배터리 내부저항은 왜 측정할까?
배터리를 평가할 때 가장 많이 보는 값은 전압과 용량입니다.
하지만 같은 전압과 비슷한 용량을 가진 배터리라도 실제로 전류를 크게 흘렸을 때 성능은 다를 수 있습니다.
그 이유 중 하나가 내부저항입니다.
배터리에 전류가 흐르면 내부의 전해질, 전극, 집전체, 접속부, 전기화학 반응 등 여러 요소 때문에 전압강하가 발생합니다. 따라서 내부저항이 커질수록 부하가 걸렸을 때 전압이 더 많이 떨어지고 손실도 증가할 수 있습니다. 다만 배터리 내부저항은 하나의 고정된 물리량이라기보다 어떤 방법으로 어떻게 측정하느냐에 따라 의미와 값이 달라질 수 있는 특성값입니다. BioLogic의 내부저항 시리즈 3편도 DCIR과 ACIR, ohmic resistance는 서로 다른 측정방법에서 얻어지는 값이며 같은 개념으로 단순 비교하면 안 된다고 설명합니다. [확인된 사실] 실제로 BioLogic은 DCIR(Rdc)을 IEC 61960 7.6.1·7.6.2절을 따르는 DC 측정으로, ACIR(Rac)을 같은 규격 7.6.1절에 따라 단일 주파수(일반적으로 1kHz)의 AC 전류 또는 전압을 인가해 응답을 측정하는 방식으로 정의합니다. 두 값은 애초에 서로 다른 절차로 정의된 별개의 양입니다.
그래서 배터리 평가에서는 목적에 따라:
DCIR
ACIR
EIS
등 서로 다른 방법을 사용합니다.
DCIR이란 무엇일까?
DCIR은:
Direct Current Internal Resistance
즉 직류 내부저항을 의미합니다.
기본 원리는 비교적 간단합니다.
배터리에 일정한 DC 전류 변화나 펄스를 인가하고, 그때 발생하는 전압변화를 측정해서 내부저항을 계산합니다.
일반적인 개념식은:
DCIR = ΔV / ΔI
입니다.
BioLogic은 DCIR을 서로 다른 두 전류 조건에서 측정된 전압 차이를 전류 차이로 나눈 값으로 설명합니다.
예를 들어:
부하 전류가 0A에서 100A로 바뀌었고
배터리 전압이 4.00V에서 3.95V로 떨어졌다면
단순 계산상:
ΔV = 0.05V
ΔI = 100A
이므로
DCIR = 0.05 / 100 = 0.0005Ω = 0.5mΩ
가 됩니다.
DCIR은 왜 측정시간이 중요할까?
여기서 중요한 점이 있습니다.
전류를 갑자기 인가하면 배터리 전압은 한 번에 하나의 원인 때문에 떨어지는 것이 아닙니다.
초기에는:
- 전해질·집전체·접촉부 등의 ohmic 영향
- 전극 반응
- 농도 변화
- 확산 영향
등이 시간에 따라 섞여 나타납니다.
따라서 전류를 인가하고 몇 ms 후에 전압을 측정했는지, 혹은 몇 초 후에 측정했는지에 따라 DCIR 값이 달라질 수 있습니다.
BioLogic도 DCIR의 물리적 의미는 사용하는 시험절차에 따라 달라지고, 같은 시험절차를 사용해야 배터리 간 비교가 유효하다고 설명합니다.
즉:
DCIR 1.2mΩ
이라는 숫자 하나만 가지고는 충분하지 않습니다.
반드시:
- SOC
- 온도
- 펄스 전류
- 펄스 지속시간
- 전압 측정 시점
- 충전/방전 방향
을 같이 봐야 합니다.
DCIR은 언제 유용할까?
DCIR의 가장 큰 장점은 실제 부하조건과 비슷한 DC 전류를 이용해 비교적 빠르게 배터리 출력 특성을 평가할 수 있다는 것입니다.
대표적으로:
- EV 배터리 출력성능 평가
- 셀 선별
- 충방전 시험
- SOH 경향 분석
- 팩/모듈 성능 비교
- 고출력 펄스 성능 확인
등에 활용할 수 있습니다.
