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작성일 : 19-02-15 16:49
[기타] 잠수함에 쓰는 납축전지와 리튬이온배터리 차이점
 글쓴이 : archwave
조회 : 3,800  

납축전지는 보통 10 시간에 걸쳐 전기 뽑아쓸 때 기준으로 공칭 용량을 말합니다.

10 시간 이상 길게 즉 적은 전류만 뽑아쓸 때 표기된 용량을 보증한다는 의미이고,

그보다 더 많은 전류를 뽑아쓰면 용량 손실이 점점 심해집니다.


1 시간에 전기 다 뽑아쓰려들 경우 ? 원래 용량의 절반 가까이는 그냥 날아갑니다.

그만큼 열이 나고 이 열은 납축전지 자체 특성을 나쁘게 함과 아울러 주위 회로들까지 특성 나빠지게 만들어서 안 그래도 나빠진 것이 더 나빠지는 악순환을 일으킵니다.


다만 납축전지는 상대적으로 안전합니다. 과부하를 걸어도 터지거나 그러진 않고 용량 손실이 아주 심해질뿐. 그래서 자동차 시동용으로 많이 씁니다. 순간적으로 과부하 걸어도 일단 출력은 높게 잘 나오고, 자동차 시동은 잠깐 쓰는 것이니 용량 손실 걱정할 이유도 없고요.


물론 심하면 납축전지에서 대량의 가스가 발생되고 화재가 날 수는 있지만요.

( 잠수함 영화 보면 배터리 가스 발생, 화재 이런 장면이 약방의 감초처럼 나오죠. )


이에 반해 리튬이온배터리는 보통 2 시간에 걸쳐 전기 뽑아쓸 때 기준으로 공칭 용량을 말합니다.

과부하를 걸었을 때 사고 위험이 커지고, 잠수함 내부에 바닷물이 들어와서 침수되면 폭발 위험까지도 있습니다. 물론 설계에 따라서 많이 달라지는 부분입니다. 과부하에 좀 더 잘 견디게 하고 폭발 위험을 줄이면 공칭 용량이 줄어드는 식의 트레이드오프를 감수할 수도 있고요.


납축전지 써서 20 노트 속도로 1 시간을 달린다면 ? 앞서 말했듯이 극심한 용량 손실이 있는 상태입니다.

공칭 용량대로라면 2 시간은 너끈히 달릴 수 있었을 것이고요.

만약 같은 용량의 리튬이온배터리였다면 문제없이 2 시간 달렸을겁니다.


잠수함에 쓰기 위해 안전 강화하고 물리적으로 보호 대책 세우고도 리튬이온배터리는 납축전지에 비해 같은 무게로 2.5 배 공칭 용량을 갖습니다.


같은 무게의 리튬이온배터리를 써서 20 노트로 달리는 경우 납축전지에 비해 5 배 정도 더 오래 갈 수 있죠.

1 시간 가던 것이 5 시간 갈 수 있다는 얘기.


납축전지가 무게당 용량이 적은 것 때문에 수소연료전지나 스털링기관 같은 AIP 를 첨가하는데,

리튬이온배터리로 바꾸게 되면 굳이 그럴 필요가 적어지게 됩니다.

AIP 를 빼버리고 그 부피/무게만큼을 리튬이온배터리로 더 채우게 되면 2 배 양을 넣을 수 있습니다.


그러면 ? [납축전지 +  AIP] 대신 같은 부피/무게의 리튬이온배터리를 쓰는 것만으로도

20 노트 속도로 1 시간 달리던 것이 10 시간 달릴 수 있게 되는거죠.


물론 리튬이온배터리가 용량당 가격이 납축전지나 AIP 에 비해 상당히 비싸기 때문에

잠수함 건조비가 올라갑니다.


그러나 AIP 에 쓰던 액화산소, 액화수소가 필요없어지기 때문에 운영비가 절감되므로

장기적으로 보면 건조비 올라간 것을 본전 뽑게 되겠고요.


