에는 훨씬 더 미묘한 차이가 있고 “변덕스러울” 수 있으므로 이 [1] RECOM 블로그부터 시작해서 더 상세한 리소스를 참조하는 것이 좋습니다.

배터리 구동 분야에서 가장 일반적인 전압은 6V, 12V, 18V이지만 다양한 용도의 분야에서 버스 전압을 24V와 48V 같은 더 높은 전압으로 확장하는 추세가 증가하고 있습니다. 다양한 용례에서 이러한 추세가 나타난 동기는 다음 섹션에서 자세히 설명합니다.

12V 납산 배터리는 24V 또는 48V 솔루션보다 흔하기 때문에 고전압 배터리보다 저렴하고 가용성이 높은 편인 것은 사실입니다. 모터 시동 시 대형 배터리는 수백 암페어를 전달할 수 있지만 최대 연속 전류는 배선 하네스의 전류 운반 용량으로 인해 약 100A로 제한되어 최대 가용 전력이 약 1,200W로 제한됩니다.

아래 수식에서 볼 수 있듯이 전력은 전류와 전압에 정비례하지만 저항 경로(예: 전선)의 전류에는 지수함수적으로 비례합니다.





와트의 법칙이 옴의 법칙과 결합하면 전류가 전력 소비량에 미치는 지수함수적 영향이 명백해집니다. 전선의 저항으로 인해 최종 부하에 도달하기 전에 전력 손실과 전압 강하가 발생합니다.



여기서 도출할 수 있는 몇 가지 결론이 있습니다.

• 전압을 두 배로 하여 동량의 전력을 전달하면 전류량은 절반으로 줄어듭니다.
• 전류가 절반으로 줄어들면 시스템의 전류 처리 능력이 절반으로 줄어들어 동일한 전력을 전달하기 위해 도체의 크기를 줄입니다.
• 동일한 도체에서 전류가 절반으로 줄어들면 경로를 따라 전압 강하가 절반으로 줄어들어 최종 부하에 더 높은 전압을 전달합니다(예: 시스템 효율 증가).
• 전류가 반으로 줄어들면 동일한 전압 강하를 위해 도체 길이를 두 배로 늘릴 수 있습니다.
• 동일한 도체에서 전류가 절반으로 줄어들면 배전망 전력 손실의 1/4만 발생합니다.

세계가 전기차로 빠르게 전환하고 있지만 내연기관차는 적어도 향후 20년 동안 계속 생산될 것이며 따라서 2050년 이후까지 도로를 달릴 것입니다. 이 기간 동안 혁신은 멈추지 않을 것입니다. 자동차는 모든 도로 조건에서 완벽한 주행을 위한 전기적으로 조절 가능한 적응형 서스펜션, 더 정교한 에어컨 제어, 기계식 펌프를 전기식 펌프 및 터보차저로 교체, 순간 엔진 시작/정지 시스템(이들은 모두 전력 소모가 많아 12V 배터리의 전력 공급 능력을 초과함)과 같은 기술 개발로 계속해서 기술력의 중심이 될 것입니다.

내연기관차와 하이브리드 전기차의 48V 배터리 시스템은 5kW의 전력을 공급하면서도 여전히 SELV(안전 초저전압)로 분류됩니다. 즉 기존의 배선 절연과 정비공 안전 교육이면 감전 위험을 줄이기에 충분합니다(60V 미만의 모든 DC 전압은 대부분의 사용 사례에서 “안전”하다고 볼 수 있음). 대형차와 기타 형태의 배터리 구동 차량은 배선량이 매우 많아 총 중량이 늘어날 수 있지만 많은 배선 무게는 전기차와 마찬가지로 내연기관차에서도 흔하다는 점을 염두에 두어야 합니다. 때로는 구리 사용을 줄이기만 해도 전압이 올라갈 수 있습니다. 이러한 무게/비용 절감에 고전압 배터리 팩을 사용해 달성한 무게/비용 절감이 합쳐지면 (연료 또는 배터리 수명 측면에서) 확연한 변화를 가져올 수 있습니다.

이러한 요소는 모두 본고에 나와 있는 실사용 분야에서 다양한 가치 제안으로 이어집니다. 버스 전압을 높이는 것은 전력 처리 능력 증가, 시스템 크기 감소, 에너지 효율성 향상, 전선 크기 감소, 더 긴 전선 지원, 신뢰성 요소 등 다양한 측면에서 매우 유리할 수 있습니다.

그렇다면 [특히] 24V 또는 48V 배터리의 일반적인 기회와 용도로는 어떤 것이 있을까요? 우선 모든 종류의 전기 모터를 들 수 있습니다. 수공구, 어선, 골프 카트, 휠체어/스쿠터에 사용하는 것과 같은 소형 모터는 일반적으로 테더링을 하지 않기 때문에 전체 시스템 크기/무게에 민감한 경향이 있으므로 배터리와 관련 파워 일렉트로닉스/배선의 무게를 지탱하는 것만으로도 상당한 배터리 전력을 소모할 수 있습니다. 한편 이 분야에서 개선을 통해 에너지 효율성 기회를 늘릴 수 있는 잠재력이 얼마나 큰지 강조하자면, 산업용 모터와 모터 구동 시스템은 모든 산업 가운데서 총 에너지 발자국[2]이 가장 큰 편입니다.