DOE의 배터리 연구자료에서도 DCIR은 배터리 성능 및 열화 평가에서 중요한 시험항목으로 다뤄집니다.
그렇다면 EIS는 무엇일까?
EIS는:
Electrochemical Impedance Spectroscopy
즉 전기화학 임피던스 분광법입니다.
DCIR처럼 큰 DC 전류 펄스를 주는 방식이 아니라, 일반적으로 배터리에 작은 AC 전압 또는 전류 신호를 인가하고 주파수를 바꾸면서 임피던스를 측정합니다. Gamry의 «Basics of EIS»는 전기화학 임피던스를 일반적으로 작은 여기 신호(small excitation signal)로 측정한다고 설명합니다.
쉽게 말하면:
DCIR은 한 번의 큰 전류 변화에 배터리가 어떻게 반응하는지 보는 방법
이라면
EIS는 여러 주파수에서 배터리가 어떻게 반응하는지를 세밀하게 분해해서 보는 방법
입니다.
EIS에서 왜 주파수를 바꿀까?
배터리 내부의 여러 현상은 서로 다른 시간 스케일에서 나타납니다.
그래서 주파수를 바꾸면 특정 주파수 영역에서 서로 다른 반응을 관찰할 수 있습니다.
Hioki는 배터리 EIS에서 고주파 영역에서는 전해질·용접 등 저항성 요소를, 낮은 주파수 영역에서는 charge transfer 및 diffusion 관련 성분을 분석할 수 있다고 설명합니다.
배터리 내부 임피던스를 단순화하면 크게:
- Ohmic resistance
- Charge transfer resistance
- Double-layer capacitance
- Diffusion impedance
등으로 나누어 생각할 수 있습니다.
Hioki 역시 배터리의 내부저항을 크게 ohmic resistance, reaction resistance, diffusion resistance로 구분하며, 주파수 스윕과 Cole-Cole/Nyquist plot을 이용해 이를 분석할 수 있다고 설명합니다.
Nyquist Plot은 무엇일까?
EIS 결과를 표현할 때 자주 보는 그래프가 Nyquist Plot, 또는 배터리 분야에서 흔히 Cole-Cole Plot이라고 부르는 그래프입니다.
EIS에서는 임피던스를 단순한 저항 하나가 아니라:
실수 성분 R
과
허수 성분 X
을 갖는 복소 임피던스로 봅니다.
즉:
Z = R + jX
형태입니다.
주파수를 높은 곳에서 낮은 곳까지 변화시키며 측정한 각 임피던스 값을 그래프에 표시하면 배터리의 내부 반응에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.
Hioki의 BT4560-50도 여러 주파수에서 임피던스를 측정해 Nyquist/Cole-Cole plot을 만들고, electrolyte resistance, charge transfer resistance, diffusion resistance 등을 분석하도록 설계되어 있습니다.
EIS에서 볼 수 있는 대표적인 요소
실제 배터리 모델은 매우 복잡하지만 입문 수준에서는 다음 정도로 이해하면 충분합니다.
| 요소 | 의미 |
|---|---|
| Ohmic Resistance | 전해질, 집전체, 접속부 등 저항성 성분 |
| Charge Transfer Resistance | 전극 계면의 전기화학 반응 저항 |
| Double Layer Capacitance | 전극·전해질 계면의 용량성 특성 |
| Diffusion Impedance | 이온 확산 관련 영향 |
Gamry도 EIS의 등가회로 해석에서 electrolyte resistance, double-layer capacitance, polarization/charge-transfer resistance 등을 주요 요소로 다룹니다.
EIS가 DCIR 하나의 숫자보다 많은 것을 보여주는 이유: 저항 성분과 계면 반응, 확산이 선도 위의 서로 다른 구간에 나타난다.개념도 · 축 눈금 없음 (값은 셀·온도·SOC에 따라 다름)
따라서 EIS는 단순히:
내부저항이 몇 mΩ인가?
