배터리 성능의 핵심 지표: DCIR과 ACIR의 차이점과 중요성

배터리 기술은 전기차, 스마트폰, 저장 시스템 등 다양한 분야에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 이 과정에서 배터리의 성능을 정확히 측정하고 평가하는 것이 필수적이며, 그 중심에는 DCIR(직류 내부 저항)과 ACIR(교류 내부 저항)이라는 두 가지 핵심 지표가 있습니다. 이번 글에서는 이 두 가지 개념을 자세히 설명하고, 각각의 장단점 및 활용 방법을 살펴보겠습니다.

배터리 내부 저항이란 배터리의 전압을 흐르는데 방해가 되는 저항을 의미합니다. 전류가 흐를 때, 배터리 내부에서 발생하는 저항이 클수록 배터리의 성능은 낮아지며, 열이 발생하여 배터리 수명에도 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 DCIR과 ACIR을 통해 이러한 내부 저항을 측정하고, 이를 기반으로 배터리의 상태를 분석하는 것이 중요합니다.

 

 

DCIR의 정의 및 역할

 

DCIR은 직류(DC)를 이용해 배터리의 내부 저항을 측정하는 방식입니다. 일반적으로 배터리가 실제로 사용되는 환경과 유사한 조건에서 측정이 이루어지며, 전류를 일정하게 유지한 상태에서 배터리의 전압 강하를 측정하여 내부 저항을 계산합니다. 이를 통해 배터리가 고부하에서 얼마나 효율적으로 작동할 수 있는지, 그리고 얼마나 열화가 진행되고 있는지를 파악할 수 있습니다.

DCIR 측정은 실생활에서 사용되는 배터리 환경과 매우 밀접하게 연결되어 있기 때문에, 특히 전기차와 같은 고부하 상황에서 매우 중요한 지표로 활용됩니다. 높은 전류가 흐를 때 배터리 내부에서 발생하는 저항이 클수록 효율이 낮아지며, 이는 배터리의 성능 저하와 수명 단축으로 이어질 수 있습니다. 또한, DCIR은 배터리의 열적 안정성을 평가하는 데에도 중요한 역할을 합니다.

 

DCIR = (V 0  – V 2 ) / (I 2  – I 0 ) = ΔV / ΔI

 

DCIR 측정 공식은 다음과 같습니다.

규제 기관에서 정한 표준이 있으며, 셀의 DCIR을 측정할 때 따라야 합니다. 이러한 표준은 보편성과 사과 대 사과 비교를 위해 정해졌습니다. 널리 사용되는 몇 가지 표준에 대해 설명하겠습니다.

IEC 61960
이 표준에서는 0.2C의 방전 펄스를 10초 동안 주고 V1과 I1 값을 측정합니다. 그런 다음 1C의 또 다른 방전 펄스를 1초 동안 주고 V2와 I2 값을 측정합니다. 그런 다음 위에 언급된 공식을 사용하여 DCIR을 계산합니다.

그런 다음 DCIR은 다음과 같이 계산합니다.

ISO 12405
이 표준에서는; 먼저 18초 동안 1C의 방전 펄스를 주고, 그다음 102초 동안 0.75C로 방전하고 V1과 I1 값을 측정합니다. 그런 다음 배터리를 40초 동안 쉬게 한 다음 V2와 I2 값을 기록합니다.

그런 다음 20초 동안 0.75C의 충전 펄스를 주고 V3과 I3 값을 기록합니다. 마지막으로 배터리를 40초 동안 쉬게 한 다음 V4와 I4 값을 측정합니다.

그런 다음 DCIR은 다음과 같이 계산합니다.

ACIR의 정의 및 역할

 

ACIR은 교류(AC)를 이용해 배터리의 내부 저항을 측정하는 방식입니다. 주파수가 일정한 교류 신호를 통해 배터리의 반응을 분석하며, 이를 통해 저항 성분 외에도 배터리 내부의 다양한 전기적 특성을 파악할 수 있습니다. ACIR은 DCIR에 비해 좀 더 정밀하게 배터리의 상태를 평가할 수 있으며, 배터리의 임피던스 변화를 주파수에 따라 분석할 수 있는 장점이 있습니다.