참고로 50 명이 91 일동안 호흡하는 산소는 4.15 톤에 불과합니다.

부피로 따지면 3.6 세제곱미터 정도이고, 액화산소 탱크는 길이 7 미터, 직경 1.4 미터 정도로 될거고요.

AIP 에 들어가는 액화산소/액화수소는 수십톤 거의 100 톤까지도 갈겁니다.

( 탱크 제외하고 안에 들어가는 것 무게만 따진 것임 )


아직은 잠수함에 들어가는 리튬이온배터리가 100 Wh/kg 수준 ( 일본이 현재 만들고 있는 소류급 기준 ) 정도인데, 배터리셀 자체는 144 Wh/kg 이지만 껍데기 씌우고 안전대책 강화하느라 무게가 늘어났기 때문일 것 같고요. ( 참고로 전기차나 휴대폰에 들어가는 리튬이온배터리는 250 Wh/kg 수준입니다. )


몇 년 안 되서 전기차용으로 400 Wh/kg 수준 배터리도 나올텐데, 이게 나오면 잠수함에 있던 리튬이온배터리를 새로운 배터리로 바꾸기만 해도 작전 시간 몇 배 확대가 가능해집니다.

( 배터리 교체는 창정비 필요없고, 해치를 통해서 집어넣고 뺄 수 있습니다. )


이렇게 좋은 것을 왜 아직도 안 했는가 ?

고속주행시에 작전시간을 획기적으로 늘릴 수 있지만, 저속주행시 작전시간은 AIP 쓰는 것에 비해 오히려 떨어지기 때문입니다. 대신 AIP 는 저속주행시에만 의미가 있죠. 가늘고 길게 간다 할까요 ?


몇년후 전기차용으로 400 Wh/kg 배터리가 나와서 잠수함에 넣었을 때는 300 Wh/kg 만 나온다 해도 현재 리튬이온배터리 쓴 것에 비해 작전시간 3 배 확대 (20 노트로 1 시간이 30 시간) 되니까 AIP 쓰는 것에 비해 고속부터 저속까지 모든 영역에서 더 오랜 작전 시간을 보여줄 것으로 생각되고요.


ps. 400 Wh/kg 라 써야 할 것을 500 Wh/kg 으로 잘못 쓴 부분들을 수정했습니다.

출처 : 해외 네티즌 반응 - 가생이닷컴https://www.gasengi.com


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뭐꼬이떡밥 19-02-15 18:08
   
납축전지건 리튬이건

수중에서 20노트로 갈수 있나요?

손일원함 같은경우 연료전지로는 6노트라고 나무위키에 나와있는데요

수중이 아니라면 굳이 납축전지나 리튬베터리를 쓸필요 없을테구요
     
archwave 19-02-15 18:20
   
손일원함만이 아니라 디젤 잠수함의 모터는 수중에서 20 노트는 기본입니다.

전력공급 능력 제한 때문에 속도를 다 못 내죠.

손일원함의 경우
납축전지로는 최소 2850 kW 의 전력을 내줘서 20 노트 속도가 나오는데,
연료전지로는 240 kW 의 전력만 내주니 해봐야 6 노트 속도만 나오고요.
( 둘 다 수중에서 얘기임 )

그리고 수중이 아니라면 잠수함의 의미가 없죠. ^^;

잠수함이 물 밖에 나오거나 스노클링하는 것은 모항에 왔거나,
디젤 엔진/발전기 돌려서 배터리 충전할 때뿐.
종훈이당 19-02-15 19:00
   
결국 큰바다로 나갈 잠수함이 필요하고 나갈동안 수상에서 공해에서 보호가 있어야 잠수함도 능력을 발휘하는데 잠수함만 갖추면 된다는 식의 이야기는 곤란하죠. 결국 수상함도 항공우위도 있어야 원하는 잠수함의 비대칭 전력도 빛을 발하는게 아닐까요
랄랄라라라 19-02-15 19:29
   
몇년 후에 전기차용으로 500wh/kg이 나온다면, 그걸 바탕으로 군용으로 안전 설계를 통해 트레이드 오프해서 적용하려면 차기 배터리가 나온 시점에서 못해도 5년 정도는 필요할테고, 그러면 그 전기차용 배터리가 나올 때까지의 시간 + 3~5년이면 거의 10년 정도는 소요되겠네요. 당연한 이야기지만 배터리 변화에 따른 무게 배분이 달라지니 설계를 뜯어 고쳐야 할테고, 그렇게 적용되다 보면 자연스레 그 정도의 시간이 필요할 테구요.

