전기자전거의 발전은 배터리 기술에 달렸다

바이크조선

입력 : 2016.12.05 14:23

리튬이온(Li-ion) 배터리

전기자전거는 배터리의 전력을 통해 모터를 구동하는 방식으로, 배터리가 없으면 전기자전거는 그 역할을 다 할 수 없다. 사실상 전기자전거가 실현될 수 있었던 것도, 지금처럼 인기를 얻게 된 것도 이 배터리의 발전 덕분이다. 이번에는 전기자전거 배터리의 대부분을 차지하는 리튬이온 배터리에 대해 자세히 알아보자.

	전기자전거의 발전은 배터리 기술에 달렸다
불과 10년 전, 주로 사용되던 납 배터리 전기자전거는 몇 년 전부터는 찾아보기도 힘들어졌다. 현시점에서 전기자전거를 운용하려면 리튬이온 배터리에 대한 이해는 필수적이다. 물론 앞으로 10년 후에는 또 어떤 신소재 배터리가 나타나 전기자전거의 판도를 뒤집을지 모르지만, 현재 모든 산업분야와 일상생활 전반에 걸쳐 가장 많이 쓰이는 것은 바로 이 리튬이온 배터리다.

	전기자전거의 발전은 배터리 기술에 달렸다

리튬이온 배터리는 어디에나 있다

에너지 밀도가 높은 리튬이온 배터리는 조금만 살펴보면 우리 생활 속에서 너무나 많이 사용되고 있다. 휴대폰과 노트북은 물론, 작은 라이트나 경보기, 리모컨, RC(무선조종) 외에 우리가 사용하는 전기자전거도 대부분 리튬이온 배터리를 사용해 가장 흔한 2차전지(충전지)가 되었다.

리튬전지의 이론은 1960년대에 나왔지만 리튬의 안정성 문제 때문에 실용화되지 못하다가 1991년 소니에서 상용화에 성공해 2016년 현재, 전세계 모든 충전지 시장의 주력상품이 되었다. 전기자전거 역시 이같은 기술의 흐름을 따를 수밖에 없으므로, 전기자전거를 타기 위해서는 리튬배터리에 대한 지식이 있어야 한다. 향후 새로운 배터리 기술이 나타나 전기자전거를 바꾸기 전까지는 말이다.


	다양한 디자인으로 배터리 팩들이 나오고 있다. 물통형상으로 디자인된 배터리
다양한 디자인으로 배터리 팩들이 나오고 있다. 물통형상으로 디자인된 배터리

리튬이온 전지가 현존 최고의 2차전지(충전지)인 이유는?

1. 용량대비 가볍다.
리튬은 금속 중 가장 가볍고, 리튬이온 배터리는 현존하는 양산 배터리 중 무게와 부피 대비 에너지 밀도가 가장 높다. 2016년 기준 리튬이온전지의 에너지 밀도는 초기 전기자전거에 사용하던 납전지 대비 에너지 밀도가 10배 정도 높다.

2. 셀 당 전압이 높다.
리튬이온전지의 기준전압은 3.6V로 타 충전지대비 전압이 높아 높은 전압의 기기를 이용할 때 유리하다.


	브롬톤에 장착한 배터리
브롬톤에 장착한 배터리

3. 관리가 쉽다.
메모리효과(memory effect, 완전 방전 후 충전해야 용량이 유지되는 현상. 과거 니켈카드뮴 전지의 큰 문제점이었다)가 없어 완전히 방전시키지 않고 수시로 충전해도 된다.

4. 자가 방전에 의한 전력 손실이 매우 적다.
국내 정품 셀을 기준으로 한달에 5% 내외의 자가방전률을 나타내지만, 실제로는 1% 내외인 경우가 많다.


	독일 브로제모터를 장착한 전기자전거. 배터리 수납 때문에 디자인을 아무리 잘 해도 티가 날 수밖에 없다.
독일 브로제모터를 장착한 전기자전거. 배터리 수납 때문에 디자인을 아무리 잘 해도 티가 날 수밖에 없다.

그렇다면 단점은?

