배터리 게이지에 대한 오해 해소 — 정확한 배터리 모니터링으로 무선 핸드셋 및 기타 제품이 얻을 수 있는 장점
개요: 대부분의 핸드헬드 제품에서 정확한 배터리 충전 모니터 ("배터리 게이지") 기능이 간과되고 있다. 이는 정확한 배터리 게이지가 어렵다는 잘못된 생각에서 비롯된 것으로, 본문에서는 이러한 오해를 풀고 모든 온도, 충/방전율, 에이징 (aging) 조건에서 충전을 정확히 모니터링할 수 있는 방법에 대해 설명한다.
배터리 게이지는 무선 및 휴대전화 핸드셋, PDA, MP3 플레이어와 같은 휴대용 애플리케이션에서처럼 충전 가능 배터리에서 배터리 잔량을 모니터링한다. 정확한 배터리 게이징으로 핸드헬드 시스템은 배터리를 최대한으로 이용할 수 있으므로 시스템 설계자들은 더 작은 배터리를 지정할 수 있고 데이터 손실 위험은 줄이면서 고객 만족도는 높일 수 있다.
복합 PDA 및 셀룰러 핸드셋과 같은 새로운 기기들이 우수한 배터리 게이지로 이득을 볼 수 있는 좋은 예가 된다. 덩치가 더 큰 노트북 PC 같은 제품과는 달리 이들 제품은 배터리 게이징이 포함된 스마트 배터리 표준을 잘 사용하지 않는다. 그러나 충전과 휘발성 데이터 보호 사이에 동작을 연장하기 위해서는 배터리 게이지가 필요하다.
DS276x, DS277x, DS274x, DS275x 제품으로 사용 가능한 배터리 수명을 정확히 모니터링할 수 있다
오해 1: 정확한 배터리 정보는 런타임을 증가시키지 않는다.
무선 핸드헬드의 메모리 요구 증가는 애플리케이션 프로그램 및 사용자 파일이 휘발성 램 (RAM) 메모리에 저장된다는 것을 뜻한다. 배터리 전력의 손실은 사용자가 생성하거나 구매한 파일을 파괴시킨다. 일부 시스템은 메인 배터리가 비었거나 연결되어 있지 않을 경우 재충전 가능한 코인 배터리를 사용해 메모리에 전력을 공급한다. 그러나 이들 셀은 가장 큰 것도 25mAh 용량 밖에 되지 않으며 하루 이상 메모리가 유지되지도 않는다. 더구나, 전형적인 코인 셀은 5mAh 미만의 용량을 갖고 있어 몇 시간 이내에 소진되고 만다. 그러므로 데이터 중심 무선 핸드폰은 메인 배터리가 완전히 소진되기 전에 꺼서 충전기가 연결될 때까지 메모리 내용을 보존할 수 있는 충분한 예비 용량을 유지해야 한다. 대부분의 사용자는 최소 5일간 배터리를 쓸 수 있기를 바라며, 가능하면 10일 이상을 선호한다. 이상적인 경우를 가정한다면, 다양한 기능을 가진 핸드폰 및 PDA는 900mAh ~ 2000mAh 연료 용량 중 100mAh ~ 200mAh가 남은 상태에서 꺼야 한다.
예를 들어, 어떤 애플리케이션에 150mAh 예비 용량이 필요하다고 가정해 보자. 그림 1의 +20°C 곡선은 3.5V의 컷오프 전압을 선택하는 경우 적당한 양의 용량이 셀에 남아 있음을 보여준다. 그러나 0°C 및 +40°C 곡선은 관련이 없다. 배터리 온도가 낮으면 (0°C 곡선) 전압이 내려간다. 3.5V를 컷오프로 사용하는 경우는 400mAh 이상이 예비이고, 600mAh 미만만이 런타임에 사용된다. 역으로, 배터리 온도가 높은 경우에는 전압이 올라간다. 예비용으로는 100mAh 미만인 것만을 사용할 수 있다(+40°C 곡선).
그림 1. 전압 방전 프로파일은 온도에 따라 변한다. 배터리가 차가운 경우는 전압이 내려가고, 배터리가 따뜻한 경우는 전압이 올라간다.
