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전기차의 급속 충전에 대한 내용은
전기자동차 문서 참고하십시오.1. 개요
급속충전( 急 速 充 電)은 전자기기의 배터리를 기존보다 빠르게 충전하는 기술을 말한다. 고속 충전이라고 부르는 경우도 많다. 급속충전은 스마트폰 뿐만이 아니라 전기자동차나 무선 청소기 등 충전식 배터리를 탑재한 모든 전자제품에 해당될 수 있는 내용이지만, 본 문서에서는 이 문서를 보여주는 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 모니터 등 USB포트가 달린 기기를 USB 충전기로 고속충전하는 기술을 다룬다.[1]기술이 발달하면서 전자기기의 소모 전력이 늘고 배터리가 대용량화 됨에 따라, 기존의 5V 1A(5W)[2] 충전으로는 완전 충전까지 오래 걸리기 때문에 스마트폰용 각종 급속 충전 기술들이 개발되고 있다.
기본적으로 충전에 사용하는 전압과 전류를 높이는 것으로 충전 속도를 향상시키는데, 이에 따라 발열과 수명 감소 등의 영향이 있으나, 전자기기의 일반적인 사용 기간 및 소모품으로서의 배터리의 사용 기간 등을 고려하여 적정한 수준에서 출력을 조절한다. 배터리를 단독으로 충전하는 게 아닌, 전자기기에 배터리를 장착한 상태에서 충전할 경우, 전자기기의 충전회로에서 해당 입력을 지원해야 하나, 표준적인 5V 1A 기기의 경우 실제론 1.2A까지 충전 속도의 향상이 가능하다.
급속충전이라도 배터리가 어느 정도 채워지면 안정성을 위해 출력량이 의도적으로 제한된다. 거의 방전 상태일 때에는 빠른 충전 속도를 보여주지만 완충에 가까워질수록 출력량이 점점 줄어든다.
높은 전압이 사용되면 USB 케이블의 저항 및 단자간의 연결 부분의 접촉저항 등에 의한 전력 손실을 줄일 수 있다. USB 케이블 및 연결 부분의 총 저항이 0.1Ω라고 가정할 때 60W 전력을 20V, 3A로 공급하면 0.9W의 전력이 열로 손실되지만 5V, 12A로 공급하면 14.4W가 소모된다. [공식] 이는 발전소에서 생산된 전기를 초고압 송전선 송전탑을 통해 전송하는 이유와 같다.
높은 전압( V)으로 전력이 공급되더라도, 최종적으로는 리튬이온 전지에 맞게 최대 4.2V의 전압으로 충전된다. USB 케이블을 통해 고전압[4] /저전류로 스텝업 변압되어 전송된 전력은, 충전을 위해 저전압(2.5~4.2V)으로 다시 스텝다운 변압되는 것이다. 높은 전류로 전지를 충전하면 전지전압이 빠른 시간 내에 4.2V에 이르게 되는데, 이후에는 공급할 수 있는 전류량이 줄어들기 때문에 충전 속도가 느려진다. 그래서 급속충전을 이용할 경우 0~50%나 0~70%까지는 매우 빠른 속도로 충전할 수 있지만, 그 이상 완전충전까지는 일반 충전과 속도가 비슷해진다.[5][6]
2010년대 이후로는 기기와 충전기 간의 상태를 통신하면서, 효율적인 급속충전이 이루어지도록 하는 충전 기술이 발전하고 있다. USB의 고전압 대전력 공급 방식으로 USB PD 규격이 표준으로 권고되고 있으며, 보다 세밀한 전압과 전류 제어를 위해 퀄컴 퀵차지 같은 비표준(혹은 사실상 표준)인 규격은 USB PD의 상위호환 위치의 기술로 계속 발전하고 있다.[7]
2. USB 표준
USB가 주변기기에 널리 쓰이고 PDA 같은 소형전자기기 같은 컴퓨터에 연결하는 핸드셋 기기들이 점차 늘어나자 사람들은 USB로 기기를 충전하는 것에 관심을 가지게 되었다. 이에 따라 USB 파워 어댑터 부류를 만들며 USB BC 같은 충전 규약을 제정하게 된다. 그러나 이것으로는 출력이 부족하여 USB 단자를 이용하되 별도로 제정된 퀄컴 퀵 차지 같은 충전규약이 널리 쓰였다. 고속충전 방식이 파편화 된 문제를 해결하기 위해 USB PD 충전 규약이 새로 제정되었다.USB 충전의 개략적인 내용은 USB의 전원 문단 참고.
