본 칼럼은 필자가 연구진으로 참여한 한국장애인개발원의 '전동보장구 충전소 운영 효율화 방안 보고서'를 바탕으로 작성된 것임을 서두에 밝혀둔다.
1) 전동보장구 배터리 특성
(1) 전동휠체어 배터리
국내의 전동휠체어는 대부분 외국에서 부품을 수입해서 국내에서 조립 후 판매하는 형태를 가지고 있다.
다양한 제조사에서 보급하고 있으며, 각 제조사별 배터리 용량을 조사하였다. 대부분 35∼75Ah정도의 용량을 가지고 있으며, 배터리의 용량이 클수록 휠체어의 금액대도 증가하는 것을 알 수 있었다.
(2) 전동휠체어 배터리 충전 성능
① 충전 전압
전동휠체어는 자동차의 배터리와 비슷한 구조인 12V 납축전지 2개를 직렬로 연결하여 24V 전원으로 사용하며 배터리 종류별로 규정된 충전 상한 정압과 방전 하한 전압을 지키지 않으면 제 수명을 발휘할 수 없다.
지키지 않을 시 심할 경우 배터리를 사용할 수 없게 되거나 안전사고로 이어질 가능성이 높다.
② 충전 전류
일반적으로 납축전지는 전지용량에 따른 충전전류가 일정 수준으로 제한되는 특성이 있으며, 충전 효율 및 안전한 품질보호를 위하여 반드시 지켜져야 한다.
기술적인 측면에서 권장되는 시간당 충전 전류의 경우 전체 용량의 0.25∼0.4배 정도의 수준이며 일반적으로 전동휠체어 구입 시 제공되는 가정용 충전기는 전체 용량의 0.1배 정도의 속도로 충전되게 제작되었다.
충전전류가 0.4배를 넘어서게 되면 배터리에 충격을 주게 되어 고장이 발생하게 된다.
따라서 납축전지 배터리는 시간이 오래 걸리더라도 저전류로 충전하는 것을 권장하고 있으며 실제로 완전방전상태에서 완전 충전하는 시간은 10시간을 넘어서게 된다.
충전 시간을 절약하기 위하여 고전류로 충전할 경우에도 0.2배 수준을 넘지 않은 것이 좋다.
(3) 전동보장구 배터리 종류
① 일반적 배터리 종류
배터리는 1차 전지와 2차 전지로 분류가 된다. 1차 전지는 일회용 전지로서 대표적으로 AA, AAA 등으로 불리는 건전지가 있으며, 주로 수은 전지, 망간 전지, 알카라인 전지, 리튬 전지 등이 있다.
2차 전지는 충전용 전지로서 납축전지(Lead-acid), 니켈 수소 전지(Ni-MH), 니켈 카 드뮴 전지(Ni-Cd), 리튬 이온 전지(Li-ion)로 구분할 수 있다(J. O. M. Bockis, 1981).
최근 세계적으로 니켈 카드뮴 전지와 납축전지는 중금속 오염에 따른 환경문제로 인하여 이용을 금지하는 방안으로 나아가고 있다(심종수, 2008).
2차 전지는 소형 2차 전지와 대형 2차 전지로 분류되며, 주로 이용되는 배터리의 종류 및 특성은 다음 표와 같다.
② 납축전지의 장 · 단점
전동보장구는 주로 납축전지를 사용하는데, 이는 제조원가가 낮고 대용량 배터리 제작이 가능하다는 장점으로 인하여 자동차, 전동보장구 등에 사용되고 있다.
하지만, 상대적으로 수 명이 짧고, 에너지 밀도가 낮으며, 중금속인 납을 사용하는 단점을 가지고 있다(한국소비자원 시장조사국 서비스조사팀, 2015).
③ 납축전지의 주요 특성
납축전지는 대표적인 2차 전지로서 1860년에 프랑스에서 발명되어 지금까지 대중적으로 사용되고 있으며, 에너지 밀도가 낮아 부피가 커진다는 단점이 있으나 지속적인 기술발전을 통하여 무보수형(MF, Maintenance Free) 전지 개발, 음극가스 흡수방식에 의한 밀폐화 기술 등 이 개발되어 현재 사용하는 납축전지가 되었다.
대표적으로 활용되는 분야는 자동차의 시동, 점화장치, 무정전전원장치(UPS), 전동휠체어, 전동스쿠터 등 다양하게 활용되고 있다.
가. 방전특성
납축전지는 용도에 따라 2V, 6V, 12V로 제조되고 있으며, 방전 용량은 방전전류, 온도 등에 따라 달라진다.
전압은 이용(방전) 중에 완만하게 감소하지만, 이용(방전) 말기에는 환산피막 형성 또는 전해액 고갈로 급격하게 떨어진다.
납축전지는 다양하게 사용되고 있는데, 자동차 엔진 시동에 사용되는 시동용 납축전지, 포크리프트의 동력에 사용되는 전기차용 납축전지, 통신용이나 비상용 전원에 사용되는 거치용 납축전지, 그 외의 소형 전동차용 납축전지, 미니 무정전 전원장치(UPS)에 사용되는 소형 제어 밸브식 납축전지 등의 종류가 있다(이치웅, 2010).
통상적으로 자동차용 또는 산업용으로 구분되며, 구분하는 기준은 차량 시동에만 주로 사용되는 부동충전(Floating charge)과 전동보장구와 같이 충· 방전이 많이 일어나는 교호 충 · 방전용인가에 따라 구분된다. 또한 완전 방전 시 배터리의 수명이 급격히 줄어드는 특성이 있게 때문에 완전 방전을 예방하기 위한 배터리 전압감지, 자동제어 기능이 배터리에 내장되어 있지 않은 경우 완전 방전 시 재충전이 불가능할 수 있다.
나. 충전특성
납축전지는 일정한 전류를 유지하며 충전하는 방식인 정전류 방식으로 충전 말기에 전지의 전압이 급격히 상승한 다음 일정한 전압을 유지하는 특성을 가졌다. 충전하는 동안 건전지 내부의 전해액의 비중이 증가하며, 충전이 종료될 때 전해액의 전기분해 반응으로 인하여 전 해액이 감소하게 된다. 과 충전 시 전해액 감소 속도 등가와 전지 성능 저하로 전지의 수명이 단축될 수 있다.
다. 납축전지 수명에 영향을 주는 요인
납축전지의 사용 조건에 따른 전기적 특성으로 인하여 납축전지 배터리의 수명에 많은 영향을 미친다.
주요 특성은 방전 정도에 따른 배터리 수명의 단축과 온도에 따른 배터리 용량 의 변화이다.
납축전지의 경우 완전 방전 후 재충전할 경우나 낮은 온도에서 사용할 경우에 배터리의 용량이 줄어들며, 두 경우 모두 해당할 경우에는 용량이 더 작아진다.
즉, 이러한 상황에서의 배터리 사용은 수명을 단축시키는 원인이 된다.
라. 납축전지 최대 충전 전류
납축전지는 화학적 반응으로 전력을 생산하는 구조이며, 이로 인하여 과충전이 되지 않게 유의해야한다.
이러한 특성으로 인해 생산 되는 제품은 최대충전전류를 포함한 기초 정보를 제공하도록 되어있다.
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