부하 전류의 변화 또한 상당한 영향을 끼친다. 그림 2의 곡선은 C/2, C/5, C/10 등 세 가지 방전율 경우에 해당하는 전압 프로파일을 보여준다. 여기서 C는 셀의 충전 용량과 같다. 이 곡선은 3.5V 컷오프로 인한 예비 용량이 100mAh 미만의 C/10에서부터 200mAh를 초과하는 C/2까지 다양함을 보여준다. C/10 부하 조건에 충분한 예비 용량을 확보하기 위해 컷오프 전압을 3.6V로 올리면 세 가지 방전율 경우 모두 예비 용량이 150mAh에서 400mAh 범위에서 변경된다. 따라서 컷오프 전압을 높여 예비 용량을 증가시키려고 하면 손해가 커진다.
그림 2. 전압 프로파일은 방전율에 따라 다르다. 컷오프 전압을 올리면 예비 용량이 작아진다.
심각한 정도는 아니지만, 배터리 셀의 에이징 (aging) 또한 전압 프로파일을 변경시킨다. 에이징은 셀에 따라 다르며, 특히 생산업체에 따라 다르다. 더구나 셀에 shallow discharge(완전 충전 후 조금만 사용하고 다시 충전) 사이클을 실행한 경우와 완전 방전 (full discharge) 사이클을 실행한 경우 효과는 다르다. 그림 3은 500 사이클이 지나면 전체 배터리 용량으로부터 150mAh가 영구적으로 손실된다는 것을 보여준다. 이것은 이러한 긴장 하에서 특별히 뛰어난 성능을 발휘하는 셀의 예이다. 예비 용량에 대한 효과는 반복적인 완전 방전 사이클에 따른 에이징에 기초해 50mAh ~ 75mAh가 된다.
그림 3. C/2 방전 전압 프로파일은 에이징에 따라 다르다. 이것은 이러한 긴장 하에서 특별히 성능이 뛰어난 셀의 예이다.
잘못된 용량 측정 방법
룩업 테이블(Lookup Table)은 온도, 방전율, 에이징 등으로 인한 단말기 전압의 큰 변동을 보상할 수 있다. 하지만 이 방법은 오류가 많이 발생하고 온도 및 전류를 측정해야 한다. 정확하게 하려면 전류 및 전압을 동시에 측정하여 단말기 전압 데이터가 방전율과 일치하도록 해야 한다. 이런 이유로 상당 수 전압 기반의 용량 구현은 방전율을 고려하지 않고 이루어진다. 전압과 온도만을 사용하는 경우 잔여 용량 추정 시 사용할 공칭 셀 특성을 저장하기 위한 2차원 룩업 테이블이 필요하다. 이 방법은 전체 온도 영역에 걸쳐 20% ~ 40%의 오류를 발생시킨다.
전압 기반의 방법은 정확성이 떨어지기 때문에, 이에 대한 대안으로 필요 이상의 큰 배터리를 사용하는 경우가 많다. 그리고 이는 핸드폰 간 핵심 경쟁 대상이 되고 있는 핸드폰의 크기에 영향을 미친다. 또 한 가지 대안은 런타임이 적거나 혹은 데이터 손실 위험이 높은 작은 배터리를 쓰는 것이다. 이에 대한 최상의 선택으로는 사이즈가 큰 핸드폰이나 데이터 손실 위험을 증가시키지 않으면서 런타임을 늘릴 수 있는 인텔리전트 배터리 모니터 (DS276x 및 DS277x 제품군에 포함되어 있는 것과 같은) 등이 있다.
인텔리전트 배터리 모니터의 작동 방법
일반적으로 인텔리전트 배터리 모니터는 전압, 온도, 전류 등에 기초한 용량 룩업(lookup)을 피하는 대신, 배터리로 들어오고 나가는 전하의 흐름을 측정한다. 쿨롱 카운터가 배터리에 저장되어 있는 전하를 추적한다. 온도 및 방전율 측정치가 셀 특성을 저장하는 작은 룩업 테이블에 기초해 저장된 전하를 제공하는 셀의 능력을 보상하기 위해 사용된다. DS276x 및 DS277x 제품군은 호스트 시스템이 제공하는 알고리즘 저장 및 결과 전산과 더불어 필요한 모든 측정치 및 데이터 저장을 제공한다. +15°C 미만 온도에서 완전 충전으로부터 방전시킬 때는 최대 3% 오류를 예측할 수 있다. 모든 온도, 부하, 연령 조건에서는 5%의 결합 오류가 달성된다. 완전 충전 사이의 시간이 2주 이상으로 증가하면, 입력 오프셋 오류가 더 잦아진다. 그러나 대다수 사용자는 매주 완전 충전을 시행한다. 표 1은 배터리 모니터의 핵심 특징과 성능을 보여준다.