2.1. USB current (USB 3.x / Type-C)
전원 전선가닥(Vcc, Vbus)을 두 개(또는 그 이상) 넣어 출력을 두 배(또는 그 이상)로 높인 방식.전선 한 가닥에는 허용전류라는 게 있다.[8] 높은A의 전류가 흐르면 발열이 증가하여 전력전달 효율이 크게 떨어지고, 전원부 스펙을 넘기면 과부하가 걸릴 수 있으며, 극단적으로는 화재 합선 등이 일어나기 때문에 이를 방지하기 위함이다. 이 경우 전선 개수를 늘리면[9] 한계를 넘어 그만큼 몇 배의 전력을 제공해 줄 수 있다. (500mA 두가닥 = 1A). USB 기본전압(5V)을 높이지 않고 고속충전을 할 수 있는 방법이며, USB 3.0부터 내부 전원 핀 수가 늘어나 이러한 방식의 고출력 전력을 제공할 수 있게 되었다.
물론 티끌모아 티끌인 이따위 출력증가 및 별로 대단하지도 않은 기술을 고속충전이라 인정하지 않는 사람들이 많을 것이다(...) 그래도 이러한 전력전달 방식은 노트북 외장하드를 구동시키기 위해 Y자형 USB케이블을 사용하여 USB포트 두 개씩 점유하던 과거를 청산하는데 일조하였다.
별도의 고속충전 신호를 발생시킬 필요가 없기 때문에 충전용으로 USB 데이터 통신을 점유하지 않는다(=사용자의 USB 데이터 통신이 가능하다). 따라서 고출력을 언급할 때 같이 언급되기도, 충전전용기술을 언급할 때 제외되기도 하는 방식이다.
2.2. USB Battery Charging
USB PD 이전의 옛날 규격
2.3. USB Power Delivery
난잡하게 벌어졌던 제조사별 급속 충전을 싹 통일시킨 1등공신. 시장 판도가 아직 완전히 통일 된 건 아니지만 확고하게 USB PD 하나로 통일되고 있다.
3. AP 제조사의 급속충전 기술
3.1. 퀄컴 퀵 차지
3.2. MediaTek Pump Express Plus
자사의 AP를 탑재한 스마트폰과 배터리 내장 각종기기 한정으로 제공되는 급속 충전 기술이다.2014년에 버전 1.0을 발표, 2015년에 2.0버전을 발표하였다. 2.0까지는 퀄컴 퀵 차지에 비해 지원 충전기가 보급률이 낮아 사용하기 어려웠으나...
2016년 3.0버전을 발표하며 USB-PD와의 호환성을 부분적으로 확보하였고, 2018년에 4.0 버전이 발표되며 USB-PD 3.0 규격을 완전히 준수하여 충전기 호환성이 매우 높아졌다.
4. 스마트폰 제조사의 독자적 급속충전 기술
퀄컴의 퀵차지 기술은 약간의 라이선스비를 지불해야 하므로 이를 회피하기 위해 각 스마트폰 제조사들이 번들로 주는 충전기는 각자 독자적인 급속충전 기술을 채용하고 있지만 서로 호환성이 없어 해당 회사의 스마트폰/충전기 조합에만 사용할 수 있다. 삼성의 Adaptive Fast Charging처럼 퀵차지 2.0과 호환성이 있는 경우도 있다. 이런 혼란을 정리하기 위해 구글은 안드로이드 7.0 누가부터는 퀄컴의 퀵차지 규격을 쓰지 말고 USB-IF 표준인 USB-PD 규격을 사용하도록 강력히 권장하고 있다. 엄밀하게 말하면 퀵차지(3.0이하) 규격은 USB Type-C 규격의 필수 요구 사항의 위반이다.4.1. 삼성전자
4.1.1. Adaptive Fast Charging
4.1.2. Super Fast Charging
4.1.3. Fast Wireless Charging
4.2. Apple
4.2.1. Apple 12W
iPad의 출시와 함께 공개된 Apple의 충전 규격이다. 현존하는 가장 오래되고, 널리 퍼진 급속 충전 규격 중 하나이다.4.2.2. MagSafe
4.3. Huawei의 SuperCharge
화웨이 기기에서만 지원되는 고속충전 규격으로, 현재 100W (20V 5A)까지 고속충전을 지원하여 4000mah의 스마트폰을 20분내로 충전할 수 있다. 다만 충전 프로토콜에 암호화가 걸려있어 자사 충전기와 전용 충전케이블에서만 지원되며, 다른 충전기로 화웨이 기기를 충전하려면 20W PD/PPS 충전이 한계이다.4.4. OPPO의 VOOC