1. 리튬이온 전지는 제조된 직후부터 열화(degrading)가 조금씩 시작된다.
배터리 열화는 배터리가 처음 출고되었을 때부터 사용 중 자연스레 용량(수명)이 조금씩 줄어드는 것을 말한다. 리튬이온전지의 경우, 공장 출하 시 40% 충전상태로 실온 보관 유통되며, 완충해서 실제로 사용한 시점을 기준으로 3년 정도면 최초 용량의 70~80%로 떨어진다. 배터리의 생산일자가 오래될수록 가격이 떨어지는 것도 이 때문이다.

2. 온도에 민감하다.
배터리 온도가 60~80℃로 올라가면 열화가 빨리 진행되고, 영하의 온도에 노출되면 충전과 방전이 제 용량을 채우지 못한다.

3. 여러 가지 원인으로 과방전되면 셀이 손상될 수 있다.
지구상에 존재하는 모든 배터리에 대한 기본적인 취급법이 배터리에 적혀 있다(가열/분해/혼용 금지). 다른 배터리와 혼용하거나 인위적으로 셀을 교체하는 행위는 금물이다.


	지금의 기술로는 멀리 가기위해서 배터리 용량을 늘리는 것 말고는 방법이 없다.
지금의 기술로는 멀리 가기위해서 배터리 용량을 늘리는 것 말고는 방법이 없다.

리튬이온 배터리를 구성하는 셀이란?

배터리는 얼핏 보면 하나의 덩어리 같지만 부피가 큰 전기자전거용 배터리의 경우, 속에는 수십개의 작은 배터리들이 서로 병렬과 직렬로 연결되어있다. 이 하나하나를 셀(cell)이라고 하는데, 우리가 흔히 보는 대용량 배터리는 바로 이 셀들의 집합체다.

일반적으로 30~50개의 셀을 병렬과 직렬로 사용하는 전기자전거 배터리팩에서는 한 팩에 들어가는 모든 셀의 용량이 같아야 함은 물론, 동일한 일시에 동일한 라인에서 생산되어야 하고, 내부 저항까지 일정하게 맞춰진 전지로만 팩을 조합해야 한다. 이유는 배터리 내부에 들어가는 셀 하나하나가 갖는 내부저항 값이 일정해야 하고 셀의 충·방전 특성과 성능이 동일해야 균일한 성능으로 오래 사용할 수 있기 때문이다.


	GO-Cargo 의 화물용 전기자전거. 부하가 크기때문에 배터리 용량도 두배로 설계
GO-Cargo 의 화물용 전기자전거. 부하가 크기때문에 배터리 용량도 두배로 설계

배터리의 셀 불량은 어떤 현상을 야기할까?

배터리가 고장났을 때 흔히들 ‘셀이 죽었다’라는 표현을 한다. 전기자전거 배터리는 배터리팩 하나에 50개 가량의 셀이 병렬과 직렬로 내장되어 있다. 그렇다면 그 50개의 셀 중 하나의 셀이 불량이라면?

50셀 중에 하나의 셀이 망가지면 49셀이 살아 있으니, 성능이나 용량에는 별 차이가 없을 것 같지만 실제는 이와 다르다. 중요한 것은 이 셀들이 서로 어떻게 연결되어 있느냐다. 50셀이 들어가는 배터리팩을 예로 들면, 병렬로 연결된 5개의 셀들이 하나의 덩어리를 이루고 이렇게 이루어진 10개의 덩어리들이 서로 직렬로 연결된다.

모든 셀이 병렬연결인 경우 50셀 중 하나의 셀이 고장나도 2%만 죽고 98%의 용량을 발휘할 수 있지만, 병렬과 직렬이 조합된 자전거 배터리에서는 1셀이 망가지면 팩 전체 용량이 2%가 아니라 20% 떨어진다.


	e-now 시트포스트 아래 시트튜브를 늘려서 배터리팩을 설치했다.
e-now 시트포스트 아래 시트튜브를 늘려서 배터리팩을 설치했다.