보다
왜 임피던스가 증가했는가? 어느 반응이 변했는가?
를 분석하는 데 더 적합합니다.
DCIR과 EIS의 가장 큰 차이
정리하면 다음과 같습니다.
| 항목 | DCIR | EIS |
|---|---|---|
| 신호 | DC 전류 Step/Pulse | 작은 AC 신호 |
| 측정 | 전압변화 ÷ 전류변화 | 주파수별 복소 임피던스 |
| 결과 | 하나 또는 몇 개의 저항값 | 임피던스 스펙트럼 |
| 시험속도 | 비교적 빠름 | 주파수 범위에 따라 길어짐 |
| 실부하 반영 | 높음 | 소신호 특성 분석 |
| 원인 분석 | 제한적 | 상대적으로 상세 |
| 주요 활용 | 출력성능·선별·SOH 추세 | R&D·열화 메커니즘·등가회로 |
즉 둘 중 하나가 더 좋은 시험법이 아니라 목적이 다릅니다.
ACIR은 또 무엇일까?
ACIR은:
AC Internal Resistance
입니다.
배터리에 특정 주파수의 작은 AC 신호를 인가하고 그때의 임피던스를 이용해 내부저항을 측정합니다.
산업현장에서는 흔히 1kHz AC-IR 측정이 사용됩니다.
Hioki의 일반 배터리 테스터는 1kHz AC 전류를 인가하고 측정된 AC 전압을 이용해 내부저항을 계산하는 방식을 사용합니다.
BioLogic의 내부저항 시리즈 2편 역시 용량이 비교적 작은 셀에서 임피던스 허수부가 0이 되는 지점에 가까운 저항을 얻기 위해 통상 1kHz를 선택한다고 설명합니다.
ACIR과 EIS는 같은 걸까?
완전히 같지는 않습니다.
둘 다 AC 신호를 사용한다는 점은 비슷하지만:
ACIR
한 개 또는 제한된 특정 주파수에서 측정
예:
1kHz 내부저항 = 0.8mΩ
EIS
여러 주파수 범위를 스윕
예:
1kHz → 100Hz → 10Hz → 1Hz → 0.1Hz …
와 같이 측정해서 전체 주파수 특성을 봅니다.
따라서:
ACIR은 한 지점의 스냅샷
EIS는 주파수 전체를 보는 지도
정도로 이해하면 쉽습니다.
1kHz 내부저항만 보면 안 되는 이유
1kHz ACIR 측정은 빠르고 반복성이 좋기 때문에 생산라인에서 셀 선별이나 품질검사에 매우 유용합니다.
하지만 한 주파수에서 측정한 값만으로는:
- charge transfer resistance
- diffusion
- 저주파 열화
- 계면 반응 변화
등을 충분히 분리하기 어렵습니다.
Hioki도 일반 1kHz battery tester와 달리 BT4560 계열은 주파수를 변화시키면서 Cole-Cole plot을 생성하여 더 세부적인 내부저항 분석이 가능하다고 설명합니다.
DCIR과 EIS 중 어떤 방법으로 SOH를 측정할까?
둘 다 배터리 상태 평가에 활용할 수 있지만 SOH를 하나의 저항값으로 직접 측정하는 것은 아닙니다.
SOH(State of Health)는 배터리의 초기 상태와 비교하여 현재 성능이 어느 정도 남아 있는지를 나타내는 개념입니다.
실제 SOH 판단에는:
- 용량
- DCIR
- EIS
- 출력성능
- OCV
- 온도
- 사이클 이력
등 다양한 데이터를 함께 사용할 수 있습니다.
따라서:
DCIR이 10% 증가했으니 SOH가 정확히 90%다
처럼 단순 변환해서 보는 것은 적절하지 않습니다.
DCIR이나 EIS는 SOH를 추정하는 입력 데이터 또는 진단 지표 중 하나라고 보는 것이 정확합니다.
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EIS 결과는 SOC에 따라 달라질까?
네.
배터리의 임피던스는:
- SOC
- 온도
- 휴지시간
- 배터리 화학계
- 충·방전 이력
- 열화상태
등에 따라 달라질 수 있습니다.
