[칼럼] 스마트 홈에서 배터리 건강 상태(SOH)가 중요한 이유

사물인터넷(IoT)은 한 동안 갈길을 찾지 못하고 주춤했던 스마트 홈 기술의 확산에 큰 역할을 담당하고 있다. 이제 스마트 홈이라 함은 IoT를 기반으로 여러 형태의 자동화 서비스를 제공하는 새로운 주거형태를 말하고 있다. 가스 원격제어, 냉난방 제어, 조명 제어 등이 가능하며, 사용자와 집 안의 여러 가정용 제품들과의 소통이 가능해졌다. 이제 과제는 오래가는 배터리를 어떻게 마련하고, 이를 체계적으로 모니터링하고 배터리 잔량을 정확히 측정하느냐에 있다. [편집자 주]

지난 몇 년 사이에 스마트홈 기술이 놀라운 성장을 기록하며 빠르게 도입되고 있다. 수백만 가정에서 비디오 초인종, 원격 카메라 모니터 및 보안 제어 패널 같은 시스템을 설치하고 있으며, 이 수치는 앞으로 더 빠르게 증가할 것이다.

예전의 보안 시스템은 침입이 발생했을 때 단순히 소리로 경보를 울렸다면 오늘날의 이러한 시스템들은 사용자가 스마트폰으로 집안의 여러 곳을 원격적으로 모니터링 할 수 있어 편의성과 유용성이 높다. 여기서 ‘스마트’는 결국 ‘연결성’을 의미한다. 원격 카메라의 비디오 콘텐츠를 스마트폰으로 전달하기 위해서는 일정한 형태의 통신이 필요하다.

이러한 애플리케이션은 안전과 보안을 특징으로 하기 때문에 시스템은 되도록 신뢰성이 높아야 하며, 그러기 위해서는 모든 시스템 구성 요소들이 항상 작동되도록 하기 위한 예측 가능한 전력이 필요하다.

가정용 전원을 쓸 것인가? 배터리로 구동할 것인가?

스마트 홈 시스템에 사용되는 많은 디바이스는 가정용 AC 전원에 연결하는데, 옥외를 포함한 다양한 장소에서 원격 카메라나 여타 장비를 사용하기 위해서는 완제품을 배터리로 구동하는 것이 보다 적합할 수 있다. 이처럼 “상시접속(always-on)” 시스템을 신뢰하고 계속적인 통신을 달성하기 위해서는 배터리 및 전력 시스템을 모니터링하고 유지 관리를 위한 지능을 추가해야 한다. 최소한 어떤 문제가 발생했을 때 사용자는 문제에 대한 경보나 알림을 받을 수있어야 한다. 더 나아가서 시스템이 전원의 충전 상태와 건강 상태를 계속해서 모니터링할 수 있어야 한다.

배터리 충전 상태(state of charge)와 그리고 더 중요하게는 배터리 건강 상태(state of health)를 확인하고 보고하는 일은 어떻게 할 것인가? 이 작업은전용 배터리 잔량 측정 디바이스를 사용하는 것이 가장 적합하다.

먼저, 충전 상태(SOC, 충전 잔량)와 건강 상태(SOH, 노화도)의 차이점을 알아보려고 한다. 우리는 늘 배터리가 가득 찼는지, 비었는지, 아니면 얼마나 남았는지 확인하며 충전상태에 대해 신경 쓴다. 스마트폰(배터리 잔량 측정 디바이스내장)의 경우에는 하루에 한 번 이상은 배터리를 충전하고 방전할 것이다. 하지만 스마트 홈 애플리케이션의 경우, 특히 AC 전원으로 연결한 경우에는 충전 상태가 거의 항상 100% 가까이 될 것이다. 배터리는 AC 전원이 중단되었을때를 대비한 백업 전원으로 사용된다. 따라서 이러한 애플리케이션에서는 충전 상태가 항상 추적을 위해 가장 유용한 매개 변수는 아니다.

건강 상태(SOH)는 새 배터리였을 때와 비교해서 애플리케이션의 작업을 수행하기에 얼마나 적합한지를 나타낸다. 예를 들어서 어떤 애플리케이션이 1000mAH 셀로 시작했다고 가정해 보자. 동작 조건이나 환경 조건에 따라 1~2년후에는 이 셀의 유효 용량이 850mAH로 저하될 수 있다. 그러면 건강 상태는 85%가 된다. 새 셀일 때와 비교해서 85%만큼 우수하다는 뜻이다. 배터리마다 차이는 있겠지만, 대개는 일단 건강 상태가 70~75% 아래로 떨어지면 배터리용량이 급격하게 저하된다. 결과적으로 안전이나 보안 관련 애플리케이션일 경우에는 배터리 건강 상태가 80%가 되면 배터리를 교체할 때가 된 것이다.

예를 들어서 최저 3.4V의 배터리 전압으로 동작 할 수 있는 시스템이라고 하자. 이러한 조건이라고 할 때 노후화된 배터리는 약 한 시간 동안밖에 에너지를 제공하지 못한다. 반면에 새 배터리는 약 1.7시간 동안 지속될 수 있다.

배터리 상태 모니터링과 잔량 측정 디바이스 제공

충전 관리를 잘 함으로써 재충전가능 배터리를 완전 고갈된 상태에서 가득 찬 상태로 여러 번 복구할 수 있으나, 이 과정에서 다양한 이유로 감손이 일어난다. 가장 주된 이유는 충전과 방전 사이클을 여러 번 반복하는 것이지만, 또 다른이유는 열에 노출되는 것이다.

배터리를 내장하고 실외에서 작동되는 카메라는 장시간 고온에 노출될 수 있다. 일부 카메라는 태양광 패널을 사용해서 배터리를 재충전하기도 한다. 이 방법은 무선 커넥티비티를 제공하는 오프 그리드(off-grid) 애플리케이션을구현하기에는 유용하지만, 햇빛이 쨍쨍 내리쬐는 장소에 설치해야 하므로 장시간 열에 노출됨으로써 배터리 셀 성능 저하를 가속화할 수 있다.

바로 이러한 시스템을 설계하는 개발자들을 위해서 배터리 상태를 모니터링 할 수 있는 전용 배터리 잔량 측정 디바이스를 제공한다.

글_ 우팔 세굽타(Upal Sengupta) / 텍사스인스트루먼트