전기차 배터리 시스템에서의 저항과 임피던스 개념

전기차 배터리 팩에서 저항(resistance)과 임피던스(impedance)는 모두 전류의 흐름을 방해하는 요소이지만, 그 개념과 작동 방식에는 중요한 차이가 있습니다.

 

이 두 용어는 주로 배터리 시스템의 전기적 성능을 설명할 때 사용되며, 특히 저항은 주로 직류(DC) 회로에서, 임피던스는 교류(AC) 회로에서 주로 적용됩니다.

 

하지만 배터리처럼 시간이 지남에 따라 변화하는 특성을 가진 시스템에서는 두 개념 모두 관련이 있습니다.

 

 

저항 (Resistance)

 

저항은 전기회로에서 전류의 흐름을 방해하는 요소로, 직류(DC) 전류와 관련이 있습니다.

옴의 법칙에 따라 저항은 다음과 같이 정의됩니다.

 

아시겠지만,  R은 저항 (옴, Ω), V는 전압 (볼트, V), I는 전류 (암페어, A) 입니다. 

 

저항은 기본적으로 전류의 흐름에 대해 일정한 저항 값을 가지며, 이는 주로 재료의 성질에 따라 결정됩니다.

저항이 높으면 전류의 흐름이 더 어렵게 되고, 더 많은 전압을 요구합니다.

 

전기차 배터리 팩에서의 저항

• 배터리 팩의 내부 저항은 고정된 값으로, 배터리 셀, 모듈, 팩 내부의 물리적 재료에 의해 결정됩니다.
• 이 값은 온도나 충전 상태(State of Charge, SOC)에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 저온에서는 저항이 더 높아지고, 전류가 흐를 때 발생하는 열에 의해 저항이 변할 수 있습니다.
• 저항이 높을수록 배터리 팩의 전력 손실이 증가하며, 발열이 발생합니다.

 

임피던스 (Impedance)

 

임피던스는 교류(AC) 신호에서 전류의 흐름을 방해하는 요소입니다.

임피던스는 저항과 더불어 리액턴스(reactance)라는 성분을 포함하고 있으며, 이는 회로에서 전류의 주파수에 따라 변하는 성분입니다.

임피던스는 다음과 같이 표현됩니다.

 

Z는 임피던스 (옴, Ω)

R은 저항 (옴, Ω)

X는 리액턴스 (옴, Ω)

j는 허수 단위 (리액턴스가 복소수 형태로 나타나는 이유)

 

리액턴스는 회로의 인덕턴스(유도성)와 커패시턴스(용량성) 성분에 의해 결정되며, 주파수에 따라 변합니다. 리액턴스는 전류와 전압의 위상 차이를 유발하고, 이를 통해 교류 신호에서 전력 손실을 일으킬 수 있습니다.

 

전기차 배터리 팩에서의 임피던스

 

• 배터리 팩의 임피던스는 시간에 따라 변화하는 전류나 주파수 의존성이 있는 전류에 영향을 미칩니다.
• 배터리 임피던스는 배터리의 화학적 상태, 온도, 충전 상태(SOC), 그리고 배터리의 노화와 관련이 있습니다. 임피던스가 높아지면, 배터리 성능이 저하되고 효율이 떨어집니다.
• 임피던스 측정은 배터리의 상태를 평가하는 중요한 방법 중 하나입니다. 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)와 같은 기술을 사용하여 배터리의 임피던스를 측정하고, 이를 통해 배터리 상태, 노화 정도 등을 판단할 수 있습니다.

비유적 설명

• 저항: 마치 직선 도로를 자동차가 주행하는 것과 같아서, 도로의 상태가 좋고 고르기 때문에 자동차가 쉽게 이동합니다.
• 임피던스: 마치 자동차가 다양한 도로(고속도로, 언덕, 코너 등)를 지나가는 것과 같아서, 도로의 상태나 종류에 따라 자동차의 속도가 달라집니다. 즉, 임피던스는 도로의 형태에 따라 주행하는 속도가 달라지는 것을 반영합니다.

 

저항과 임피던스의 차이점

 

• 저항은 직류(DC)에서 전류의 흐름을 방해하는 요소로, 주파수와 상관없이 일정한 값을 가집니다.
• 임피던스는 교류(AC)에서 전류의 흐름을 방해하는 요소로, 저항뿐만 아니라 리액턴스도 포함하며, 주파수에 따라 값이 달라집니다.
• 저항은 항상 실수 값이지만, 임피던스는 복소수 값으로 표현됩니다. 즉, 임피던스는 전류와 전압 사이의 위상차를 나타내는 성분도 포함합니다.

 

전기차 배터리에서의 응용

 

저항: 전기차 배터리의 내부 저항이 낮을수록 전력 손실이 줄어들고 효율이 증가합니다. 배터리 팩의 저항을 낮추는 것이 전기차의 성능 향상에 중요한 요소입니다.

 

임피던스: 배터리의 임피던스는 주로 고속 충방전 시 영향을 미칩니다. 고주파 성분이 포함된 충방전 과정에서는 임피던스가 중요한 역할을 합니다. 배터리 임피던스가 증가하면 충방전 효율이 저하되고, 배터리의 열화 속도가 빨라질 수 있습니다.

 

 

맺음말

 

저항은 배터리 내부에서 전류의 흐름을 저항하는 고정된 요소로, 전류가 흐를 때 전력 손실과 발열을 일으킵니다.

 

임피던스는 배터리의 동적 특성을 포함하며, 전류의 변화나 주파수에 따라 전기적 반응이 달라집니다. 임피던스는 배터리의 상태를 평가하는 중요한 지표로 사용됩니다.

 

두 개념 모두 전기차 배터리 성능에 중요한 영향을 미치며, 배터리의 수명과 효율을 최적화하는 데 중요한 요소입니다.