BioLogic은 EIS를 이용해 방전 또는 충전 과정에서 SOC에 따른 내부저항 변화를 분석하는 방법도 제시합니다.
따라서 EIS 데이터를 비교하려면 가능한 한:
같은 SOC
같은 온도
같은 Rest Time
같은 주파수 범위
같은 AC 진폭
을 맞춰야 합니다.
DCIR도 온도와 SOC가 중요할까?
마찬가지입니다.
예를 들어 같은 셀이라도:
SOC 90% / 25℃
에서 측정한 DCIR과
SOC 10% / -10℃
에서 측정한 DCIR은 크게 다를 수 있습니다.
따라서 배터리 시험에서 내부저항 값만 기록하는 것보다 시험조건까지 함께 기록하는 것이 훨씬 중요합니다.
측정 케이블도 결과에 영향을 줄까?
매우 중요합니다.
배터리는 내부저항이 수 mΩ 이하로 매우 낮은 경우가 많아 케이블이나 접촉저항이 측정값에 큰 영향을 줄 수 있습니다.
그래서 낮은 저항을 측정할 때는 일반적으로 4-wire 또는 4-terminal 방식을 사용합니다.
Hioki는 AC 4-terminal 방식이 측정 케이블 저항과 접촉저항의 영향을 줄여 mΩ 수준의 배터리 내부저항을 정확하게 측정하는 데 유리하다고 설명합니다.
BioLogic도 배터리 측정에서 4-point 방식을 사용하면 전류선과 전압센싱선을 분리해 케이블 저항의 영향을 줄일 수 있다고 설명합니다.
EIS 측정에서 노이즈가 중요한 이유
EIS는 매우 작은 AC 신호를 사용하기 때문에 외부 노이즈에 민감할 수 있습니다.
BioLogic은 EIS 오차의 주요 원인으로:
- 긴 케이블
- 접촉불량
- 부식된 클립
- 50/60Hz 환경 노이즈
- stray capacitance
- 계측기의 한계
등을 들고 있습니다.
특히 매우 낮은 임피던스의 대용량 배터리에서는 케이블 배치와 측정 구성에 따라 결과가 달라질 수 있으므로 측정시스템 자체의 설계가 중요합니다.
배터리 시험 목적별 추천 측정법
| 목적 | 적합한 방법 |
|---|---|
| 생산라인 빠른 셀 선별 | ACIR |
| 실제 출력성능 비교 | DCIR |
| EV 펄스 성능 평가 | DCIR |
| 배터리 열화 원인 분석 | EIS |
| 전극 반응 분석 | EIS |
| Diffusion 분석 | EIS |
| 셀 간 빠른 품질 비교 | ACIR/DCIR |
| R&D 상세 진단 | EIS + DCIR |
실제 연구개발에서는 하나만 사용하는 것보다 서로 보완적으로 사용하는 경우가 많습니다.
DCIR 측정 장비와 EIS 측정 장비는 다른가?
장비 구성도 다를 수 있습니다.
DCIR
일반적으로:
충방전기 / 배터리 Cycler
를 사용해 DC 전류 펄스를 발생시키고 전압응답을 측정합니다.
대전류 배터리팩의 DCIR을 측정하려면 수백 A 수준의 충방전 장비가 필요할 수도 있습니다.
EIS
일반적으로:
Potentiostat / Galvanostat + FRA
또는
Battery Impedance Analyzer
를 사용합니다.
예를 들어 Hioki BT4560-50은 고용량 EV·ESS 배터리를 대상으로 0.01Hz~1.05kHz의 EIS 측정을 지원하며, 임피던스·전압·온도를 동시에 측정할 수 있습니다.
다만 장비마다:
- 허용 배터리 전압
- 측정전류
- 주파수 범위
- DC Bias
- 최소 임피던스
- Booster 지원
등이 다르므로 DUT 사양에 맞춰 선정해야 합니다.