그래서 만들기 시작하면 얼추 2030년도 쯤에 전력화가 되어 말씀하신 수준의 리튬 배터리를 사용하는 디젤 잠수함이 배치된다면, 그냥 거기에 시간과 예산 좀더 보태서 그냥 원잠 만드는게 나아 보입니다. 우리가 얼추 15년 정도면 순수 우리 힘은 아니더라도 얼추 원잠 하나가 배치되어 돌아다닐 수 있으리라 생각하거든요. 물론 그 원잠은 다양한 문제를 안고 있겠지만 말이죠. ㅋ

그런데 이러한 계산을 29SS도 아닌 차기 소류급에 바로 대입해서 계산하는건 좀 오바 같습니다. 뭐 상용 기술을 군용으로 바로 적용할 수 있는게 아닌데 말이죠.
     
archwave 19-02-15 20:08
   
상용기술의 수준이 과거와 달라졌습니다.

간단히 말해서 전기차에 들어가는 배터리라면 잠수함에 넣지 못 할 이유가 없다는 얘기입니다.

리튬이온배터리 넣은 잠수함을 이미 만들기 시작했으니까,
차기 배터리 나올때쯤이면 리튬이온배터리 잠수함은 이미 전력화가 되어 있겠죠.
바로 그 잠수함의 리튬이온배터리 빼고 차기 배터리 넣으면 됩니다.

그리고 원자력 추진 잠수함을 2030 년 이전에 볼 일은 없을겁니다. 그게 그렇게 간단할리가요.

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배터리 변화 무게 배분을 왜 걱정해야 하는지 모르겠네요.

예를 들어서 리튬이온배터리 1000 셀을 넣은 모듈이 1 톤이다.
그런데 차기 배터리 1000 셀 넣은 모듈은 1.1 톤이다.
그러면 차기 배터리 모듈 안에 900 셀만 넣으면 되는겁니다.

새 모듈을 기존 모듈과 물리적으로 호환되게 만들고, 배터리 제어 시스템의 소프트웨어만 조정하면 끝날 일이죠.
          
현시창 19-02-15 21:17
   
말씀대로 상용기술 수준이 높아 바로 적용이 가능하다면, 왜 배치2는 지상 테스트 시설 건설해 놓고 TRA에 3년 가까운 시간이 걸렸겠습니까. 그리고 리튬 이온 배터리 빼고 차기 배터리 넣으면 그만이라고 하셨는데, 방사청 생각은 그게 아닌 모양이더라고요.(같은 논리로 손원일급등에 리튬 이온 전지로 개수하는 안에 대해 굉장히 부정적으로 나왔습니다.)

아무튼 전고체전지를 적용한다고 가정해도 무흡기 상태로 일본 태평양 방면 해상으로 진출하거나, 혹은 동지나해 해상으로 진출할 방법이 없습니다. 현재 중국이나 일본의 대잠자산을 생각해 보면 제주도 부근 좁은 지협과 연안 이상을 벗어나기 힘듭니다.

만약 그 수준에서 놀겠다면 계속 그 클래스로 만족하고 놀면 그만이지요. 그 클래스 이상이라고 정신 자위해봐야 아무 소용없는 일 아니겠습니까?
               
archwave 19-02-15 23:10
   
그 테스트 시설 짓는 것은 잠수함 처음 만들때부터 했어야 할 일이었죠.
단지 외국에서 설계받아왔고 실물이 없는 신기술 같은 것이 없었으니,
남들 하는대로 하면 된다였기에 테스트 시설 만들 생각도 안 했던 것이라 봐야 할겁니다.