자전거용 팩은 50셀이 동시에 일(방전)을 하고 식사(충전)를 하는 구조로, 만약 1셀이 불량이거나 외부충격으로 망가져서 기능을 상실하면, 5셀로 만들어진 한 덩어리의 용량을 나머지 4셀이 담당해야 한다. 이렇게 될 경우 이 덩어리의 용량은 80%로 떨어지는데, 직류전기의 특성상 이 덩어리와 직렬 연결된 다른 덩어리들의 용량도 떨어지고 전체 팩의 수명 역시 줄어들게 된다.


	elby 전기자전거. 크랭크 윗부분은 모터가 아니라 배터리 거치공간이다. 모터는 뒷바퀴에 있다.
elby 전기자전거. 크랭크 윗부분은 모터가 아니라 배터리 거치공간이다. 모터는 뒷바퀴에 있다.

그 이유를 설명하자면, 한 셀이 망가진 병렬 덩어리는 충·방전 시에 먼저 충전되고 먼저 방전되는데, 전체 팩을 제어하는 BMS(Battery Management System)는 바로 이 고장난 덩어리를 기준으로 충전과 방전 명령을 내리기 때문. 한마디로 사용시에는 100%의 용량을 채 다 쓰지 못한 상태로 방전시키고, 충전시에는 100% 완충시키지도 못하는 것이다.

결론적으로, 50셀 구성 팩에서 셀 한 개가 도태되면 2% 용량이 떨어지는 것이 아니라 20%의 성능저하로 시작해 점차적으로 전체가 망가지게 된다. 리튬이온 배터리팩의 경우 3년 정도를 수명으로 보는데, 중간에 셀 하나가 망가진 상태로 사용하면 팩 수명이 급속히 줄어든다.


	프레임 설계시, 모터와 배터리 거치를 우선으로 고려한 배치를 볼 수 있다.
프레임 설계시, 모터와 배터리 거치를 우선으로 고려한 배치를 볼 수 있다.

어떤 배터리를 선택해야 하나?

전기자전거나 배터리팩을 구입할 때 위와 같은 불상사를 피하기 위해서는 먼저 KC인증과 PL보험(생산자책임보험)에 가입한 회사인지 꼼꼼히 따져봐야 한다. 배터리 팩은 반드시 사후처리가 가능한 회사의 것으로 선택한다. 무슨 셀로 만든 것인지 적혀 있지 않고 단순히 용량대비 저렴한 팩을 해외 사이트에서 구매했다가 낭패를 본 사람들이 주변에 많이 있다. 필자 역시 호기심에 해외구매한 배터리 팩을 열어보고, 사용조차 하지 않고 폐기한 경우도 있다. 싸면 싼 이유가 있고, 비싼 것은 비싼 이유가 있다.


	Red Bull의 매직파이 다이렉트. 대용량 모터에 걸맞게 배터리도 대용량이다.
Red Bull의 매직파이 다이렉트. 대용량 모터에 걸맞게 배터리도 대용량이다.

정육점 가면 고기도 여러 가지가 있다. 비싼 한우부터 수입한지 수 년 되어폐기해야 할 냉동육을 잘 녹여서 파는 저렴한 것까지 다양한데, 뭐 먹어서 다 같은 고기이고 소화만 잘하면 별거 아닐 수도 있지만, 탈나면 큰 손해가 된다.

전문가가 아니라면 전기자전거용 배터리팩만큼은 제대로 된 제품을 사서 규정대로 관리하는 것이 가장 안전한 방법이다.


	전기자전거의 배터리거치는 자전거 구조상 거치 부분이 너무 한정적이다.
전기자전거의 배터리거치는 자전거 구조상 거치 부분이 너무 한정적이다.

리튬이온전지를 오랫동안 잘 사용하기 위한 팁

1. 리튬이온 배터리는 바로 충전하자.
리튬이온전지는 메모리 효과가 없기에 사용량에 상관없이 사용 후 바로 충전하는 것이 좋다. 사용하지 않고 보관할 때는 50% 충전상태로 상온에 습도가 낮은 곳에 두는 것이 좋다.