중국 스마트폰 업체인 OPPO에서 독점으로 사용중인 규격으로, 같은 계열인 OnePlus, Realme, VIVO에서도 이름만 다를뿐 서로 호환된다. 2023년 출시된 Realme GT NEO5는 무려 240W 급속충전으로 9분만에 기기를 완충시키며, 충전기 또한 20V 12A라는 괴랄한 스펙을 자랑한다. 다만 충전 프로토콜에 암호화가 걸려있어 자사 충전기와 전용 충전케이블에서만 지원되며, 240W 충전을 지원하는 GT NEO5도 PD/PPS 충전환경에서는 입력이 20W까지만 지원된다.4.5. 샤오미 Hyper Charge
샤오미 기기에서만 지원되는 고속충전 규격으로, 현재 210W (20V 10.5A)까지 지원되어 9분만에 완충이 되는 Redmi Note 12 Discovery Edition이 시판되었으나 기기마다 지원범위가 120W, 90W, 67W 등으로 다양하다. 다만 충전 프로토콜에 암호화가 걸려있어 자사 충전기와 전용 충전케이블에서만 지원되며, 다른 충전기로 샤오미 기기를 충전하려면 27W PD/PPS 충전이 한계이다.4.6. UFCS
중국 정보통신기술원, 화웨이, 오포, 비보, 샤오미가 연합하여 만든 ' 고속충전협회'에서 수립한 중국 국내용 고속충전 통합 규격이다. 각 제조사별로 서로 다른 규격을 쓰니 소비자 불편은 물론 폰을 바꿀때마다 기존 충전기가 폐기되어 발생하는 환경문제가 심각해 중국 정부 차원에서 통합을 추진시키고 있다. USB PD를 안쓰고 별개로 진행하는 이유는 바로 안전성으로, 중국 제조사들의 고속충전은 현재 100~200W를 넘나들고 있는반면 PD 충전기들은 공개된 규격으로 제조사들의 수준이나 가격이 천차만별이라 통제하지 못하는 사고가 발생할 수 있다는 것. 따라서 UFCS 충전 프로토콜은 역시 암호화 되어있으며 협회의 공인인증을 받은 제품에 한해 사용 가능하다. 샤오미의 300W, 리얼미의 320W 충전이 해당 규격을 사용하고 있다.5. 기타
- 고속충전/급속충전을 사용할 시에는 일반 유선충전에 비해 배터리 수명단축에 더 큰 악영향을 끼칠 여지가 있는데, 이는 리튬이온 배터리는 급방전/급충전시 C-rate가 올라가 열화가 발생하기 때문이다. 하지만 제조사가 보장하는 정상적인 충전 환경에서는 사이클 테스트를 거치기 때문에 수명주기 내에서는 크게 영향이 없다.
- 반대로 보호회로가 부실하거나 없는[10] 싸구려 전자제품(손풍기, 저가형 블루투스 이어폰 등)들은 급속충전 충전기에 물리면 몇 달 못 버티고 돌연사 하는 경우가 있다.[11] 이러한 제품들은 제품 구매 시에 같이 제공해주는 번들 충전기로 충전하는 게 좋다.
- 고속충전이 지원되는 스마트폰임에도 불구하고, 게임을 한 판 하고나면 배터리가 소진되어 있어 깜짝 놀라는 사람들이 꽤 있다. 사실 배터리는 발열에 취약하므로 발열체(AP, Display)가 동작하는 동안에는 고속충전을 중단시킨다. 화면을 꺼야지만 고속충전이 다시 시작된다. 이는 배터리 관련 기본적인 상식이나, 가끔 이에 불평하며 아무리 상식이라 해도 이에 대한 안내를 해야 하는 것 아니냐는 주장을 하는 사람들이 주기적으로 종종 나오곤 한다. 사용설명서 어딘가에 적혀 있으니, 알려주자.
- 시간이 지날수록 고속충전 버전이 계속 올라가기 때문에, 기기를 바꾸고 옛 충전기를 사용할 경우, 한쪽은 고속충전이 안 되고 한쪽은 초고속충전이 안 되는 등 서로 버전이 맞지 않아 일반충전을 하게 되는 사태가 벌어질 가능성도 없진 않다. USB PD의 PPS, PDO, Profile 용어를 유심히 살펴보고, USB PD 지원이 안 되는 구 퀵차지, 어댑티브차지 등을 잘 체크해 두자.