당시 리튬이온배터리 도입은 다른 국가들도 아직 실물을 완성한 곳이 없었고,
처음이니 잠수함 설계 제대로 절차밟아서 한 것이라고 생각됩니다.

딱히 리튬이온배터리 도입에 뭔가 난점이 있었다고 생각되지 않고요.

그리고 손원일급등에 리튬이온배터리 개수는 제가 생각해도 좀 난감한 것 같습니다.
일단 손일원급에 들어갈 배터리 셀 원가만 해도 100 억원은 될거고,
실제로 생산해서 개수까지 끝내려면 어쩌면 300 억원은 충분히 들 것 같군요.
충전기 (용량 태부족) 같은거 바꾸고 전력계통 싹 바꾸는 것은 덤이고요.

** 원가 400 최종 100 억을 원가 100 억 최종 300 억 정도로 수정합니다.
아. 피로할때는 글/댓글도 쓰지 말아야겠다.
               
archwave 19-02-15 23:25
   
전고체 전지 용량의 1/4 만 쓴다고 가정할 경우

제주에서 10 노트 속도로 3 일을 달리면 1314 km 인 대만 남쪽 끝까지 갑니다.
12 노트로 달리면 42 시간만에 936 km 인 타이페이 앞바다까지 가고요.

배터리 용량 1/4 로 작전하고
또 1/4 로 귀환하면 1/4 을 남겨서 모항에 들어옵니다.

중간에 적의 공격때문에 고속 회피 기동한다 할 경우
20 노트 속도로 10 시간동안 361 km 를 이러저리 도망다닐 수 있고요.

제가 생각하기에는 아덴만까지도 충분히 진출해서 작전할 수도 있을 것 같습니다.
이 경우 호주 쪽으로 돌아가지 않는 이상 인도네시아 롬복해협을 통과해야 할겁니다.
( 말라카해협이나 순다해협은 수심이 얕아서 잠수해서 통과 불가능 )

인도네시아의 큰 섬 2 개 사이를 통과하면서 스노클링하고 롬복해협을 나온 후 인도양에서 스노클링 2 번하면 아덴만 쪽으로 입성 가능할거고요.

함대와 발 맞추거나 상선 선단을 호위하는 정도가 가능하리란 생각입니다.

이런 정도도 할 수 없을만한 상황이라면 원자력 추진 잠수함이 있다 해도 얼마나 의미있을까 싶기도 합니다.

일단 저는 전고체전지를 도입하고 30 노트 속도를 낼 모터 ( 18.9 MW, 25 만 마력 ) 를 달아서 원자력 추진 잠수함이 가져야 할 모든 것을 다 구현하는 실증기(?)를 먼저 만드는 것이 순서란 생각입니다.
                    
랄랄라라라 19-02-15 23:49
   
언제나 이런 이야기에 대한 대답은 정해져 있죠.

'일단 실증해보자.'

말씀하신 차기 소류급(29Ss급도 아닌)이 자기들 주장이 아니라 교차 검증된 이후에 생각해도 늦지 않지요.

그리고 원잠은 순수 우리 기술로 만든다면 말씀하신 순서가 되야하겠지만 우린 아니잖아요?
                         
archwave 19-02-15 23:57
   
원자력 추진 잠수함 기술을 누가 줄거란 생각이 전혀 안 드는데요.
그냥 완제품 사온다 ? 글쎄요. 그러느니 차라리 안 하는 편이..
그리고 그 완제품들이 정말로 제대로 의미있는 성능일지도 의문스럽고요.

만약 제가 말하는 식으로 진행한다면,
쇄빙선/우주탐사용 소형 원자로가 만들어질때쯤
30 노트 실증기(?)도 완성되어서 성능 검증, 개선등을 하고 있겠죠.
그 다음은 원자로 넣은 것을 만들기.
                    