충방전기 사양 선정 계산기
DCIR, ACIR, EIS를 한 번에 정리하면
| 구분 | DCIR | ACIR | EIS |
|---|---|---|---|
| 입력신호 | DC Pulse | AC | AC |
| 주파수 | 없음 | 특정 주파수 | 다중 주파수 |
| 대표값 | ΔV/ΔI | 1kHz R 등 | Z(f) |
| 측정속도 | 빠름 | 매우 빠름 | 상대적으로 느림 |
| 생산검사 | ○ | ◎ | △ |
| 출력성능 | ◎ | △ | △ |
| 원인분석 | △ | △ | ◎ |
| 등가회로 | 어려움 | 어려움 | 가능 |
| 열화 진단 | ○ | ○ | ◎ |
FAQ
Q. DCIR과 내부저항은 같은 말인가요?
DCIR은 내부저항을 평가하는 한 가지 방법입니다. 내부저항이라는 표현은 측정방식에 따라 의미가 달라질 수 있으므로 DCIR, ACIR, EIS에서 얻은 값을 서로 같은 값처럼 직접 비교하면 안 됩니다.
Q. EIS로 배터리 SOH를 바로 알 수 있나요?
EIS는 열화 상태를 분석하는 강력한 도구지만 EIS 값 하나가 곧 SOH를 의미하지는 않습니다. 용량, 내부저항, 온도, SOC 등 다른 정보와 함께 분석하는 것이 일반적입니다.
Q. 1kHz 내부저항과 DCIR 값이 왜 다른가요?
측정원리가 다르기 때문입니다. 1kHz ACIR은 특정 고주파의 작은 AC 신호 응답을 보는 반면, DCIR은 DC 전류 변화에 대한 전압응답을 측정합니다. 따라서 값이 서로 다르게 나오는 것이 정상입니다.
Q. EIS는 주파수가 낮을수록 좋은가요?
아닙니다. 주파수마다 관찰할 수 있는 반응이 다르기 때문에 목적에 맞는 주파수 범위를 선택해야 합니다. 저주파 영역은 diffusion 등 느린 현상을 보는 데 유용하지만 측정시간이 길어질 수 있습니다.
Q. DCIR은 몇 초 펄스로 측정해야 하나요?
정답이 하나로 정해져 있지는 않습니다. 시험표준과 목적에 따라 펄스 전류와 측정시간이 달라질 수 있으므로 서로 비교하려면 동일한 시험절차를 사용해야 합니다.
마무리
DCIR과 EIS는 둘 다 배터리 상태를 이해하기 위한 중요한 방법이지만 서로 대체하는 시험법은 아닙니다.
DCIR은:
실제 DC 부하에서 배터리가 얼마나 전압강하를 보이는지 빠르게 확인
하는 데 강점이 있습니다.
EIS는:
주파수별 임피던스를 분석해 배터리 내부의 전극반응·저항·확산 특성을 세밀하게 살펴보는 방법
입니다.
그리고 ACIR은 특정 주파수에서 빠르게 내부저항을 측정하기 때문에 생산검사나 셀 선별에 유용합니다. Hioki의 일반 battery tester 역시 1kHz AC 방식으로 내부저항을 측정합니다.
결국 배터리를 제대로 평가하려면:
용량
DCIR
ACIR
EIS
SOC
SOH
를 각각 무엇을 의미하는지 구분해서 사용하는 것이 중요합니다.
참고 자료
- HIOKI — How to measure a battery’s internal resistance.
- HIOKI — Battery Impedance Meter BT4560-50 / EIS measurement.
- BioLogic — Battery Science Glossary: ACIR / DCIR / Internal Resistance.
- Gamry Instruments — Electrochemical Impedance Techniques: Potentiostatic EIS.
- BioLogic — Precautions for Good Impedance Measurements.
EIS 측정기·치구 선정 시 확인할 사양을 다른 시험 장비와 함께 정리한 전력·배터리 시험 장비 및 부품 선정 가이드도 참고해보세요.
측정한 내부저항·임피던스가 실제 상태 추정에 어떻게 쓰이는지는 배터리 SOC는 왜 추정할 수밖에 없을까?에서 이어집니다.
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