- 멀티포트가 지원되는 충전기의 경우, 단일 사용에 초고속충전이 되어도, 동시 사용에 일반충전~고속충전만 지원되는 경우도 존재한다. 제품 따라 특성이 달라 사용설명서를 읽어봐야 하며, 한편으로는 충전을 하지 않고 케이블을 꽂아두는 경우만으로도 멀티포트 사용중이라고 인식되어 충전 속도가 줄어드는 경우가 발생하기도 하므로 이 역시 사용설명서를 읽어보자. 한쪽 포트에서 케이블을 뽑으면 다른 포트는 전기가 끊겼다가 다시 이어지는 경우가 발생하기도 하는데, 한쪽 포트에서 더 많은 전력을 보내줄 수 있도록 상황이 바뀌었으므로, 기기와 충전기가 충전 능력을 재협상 할 수 있도록 전기를 끊어주는 듯 하다.[12] 전기가 끊어졌다 들어오는 과정에서 스마트폰 화면이 켜지고, 긴급재난문자 같은 팝업창이 떠 있으면, 스마트폰 화면이 꺼지지 않는 상황이 벌어질 수도 있으니(...) 얼떨결에 배터리가 소진되고마는 상황을 조심하자.
- 일반 충전, 급속 충전 확인 차이
6. 스마트폰 외 급속충전 분야
- 노트북 - 노트북의 19~21V 충전은 스마트폰보다 더 빠른 충전속도를 가졌지만 급속충전이라 부르지 않는다. 충전 시간이 짧아야 급속충전에 부합할 수 있지만, 보통 2시간 정도 걸리기 때문에 급속충전으로 봐 주지 않는다. 2018±3년 전후로 USB-PD충전이 되는 노트북이 일반화되었으므로 깐깐하게 구별할 실익은 없으나, 기술이 발전하여 노트북 충전시간이 단축될 수 있다면 '급속충전' 용어를 사용할 여지는 충분히 남아있다.
- 무선 모형( RC카) - 니켈-수소 배터리 시절(90년대) 급속충전기 하면 무선모형용 급속충전기가 일반적이었다. 이러한 기구는 드론( 멀티콥터) 배터리 충전기 용도로 이어진다. 오래된 역사 치고는 급속충전 발전은 더뎠는데, 미니카의 배터리 관리 부분을 참고하면, 이 분야는 "빨리 여러 번 충전"하는 것보다는 "한 번 제대로 충전"하는 것이 더 관건이라서 급속충전보다는 "배터리 길들이기" 쪽으로 기술이 발전하게 된다.
- 개인형 이동장치 - 세그웨이(1999), 나인봇(2014) 이후 스마트 모빌리티~ 개인형 이동장치( 전동휠, 전동 킥보드 등) 기기에도 급속충전이 적용되었겠지만, 이쪽은 범용이 아닌 전용충전기 영역이었다. (기술 이름이 없다. 영업비밀이다.)
- 전기자동차 - 진정 강력한 급속충전 표준은 전기자동차 분야에서 구현될 것으로 보인다. DC 콤보, DC 차데모, 테슬라 수퍼차저 등이 있으며 자세한 내용은 항목 참고.
7. 관련 문서
[1]
수요가 높아 급격한 기술발전이 이루어졌다.
[2]
USB 2.0의 표준은 5V 0.5A (2.5
W), 3.0은 5V 0.9A (4.5W), typeC는 5V 3A(15W)
[공식]
P = IV = I2R. (3A)2(0.1Ω) = 0.9W. (12A)2(0.1Ω) = 14.4W
[4]
5V 이상의 전압. 통상적으로는 리튬폴리머 배터리 1셀 충전 전압(4.2V)의 두 배쯤까지의 9V를 제공하는 경향이 크다.
[5]
Li-ion Battery 기술자료 7쪽 참조.
[6]
대충 로그함수 형태로 전지의 충전량이 나타난다.
[7]
USB-PD 호환을 위해 퀵차지 3.0(구 규격)과 4.0(신 규격)은 서로 호환이 안 되며 별개로 따로 지원해주어야 두 규격을 쓸 수 있다.
[8]
보통 3A를 넘지 않는다. 민감한 기기와 연결할 땐 0.5A에 머물 수도 있다.
[9]
이론상 몇 배 두꺼운 전선을 써도 된다. 현실상 원가절감한다고 지켜지지 않을 가능성이 농후하지만(...)
[10]
적당히 전압 몇볼트 넘으면 전력 커트.
[11]
몇몇
보조 배터리는 이러한 제품에 대비해서 저전력 모드로 충전하는 기능을 내장하기도 한다.
[12]
케이블을 꽂고 몇 초 내에 정해진 뒤 계속 그 모드로 가므로, 충전기 충전 성능이 바뀌면 케이블을 뽑았다 꽂아주어야만 그 성능을 누릴 수 있다. 귀찮으니 충전기단에서 전기를 끊었다 이어주는 듯.