모터 외에도 고전압 배터리의 이점을 활용하는 다양한 전기 시스템이 있습니다. 그 좋은 예가 태양 전지판(PV)입니다. 배터리가 배열과 용도에 따라 크기가 조정된 유사하고 적절한 에너지 저장장치를 제공하는 것과 마찬가지로 태양 전지판 역시 모듈형일 수 있기 때문입니다. 24V 또는 48V 독립형 솔루션은 산장이나 원격 기상 관측소 또는 휴대폰 기지국에 전력을 공급할 수 있는 충분한 피크 전력을 제공하는 동시에 흐린 날이 여러 날 이어져도 중요한 시스템에 전원을 공급할 수 있는 충분한 배터리 용량을 갖추고 있습니다.

앞서 언급한 여러 활용 분야의 컨버전스(융합)가 점점 더 보편화되고 있습니다. 대형 보트는 전통적인 해양용 고전압 배터리뿐 아니라 PV 통합의 이점을 누릴 수 있습니다. COVID-19로 인해 엄청나게 급증한 레저용 차량(RV)에도 동일한 개념이 적용됩니다. 이중화와 배터리 전원을 많이 사용하는 군사 및 기타 고신뢰성 분야에서는 12V 기반 시스템을 24V 또는 48V 기반 시스템으로 많이 전환합니다. RECOM은 또한 1,200VA의 출력 전력으로 3상 115VAC를 발전하는 해양용 48V 배터리 구동식 AC 인버터를 제공합니다.

민감한 전자 장치나 무선 송신기에 전력을 공급하기 위해 배터리를 사용할 때 공급 전압을 안정적으로 유지하는 것이 중요합니다. 전압 조정기는 저장된 에너지의 사용을 극대화할 수 있도록 효율적이어야 하고, 완전히 충전된 배터리와 완전히 방전된 배터리 사이의 차이에 대응할 수 있을 만큼 입력 전압 범위가 넓어야 하며, 많은 경우 접지 루프 간섭을 피하거나 낙뢰 또는 외부 전자기장과 같은 이벤트로 인한 부하 덤프 전압 서지 또는 유도된 전압 변화로부터 장비를 보호하기 위해 갈바닉 절연 출력을 갖추어야 합니다. 일반적으로 더 많이 노출된 환경일수록 더 높은 격리 장벽이 필요합니다.

RECOM은 특히 넓은 입력 전압 범위, 매우 높은 효율, 초저 대기 소비 전력을 갖춘 배터리 구동식 장비에 적합한 보드 레벨 전원 공급장치용의 다양한 저비용, 초소형, 비절연 전압 조정기(예: RPM 및 RPX 시리즈)와 12V/24V 시스템(9~36V) 또는 24V/48V 시스템(18~75V)에 적합한 4:1 입력 전압 범위의 절연형 DC/DC 컨버터를 제공합니다. 범용 솔루션이 필요한 경우, RPA150E 시리즈는 12V/18V/24V 및 48V 배터리 팩 전압을 포함하는 9~60VDC의 입력 전압 범위에서 150W의 조정된 절연 출력 전력을 8브릭의 일체형으로 제공합니다. 내부 평면 변압기가 있는 절연형 DC/DC 변환기이므로 24V 또는 48V 버스 전압 안정기 역할도 하여 입력 전압이 출력보다 높거나 같거나 낮더라도 일정한 전압과 단락 방지 출력을 제공합니다.

풍부한 기능의 파워 일렉트로닉스에 버스 전압 상승을 결합하여 이러한 기술 발전을 이용하는 용도의 수와 종류를 더욱 확장할 수 있습니다. 컴퓨팅 분야(테더링과 비테더링, 즉 데이터 센터와 노트북 모두)는 위에서 설명한 이점 때문에 사용 용도가 같습니다. 예를 들어, 컴퓨터 서버는 배터리 백업을 이용할 수 있으므로 절대 내려갈 수 없는 크고 지속적인 부하가 주어지면 (물리적으로, 그리고 전압 수준별로) 가능한 한 부하에 가깝게 에너지 저장소를 배치하는 것이 설계를 최적화함은 물론, 데이터 센터의 전체 소유 비용(TCO)을 끌어올리는 에너지 OPEX(운영 비용)를 완화하는 데 매우 유리합니다. 이는 BBU(배터리 백업 장치)가 있는 시스템의 프런트 엔드에서 직접 실현할 수 있으며, 전환에 소요되는 시간 없이 부하에 사용할 수 있는 에너지 저장소의 형태로 중요한 예비 전력을 제공합니다.

12V 배터리가 24V 솔루션으로의 경로를 제공했듯이 24V 배터리도 48V 애플리케이션으로의 마이그레이션을 가능하게 합니다. 일반적으로, 셀을 고전압 배터리 팩에 통합하면 패키징 오버헤드가 줄어들고 가치 제안만 늘어납니다. 현재 24V 배터리는 12V와 48V 버스 사이의 최적 지점에 있습니다.

전력망과 마찬가지로 거의 모든 대형 시스템은 더 높은 배전 전압으로의 지속적인 추진을 통한 이점을 누릴 수 있습니다.

[1] RECOM, “What is energy storage?” RECOM Blog, Nov 4, 2022, https://recom-power.com/en/rec-n-what-is-energy-storage--233.html
[2] IEA, “Motor-driven system electricity use as a share of electricity use by industry subsector,” IEA, Paris,https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/motor-driven-system-electricity-use-as-a-share-of-electricity-use-by-industry-subsector (accessed January 3, 2023).