표 1. 배터리 모니터 특징 및 성능
Device
Measured Parameters*
Current Range (mV)
Current Offset (µV)
Data Storage
Other Features
DS2761
V, T, I
±64
±15
32 bytes EEPROM
Li+ protector
*V = 전압, T = 온도, I = 시간
오해 2: 정확한 배터리 정보 표시는 사용자에게 별로 도움이 되지 않는다
생산업체들은 사용자가 몇 줄의 막대 표시 또는 세 개의 사선으로 된 간단한 배터리 이미지 이상의 배터리 용량 표시를 달가워하지 않거나 혼란스러워 한다고 생각한다. 이들은 사용자가 런타임의 실제적인 변화를 보여주기에는 너무 조잡하고 간단한 막대 표시로 충분히 만족한다고 생각한다. 이것은 일부 음성 전용 핸드폰 사용자들의 경우 혹시 사실일지 모르나, 다기능 무선 데이터 장치 사용자들의 경우에는 분명 사실이 아니다. 후자에 속하는 사용자들은 노트북 PC로부터 이전하고 있으며 가용 용량, 예상 런타임, 대기, 충전 시간 등의 백분율 표시에 이미 익숙해 있다.
일부 생산업체는 가용 런타임 또는 토크타임 (talk time) 평가가 현재의 사용 조건에 기초한다는 이유로 예측할 수 있는 배터리 용량 데이터 표시를 꺼리고 있다. 발생하지도 않은 조건 변화를 포함할 수 없다고 믿는 것이다. 장비 업체 또한 잘못된 런타임을 예측해 고객을 실망시키는 일을 피하고 싶어한다. 사용자가 저소비 모드에서 고소비 모드로 변했기 때문이다.
그러나 무선 데이터 장치 사용자 기반을 결코 과소 평가해서는 안 된다. 자동차의 연비가 시내에서보다 고속도로에서 더 높고, 연료를 가득 채우기보다는 조금만 채우는 것이 더 멀리 주행할 수 있다는 사실을 아는 것처럼, 사용자들은 배터리의 사용 모드를 이미 잘 알고 있다. 사용자들은 다운로드 받은 외부업체의 소프트웨어와 최신 핸드폰 시스템에 채택된 애드인 (add-in) CompactFlash® 하드웨어의 런타임 차이에 대해 더 이상 혼란스러워 하지 않는다.
배터리 불확실성은 배터리 하부 전하의 경우 특히 두드러진다. 지금처럼 보이는 것이라곤 3세그먼트 혹은 4세그먼트 배터리 표시뿐이라면 남아 있는 배터리 수명을 알 수 있는 방법이 없다. 통화 중단, 데이터 교환 중단, 데이터 파일 손실 등의 경험 때문에, 사용자들은 데이터 표시를 더 이상 믿지 않는다. 그 결과, 일부 사용자들은 배터리 표시 세그먼트가 한 두 개 없어지면 바로 자신의 핸드폰을 충전한다. 정확성이 떨어지고 배터리 표시 세그먼트의 수가 너무 적으면, 사용자들은 유선 데이터 거래를 더 많이 사용할 수도 있다. 혹시 필요할지도 모를 응급 음성 통화에 대비한 배터리 전력을 남겨두기 위해, 사용자들이 얼마나 무선 데이터 거래를 기피하게 될지는 사실 아무도 모른다. 그러나 인텔리전트 배터리 모니터는 사용자가 다양한 전력 소비 모드를 의식할 수 있도록 추정 런타임을 보여준다. DS276x 및 DS277x의 양적 전력 측정을 사용하면, 사용자는 각 배터리 전하에 저장된 에너지를 어떻게 사용할지를 선택할 수 있다.