	2015년 유로바이크쇼에서 소개된 삼성 SDI 배터리팩. 36V 13.6Ah 500Wh급 배터리팩에 3.6V 3500mA셀 4P(병렬) 10S(직렬) 40개로 구성
2015년 유로바이크쇼에서 소개된 삼성 SDI 배터리팩. 36V 13.6Ah 500Wh급 배터리팩에 3.6V 3500mA셀 4P(병렬) 10S(직렬) 40개로 구성

2. 리튬이온 전지는 완전방전, 완전충전은 피한다.
방전종지전압(사용중 배터리 전압이 일정 수준 미만으로 내려갔을 때, BMS는 자동으로 작동을 멈추게 한다. 이 기준이 되는 전압을 말한다)을 넘어가면 분리막이 손상되어 완전히 망가지게 된다. 물론 자전거용 배터리는 각 셀이 방전종지전압 이하로 내려가지 않게 BMS가 미리 전력을 차단해서 셀을 관리해 주기에 걱정 않고 타도 된다. 대신 방전종지전압까지 운행해서 꺼진 경우, 최대한 빠른 시간에 충전하는 것이 좋다.

되도록 바닥까지 사용하고 끝까지 풀충전하는 것보다는 조금 적게 충전하고 조금 남겨서 방전하는 것이 수명연장에 도움이 된다. 같은 리튬계열의 배터리를 사용하는 전기자동차의 경우 일반 리튬배터리보다 수명을 2배 이상으로 연장해서 사용하고 있는데, 그 이유는 한계까지 도달하지 않는 충·방전 방법이다.


	바이젠의 전기자전거 HANK
바이젠의 전기자전거 HANK

3. 리튬이온 배터리는 제조일이 최근인 것을 구입한다.
언제 필요할지 몰라 미리 사 두는 것은 좋은 방법이 아니다. 앞서 이야기한 대로 리튬이온 배터리는 출고 시부터 열화가 시작되기 때문에 추가 배터리는 꼭 필요한 시점에 최대한 미뤄서 구입하는 것이 현명한 방법이다.


	2015년 유로바이크쇼에서 SDI는 다양한 배터리 형태를 소개했다.
2015년 유로바이크쇼에서 SDI는 다양한 배터리 형태를 소개했다.

4. 겨울철 영하의 기온에서는 체감용량이 반으로 줄어든다.
날씨가 추울 때 용량이 줄어드는 것은 화학반응을 하는 리튬이온 배터리는 물론 대부분의 충전지에 해당된다. -10℃ 까지 떨어지면 실제로 체감성능이나 주행거리는 50%로 떨어진다. 하지만 에너지 불변의 법칙에 의해 여기서 의심을 해볼 수 있다. 추워서 사라진 50%의 에너지는 대체 어디로 간 것일까? 그것은 바로 –극 탄소분자 한 개에 6개씩 달려있던 전자들이 추워서 떨어져 나오지 못하고 남아있는 것이다. 온도가 올라가면 다시 정상으로 돌아온다.


	자전거가 가볍고 작은 모터를 사용하는 전기자전거는 배터리 무게와 용량도 한정적이다.
자전거가 가볍고 작은 모터를 사용하는 전기자전거는 배터리 무게와 용량도 한정적이다.

5. 급속 방전시 용량이 줄어드는 현상과 방전율에 대해 알아두자.
무리하게 전력을 사용하면 실제 용량보다 사용량이 줄어든다. 이때 무리하게 사용한다는 것은 배터리의 용량이 다 떨어져 있을 때 쥐어짜서 사용하는 것이 아니라, 한번에 순간적으로 많은 양의 전력을 쓰는 것(급속방전)을 의미한다.

이는 곧 배터리가 짧은 시간 내에 얼마나 많은 에너지를 낼 수 있는 가에 대한 내용과 직결되는데, 이는 방전율 단위 C(Current Rate, 씨-레이트)로 나타낼 수 있다. 어떤 배터리의 규격에 1C라는 표현이 있으면 그 제품은 1시간 동안 모든 에너지를 다 쏟아 부을 수 있다는 뜻이다. C의 값은 높을수록 짧은 시간을 의미하는데, 2C는 30분을, 3C는 20분을 의미한다. 따라서 10C의 배터리가 있다고 하면 단 6분만에 모든 에너지를 방전시킬 수 있다는 뜻이다.


