스마트폰과 EV에 사용되는 리튬이온 배터리의 충전속도를 손쉽게 계산하기

충전속도는 전류로 결정된다

전지는 전자를 모아 방출하는 장치입니다. 저장된 전자의 개수는 배터리에 달려 있습니다. 저장된 전자 수의 용량을 배터리 용량이라고 합니다. 배터리 용량은 다음 식으로 나타낼 수 있습니다.

배터리 용량[Ah] = 전류[A] × 충전시간[h]

전류는 단위 시간당 흐르는 전자의 개수입니다. 따라서 전류가 클수록 많은 전자가 흐르므로 충전시간은 짧아집니다.

옴의 법칙에 따르면 전류 = 전압 ÷ 저항이 되므로 전압이 높을수록, 저항이 작을수록 많은 전류가 흐를 수 있습니다.

스마트폰

스마트폰을 충전할 때는 집의 콘센트에 충전기를 연결하거나 USB로 컴퓨터에 연결하여 충전합니다. 두 경우 모두 전압은 5V로 정해져 있습니다. 따라서 전류의 크기는 스마트폰에 장착된 배터리의 저항과 충전기 저항의 합계로 결정되는데, 예를 들어 iPhone을 살 때 함께 동봉된 충전기를 사용하면 이러한 저항의 합계가 1Ω 정도입니다. 따라서 흐르는 전류는 5V ÷ 1Ω = 5A입니다.

iphone 충전기에는 'input 100-240V 50/60Hz 0.15A', 'output 5V - 1A'라고 쓰여져 있습니다.

충전기는 콘센트의 전기를 교류에서 직류로 바꾸고 전압을 소정의 값으로 바꾸는 역할을 담당하고 있습니다. iphone 충전기의 경우 전압(국가에 따라 다르지만 100-240V의 범위)을 5V로 트랜스합니다. 그리고 정격전류는 1A입니다.

정격전류라는 것은 안전하게 사용할 수 있는 전류의 상한치입니다. 정격전류가 1A인 충전기는 충전회로의 저항 전체가 대체로 1Ω이 되도록 설정되어 있기 때문에 5V ÷ 1Ω = 5A의 전류가 흐르게 됩니다.

한편, ipad 충전기의 정격전류는 2A 정도입니다. 따라서 이를 iphone에 사용하면 충전시간이 짧아집니다.

그러나 iphone6, 6s 7은 1.4A 이상의 전류가 흐르지 않도록 회로가 설계되어 있으므로, 2A 충전기를 연결하여도 흐르는 전류는 1.4A입니다. iphone7plus 경우 최대 2.0A까지 사용할 수 있습니다.

참고로 PC의 USB에 연결하여 충전하면 시간이 걸립니다. 일반 USB단자(USB2.0)는 0.5A의 전류를 공급하는 설계가 되어 있기 때문입니다. 새로운 USB단자(USB3.0)는 0.9A 정도까지 개선되었습니다.

PC가 macbook의 경우, iphone을 연결하면 높은 전류를 보내도록 프로그래밍되어 있기 때문에 단시간에 충전할 수 있습니다. 최대 2A로 iphone6, 6s 7은 1.4A, iphone7plus 경우 2.0A로 충전할 수 있습니다. ipad 충전기를 사용했을 때와 동일합니다.

iphone의 배터리 용량은 기종에 따라 다르지만 대체로 1~3Ah입니다. 따라서 1A의 전류라면 완전충전까지 1~3시간 걸린다는 계산이 됩니다.

전기자동차(EV)

가정의 일반 100V 콘센트 또는 200V 콘센트로 충전합니다. 충전회로의 내부저항이 어느 정도인지는 알 수 없지만, 15Ω 정도로 가정하면 100V에서 7A, 200V에서 13A입니다.

따라서 충전시간을 추정하면 100V 충전으로 100Ah ÷ 7A = 14h, 200V 충전으로 100Ah ÷ 13A = 8h입니다.

외부 EV스탠드라면 급속충전이 가능합니다. 메커니즘은 알 수 없지만, 수백 A의 전류를 흘릴 수 있습니다. 충전시간도 1h 미만입니다.

전원은 교류가 아닌 직류전압으로 최대 500V 같습니다. 전압은 그렇게 높지 않기 때문에 충전회로의 내부저항이 낮게 제어되는 것으로 추정됩니다.