ACIR은 특히 배터리의 내부 구조적 결함이나 열화 상태를 분석하는 데 유용하며, DCIR로는 포착하기 어려운 미세한 변화를 감지할 수 있습니다. 배터리의 수명이 다가오면 ACIR 값이 증가하는 경향을 보이며, 이를 통해 배터리의 교체 시기를 미리 예측할 수 있습니다. 또한, 고속 충전과 방전 시 배터리의 반응성을 분석하는 데도 중요한 지표로 사용됩니다.

 

이름에서 알 수 있듯이 ACIR은 교류 내부 저항을 의미합니다. 100mA 1000Hz의 교류 전류가 ACIR 측정 장비를 통해 셀에 적용됩니다. 이 장비의 작동 원리는 Iac를 적용한 다음 Vac를 측정하는 것입니다. 그런 다음

임피던스를 측정할 때 위상 이동이 발생합니다. 따라서 리액턴스 부분을 무시하고 실수 부분만 내부 저항을 측정하는 것으로 간주됩니다. ACIR은 Rint만 제공합니다.

위의 공식으로 ACIR을 계산할 수 있습니다. 

DCIR과 ACIR의 비교 및 활용

 

DCIR과 ACIR은 각각의 장점과 단점이 있으며, 배터리 성능 평가에서 서로 보완적인 역할을 합니다. DCIR은 실생활에서 배터리가 실제로 사용되는 환경과 유사한 조건에서 배터리의 내부 저항을 측정하는 데 유리하며, 고부하 상황에서 배터리의 성능을 평가할 때 효과적입니다. 반면, ACIR은 배터리의 미세한 결함이나 열화 상태를 보다 정밀하게 평가할 수 있어 배터리 수명 예측과 품질 관리를 위한 도구로 유용합니다.

또한, DCIR과 ACIR을 함께 분석하면 배터리의 전체적인 상태와 성능을 보다 정확하게 평가할 수 있습니다. 예를 들어, DCIR 값이 일정하게 유지되더라도 ACIR에서 변화가 나타난다면, 이는 배터리 내부에서 미세한 열화가 진행되고 있음을 의미할 수 있습니다. 이러한 다각적인 분석을 통해 배터리의 안전성과 효율성을 극대화할 수 있습니다.

ACIR vs DCIR

 

 

 

배터리 성능 평가에서의 중요성

 

배터리 성능 평가에서 DCIR과 ACIR은 필수적인 지표로 사용되며, 이를 통해 배터리의 안전성, 수명, 효율성을 종합적으로 분석할 수 있습니다. 특히 전기차와 같은 고성능 배터리를 사용하는 경우, 이러한 지표를 통해 배터리의 상태를 지속적으로 모니터링하고, 최적의 성능을 유지할 수 있도록 관리하는 것이 중요합니다.

배터리 제조사들은 DCIR과 ACIR을 활용해 배터리의 품질을 관리하며, 이를 통해 보다 안전하고 신뢰성 높은 제품을 시장에 공급할 수 있습니다. 또한, 소비자들도 이러한 지표를 통해 배터리의 상태를 파악하고, 안전하게 사용할 수 있는 기준을 마련할 수 있습니다.

 

 

결론 및 전망

 

결론적으로, DCIR과 ACIR은 배터리 성능을 평가하고 관리하는 데 매우 중요한 지표입니다. 각각의 장점과 단점을 잘 이해하고 활용하면, 배터리의 성능을 최적화하고 수명을 연장하는 데 큰 도움이 될 것입니다. 특히 전기차와 같은 고성능 배터리를 사용하는 분야에서는 이러한 지표를 통해 배터리의 안전성을 보장하고, 성능 저하를 방지하는 것이 매우 중요합니다.

앞으로 배터리 기술이 발전함에 따라, DCIR과 ACIR의 측정 기술도 더욱 정교해질 것으로 예상됩니다. 이를 통해 배터리의 성능을 더욱 정확하게 평가하고, 보다 안전하고 효율적인 배터리 관리가 가능해질 것입니다.