	BAD 고성능 바이크에 고성능 대용량 배터리. 모터성능에 준하는 배터리가 장착된다.
BAD 고성능 바이크에 고성능 대용량 배터리. 모터성능에 준하는 배터리가 장착된다.

그렇다면 같은 용량을 가진 1C의 배터리와 6C의 배터리가 있을 때, 짧은 시간 동안 고출력을 낼 수 있는 배터리는 6C 배터리가 된다. 이는 배터리의 성능을 가늠하는 중요한 잣대가 된다.

전기자전거용 배터리는 중출력용 배터리로, 최대 3C, 상용 2C 정도의 리튬이온 배터리를 사용한다. 리튬이온 배터리는 용량과 방전율에 따라서 가격이 달라진다.


	전기자전거 배터리팩은 다양한 케이싱을 통해 범용으로 만드는 회사가 많다.
전기자전거 배터리팩은 다양한 케이싱을 통해 범용으로 만드는 회사가 많다.
소비자는 가볍고 방전율이 높으며 용량도 큰 배터리를 원한다. 하지만 그것이 과연 가능할까? 육상선수에 빗대어 설명해 보겠다. 길게 오래 일하는 마라톤 선수(힘은 약하고 가벼운) 스타일의 배터리와 짧지만 큰 힘을 쓰는 단거리 육상선수(힘세고 무거운) 스타일의 배터리가 있다. 전자의 경우, 배터리는 오래가지만 순간적으로 폭발적인 힘을 내기는 어려울 것이다. 반대로 후자는 순간적인 파워는 훌륭하지만 그것을 오래 유지하기는 힘들다.

	전동 스트라이다. 모터 용량이나 자전거 성능에 걸맞게 배터리 용량도 아담하다.
전동 스트라이다. 모터 용량이나 자전거 성능에 걸맞게 배터리 용량도 아담하다.

이런 점을 감안할 때 용량, 방전율, 무게 사이에 타협점을 찾아야 하는 것이 전기자전거용 셀이다. 육상선수에 비교하면 1000~3000m 중장거리 선수 스타일이 전기자전거에 적합하다.

배터리 용량은 선택할 수 있다면, 최대한 큰 용량을 선택하는것이 각 셀에 부하를 줄여 수명연장에 도움이 된다.


	무게가 무겁고 대용량 모터를 사용하는 자전거는 배터리 용량도 상대적으로 늘어나야 한다. 듀얼배터리를 선택한 고성능 전기자전거
무게가 무겁고 대용량 모터를 사용하는 자전거는 배터리 용량도 상대적으로 늘어나야 한다. 듀얼배터리를 선택한 고성능 전기자전거

전기자전거 배터리의 미래, 아직은 오리무중

현재의 전기자전거용 배터리의 무게와 부피는 아직은 부담스러운 수준이라 해결해야 할 숙제다. 배터리의 부피와 무게를 더 줄여야 전기자전거 전체 디자인과 성능이 향상된다.


	EV4 벨트드라이브 후륜 2륜이 독립 구동되고 4바퀴가 별도로 스윙이 되는 구조라 특이한 주행감이었다. 로고 부분이 대용량 배터리로 1회 충전으로 100㎞ 주행 가능
EV4 벨트드라이브 후륜 2륜이 독립 구동되고 4바퀴가 별도로 스윙이 되는 구조라 특이한 주행감이었다. 로고 부분이 대용량 배터리로 1회 충전으로 100㎞ 주행 가능

현대의 전기자전거 업체들은 배터리를 얼마나 예쁘게 만들어서 티나지 않게 장착하느냐는 문제를 고민하고 있지만, 10년 전 납전지를 사용하던 생각을 해보면 앞으로 10년, 20년 뒤에 등장할 배터리는 어떻게 변할지 기대가 된다.

지금의 스마트폰 배터리만한 크기로 하루 종일 라이딩이 가능한 그 날이 오지 않을까.


	예민수(벨로스타 대표, yesu65@naver.com)
예민수(벨로스타 대표, yesu65@naver.com)
예민수(벨로스타 대표, yesu65@naver.com)
제공 자전거생활
출처 바이크조선
발행 2016년 12월

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