현시창 19-02-16 00:45
   
말씀하신 전제 자체가 전고체 전지가 아무런 제한 없이 이론상의 에너지 밀도를 전부 발휘한다고 가정할 때나 가능한 소리지요. 그러나 그렇게 될 가능성은 없습니다. 일본인들이 차기 소류급에 대해 부르는 희망찬가를 그대로 대입할 이유는 없습니다.

특히 방전특성 그래프도 없는 마당에 그냥 그래프 기울기로 단순 계산한 작전일수가 무슨 의미가 있겠습니까? 20노트로 방전되는 특성과 12노트로 방전되는 특성에 대한 자료가 있으십니까? 전 가지고 있지 않습니다.

아울러 한 번 물리면 70~120시간 이상 추적을 당하는 마당에 20노트로 10시간 회피가 무슨 소용이 있나요?(전고체 전지-리튬 이온 대비 에너지 밀도 2배-가 적용된다 하더라도 20노트로 10시간이면 완방이군요.) 재래 잠수함은 추적당하면 결국은 부상할 수 밖에 없습니다. 필요하다면 25노트 이상으로 무한 잠항이 가능한 핵추진과는 한계부터 다릅니다.

그냥 내 앞바다에서 매복작전이나 할 것이라면 계속해서 말씀드렸듯 그냥 이대로 재래 잠수함 찍으면 됩니다. 어차피 그냥 레벨 자체가 다르니 레벨이 다른 물건을 대체 가능하다고 생각할 이유는 없어요.
                         
archwave 19-02-16 01:26
   
운이 좋으면
1/4 -- 목표지로 출동
1/4 -- 작전
1/4 -- 귀환

운이 나쁘면
1/4 -- 목표지로 출동
1/4 -- 작전
1/4 -- 20 노트로 10 시간동안 361 km 도망다니기
1/4 -- 귀환

이렇게 된다는 얘기였습니다.

출항하자마자 배터리 완방될때까지 무조건 달리기만 한다면 20 노트로 40 시간동안 1444 km 가 가능합니다.
                         
archwave 19-02-16 01:33
   
전고체전지는 비록 리스크 생산이긴 하지만, 중국애들이 이미 400 Wh/kg 짜리를 생산하고 있다더군요. 실측치일테죠. 아무리 뻥쟁이들이라지만..

일본애들은 한 술 더 떠서 잠수함에 탑재되는 것을 500 Wh/kg 을 로드맵에 그려놨더라고요. 이론상으로야 좀 더 가능할테죠.

그리고 위 글에서도 말했듯이 배터리를 저율방전하는 셈이라서 널널하다 할 수 있습니다.

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리튬이온배터리 한 가지만 전원으로 쓰는 것이라서 방전특성 추정이 쉽더군요.
방전특성 공식 만들어서 계산도 해봤습니다. 실제와 상당히 유사할 것으로 생각되고요.

글 쓰려고 했는데, 지금 좀 피로해서.. 좀 있다 정리해서 올릴 생각입니다.

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앞서 글에서도 댓글로 말했지만, 원자력 추진 잠수함으로 가는 징검다리로 거쳐봐야 할 일이 아닌가 싶습니다. 잘 안 되도 그냥 조금 비싼 디젤 잠수함 만들었다 칠 수도 있겠고요.

구형 모델 설계 사온 헬기.
무리한 개발로 떡 사먹은 흑표.

돈은 돈대로 잡아먹고 이런 꼴 되풀이될까봐 걱정되기도 해서입니다.
                    
archwave 19-02-16 01:21
   
위 댓글에 쓴 [ 30 노트 속도를 낼 모터 ( 18.9 MW, 25 만 마력 ) ] 를
[ 30 노트 속도를 낼 모터 ( 18.9 MW, 25307 마력 ) ] 으로 바로잡습니다.

제가 피로가 심해서 계산 잘 해놓고는 숫자 단위를 잘못 읽기까지 하네요.
25 만일리가 없다는 생각이 들었음.