오해 3: 배터리 모니터는 몇 달 동안 대기 모드에서 정확해야 한다
이는 새 장치에 배터리를 처음 장착하는 것과 관련된 문제이다. 배터리가 공장 출하 후 최종 소비자에게 올 때까지 기간은 통산 3개월 ~ 9개월이 걸린다. 배터리의 오프셋 성능이 1.6mV ~ 30mV 범위에 있는 경우, 작은 오프셋 오류들이 몇 달간 누적되어(수 천 시간) 소비된 배터리 용량의 상당 부분을 이루게 된다. 생산업체들은 실제 용량이 약 30% 밖에 없는 상태에서 모니터가 죽은 배터리 또는 완전히 충전된 배터리를 표시할 수도 있다는 사실을 우려하고 있다. 오프셋 오류가 마이크로 볼트 범위 이하로 떨어질 때까지, 이같은 상황은 지속될 것이다.
사용자는 사용에 앞서 배터리를 완전히 충전시켜야 한다. 최초의 완전 충전은 셀을 "형성하는(forms)" 중요한 단계로서, 최상의 배터리 성능을 위해 강력히 추천되는 것이다. 사용자 매뉴얼에 명시된 면책 규정에 따르면 최초 사용 전 배터리를 완전히 충전할 것을 지시하고 있다. 몇 달간 배터리를 사용하지 않은 경우는 특히 완전 충전을 추천한다. 배터리가 완전히 충전되었는지에 관계 없이, 배터리 모니터의 쿨롱 카운터(DS276x 및 DS277x 시리즈 장치의 누적 전류 레지스터-ACR)는 셀과의 동기화가 가능하다.
오해 4: 인텔리전트 배터리 모니터링은 비용이 많이 든다
배터리 모니터 솔루션이 처음 출시되었을 때만 하더라도 무선 통신은 음성 전용 핸드폰에만 사용되었다. PDA는 단거리 적외선 혹은 직렬 링크를 통해 PC에 연결되었다. Bluetooth®, Wi-Fi® 및 3G 네트워크 기술 또한 아직 개발 중이었다. 따라서 인텔리전트 배터리 모니터는 비용 대비 효율적이지도 못했고 꼭 필요하지도 않았다.
그러나 데이터는 이제 소중할 뿐만 아니라 손실의 우려가 있기 때문에 상황이 바뀌었다. 인텔리전트 배터리 모니터는 런타임을 증가시키고, 더 작은 장치의 개발을 가능하게 만들고, 사용자 경험에 가치를 추가하며, 보다 많은 무선 활동을 조장한다. 사용자가 무선 휴대용 데이터 장치 구입에 200달러 ~ 600달러를 사용하고 사용료로 매달 40달러 ~ 100달러를 지출할 때, 정확히 표시된 추가 작동 시간의 가치는 과연 얼마나 될까? 사이즈, 성능, 가격 등에서 경쟁을 벌이고 있는 생산업체로서, 그것이 과연 보다 작은 최신 모델을 생산할 수 있는 능력과 비교가 될까? 가입자의 데이터 서비스 사용 증대를 위해 노력하는 무선 데이터 서비스 제공업체는 배터리가 그리 빨리 소진되지 않는다고 믿는 사용자의 신뢰를 과연 얼마로 평가할 수 있을까? 아직까지는 업계의 소수 선두업체들만이 인텔리전트 배터리 모니터링의 가치가 비용을 훨씬 능가한다는 사실을 이해한다. 그리고 현재는 그런 제품만이 런타임과 사용자 만족도 면에서 경쟁업체를 앞서 있다. 이런 점에서 볼 때, 이들은 사실상 비용을 지불하는 것이 아니라 보상을 받고 있는 셈이다.
결론
혁명적인 제품 기능은 흔히 "있으면 좋은" 보너스 성격에서 "꼭 있어야 하는" 핵심 기능 혹은 추가 기능으로 발전한다. 인텔리전트 배터리 모니터도 바로 그러한 기능이다. 휴대용 컴퓨팅 및 통신으로의 이동이 진행되고 있는 상황에서, 사용자는 더 이상 단 몇 개의 시각적 배터리 세그먼트로 표현되는 예측 불가능한 배터리 용량을 용인하지 않는다. 전압 기반의 솔루션이 존재하는 한 큰 배터리, 큰 휴대용 장치, 조기 종료, 낮은 사용자 신뢰도가 지속될 것이다. 그러나 다행스럽게도, 배터리 전력의 예측은 이제 고도의 신뢰성을 가진다. DS276x 및 DS277x 제품군 같은 인텔리전트 배터리 모니터는 무선 휴대용 장치가 PC처럼 진화하도록 돕는다. 성능과 사용자 신뢰도는 증가하고, 사이즈는 계속 작아진다는 뜻이다.
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