14 / 30 · 에너지
한 번 충전으로 몇 시간: 전력 예산
01 · 무엇을 배우나
배터리가 버티는 시간은 꺼내 쓸 수 있는 에너지(Wh)를 평균 소비 전력(W)으로 나눠 어림합니다.
완료한 강의
02 · 3D 실험
직접 움직여 보기
배터리에서 꺼내 쓸 수 있는 에너지와 로봇이 평균으로 쓰는 전력을 바꿔 가며 몇 시간 버티는지 보는 학습용 모형입니다. 결과는 충전 손실·열·전압 변동을 뺀 이상값이라 실제 로봇은 이보다 짧게 버팁니다. 입력 범위가 50~500 Wh여서 G1(분해 보고서 420 Wh)은 들어가지만, 옵티머스(2022 시제품)·Figure 03의 2.3 kWh 팩은 범위 밖입니다. 그래서 이 실험은 작은 로봇 기준으로 셈을 익히는 모형입니다. 화면의 3D는 휴머노이드가 아니라 바퀴 달린 작은 이동 로봇이고, 움직여 보기를 누르면 그 조건으로 10분 동안 달린 모습을 보여 줍니다. 10분 동안 쓴 몫이 클수록 배터리 칸이 더 많이 어두워지고, 10분도 못 버티는 조건이면 길 중간에서 멈춥니다.
조건을 바꾸면 아래 결과가 바로 바뀌고, 움직여 보기를 누르면 3D에서 그 조건의 움직임을 볼 수 있습니다. 3D를 열지 않아도 조절기와 결과는 그대로 쓸 수 있습니다.
교육용 예시 · 제조사 내부 설계가 아닙니다
학습용 모형의 결과
같은 배터리도 부하에 따라 시간이 달라집니다
- 이상적 지속 시간
- 2 h
- 사용 가능한 Wh를 평균 W로 나눈 값입니다. 평균 전력을 두 배로 올리면 버티는 시간은 절반이 됩니다. 충전 손실·열·전압 변동과 예비 배터리는 셈에 넣지 않았습니다.
가정과 한계
- 지속 시간 = 사용 가능한 Wh ÷ 평균 W. 충전 손실·열·전압 변동·예비 배터리는 포함하지 않습니다.
학습용 모형입니다. 실제 제품의 성능 시험이나 AI 추론을 실행하는 화면이 아닙니다.
03 · 원리
왜 그렇게 되나
전력 예산의 기본 셈은 나눗셈 하나입니다. 지속 시간(시간) = 사용 가능한 에너지(Wh) ÷ 평균 소비 전력(W). 위 실험의 기준 조건(200 Wh, 100 W)이면 2시간이고, 비교 조건처럼 평균 전력만 400 W로 올리면 0.5시간으로 줄어듭니다. 이때 W는 순간 최대값이 아니라 평균입니다. 한 셀 제조사는 휴머노이드가 걷거나 물건을 들 때 순간 전력이 크게 든다고 설명하지만, 몇 시간 버티느냐를 정하는 것은 순간값이 아니라 평균입니다.
이 셈을 실제 로봇에 거꾸로 대면 평균 전력을 어림할 수 있습니다. G1의 분해 보고서 배터리 420 Wh를 공식 사양의 사용 시간 약 2시간으로 나누면 평균 약 210 W입니다. 다만 Wh와 사용 시간의 근거가 다르고, 어떤 동작을 하며 잰 시간인지도 적혀 있지 않습니다. 실험에서 G1에 가깝게 맞추려면 400 Wh·200 W로 두면 되고, 결과는 2시간입니다. Figure 03은 2.3 kWh 팩으로 최고 성능에서 5시간을 일한다고 밝혀, 같은 셈으로 최고 성능 때 평균 약 460 W입니다. 테슬라는 옵티머스 2022 시제품의 2.3 kWh 팩이 대략 하루치 일에 알맞다고만 말해 셈할 수 없습니다. 발표된 사용 시간은 재는 조건이 달라 로봇끼리 그대로 견줄 수 없습니다(공개 기준). 한 셀 제조사는 지금 휴머노이드 대부분이 한 번 충전으로 2~4시간쯤 일한다고 설명합니다.
평균 전력은 여러 곳에서 나옵니다. 관절을 움직이는 모터와 드라이버가 몸을 세우고 움직이고, 센서와 두뇌 컴퓨터도 쉬지 않고 전기를 씁니다. 예를 들어 로봇용 컴퓨터 모듈 하나(NVIDIA Jetson T5000)는 설정에 따라 40~130 W를 씁니다(제조사 사양). 그리고 실제 지속 시간은 위 이상값보다 짧습니다. 배터리 전압은 충전 상태에 따라 오르내려서, 한 칩 회사 안내로는 공칭 48 V 팩이 약 39~54 V 사이를 오갑니다. 전압이 낮아지면 같은 W를 내는 데 전류가 더 들고, 전류가 크면 열로 잃는 몫도 커집니다. 추우면 배터리 안의 저항이 커져 꺼내 쓸 수 있는 용량이 잠시 줄고, 오래 쓰면 용량 자체가 줄어듭니다.
"사용 가능한 에너지"라는 말에도 이유가 있습니다. 리튬 배터리는 끝까지 비우지 않을수록 오래 가서, 한 배터리 안내 자료는 전기차 같은 산업 기기가 충전은 85%, 방전은 25%에서 멈추는 일이 흔하다고 적습니다. 그렇게 쓰면 이름표에 적힌 Wh의 60%쯤만 꺼내 쓰는 셈입니다. 이 아카데미가 확인한 세 로봇의 공개 자료에는 얼마를 남겨 두는지가 없습니다. 다 쓴 다음도 예산입니다. G1은 배터리를 빠르게 빼서 바꾸는 방식이고, Figure 03은 발의 코일로 충전대에 올라서서 2 kW로 무선 충전합니다. 2.3 kWh를 2 kW로 나누면 약 69분이지만, 리튬 배터리는 거의 다 찬 뒤 마지막 부분을 전류를 줄여 천천히 채우고, 피규어는 충전 시간을 밝히지 않았습니다.
비유
전력 예산은 자동차의 연료통과 연비로 생각하면 쉽습니다. 연료통 크기가 Wh이고, 한 시간에 태우는 연료의 양이 W입니다. 같은 연료통도 급가속을 자주 하면 빨리 비듯, 같은 배터리도 세게 쓰면 빨리 닳습니다.
비유가 맞지 않는 곳
연료는 계기판이 바닥을 가리킬 때까지 거의 다 쓰지만, 배터리는 수명을 지키려고 위아래를 남겨 두고 쓰곤 합니다. 또 추운 날에는 연료통이 잠시 작아지는 셈이고, 오래 쓰면 연료통이 아예 줄어듭니다. 이름표의 Wh를 다 쓸 수 있다고 보면 지속 시간을 부풀려 셈하게 됩니다.
04 · 방식 비교
같은 일을 하는 다른 방식
| 방식 | 크기 | 출력(전류) | 관리 정확도 | 가격 | 쓰이는 곳 |
|---|---|---|---|---|---|
| 배터리 셀13강에서 뜯어보기 | 같은 Wh를 담는 부피·무게는 셀의 에너지 밀도가 정함 | 용량 중심 셀은 오래, 출력 중심 셀은 순간 전력을 크게 냄 | 셀 용량이 고르지 않으면 가장 약한 셀이 팩이 버티는 시간을 정함 | 이 강의가 확인한 자료에는 로봇용 셀의 단가가 없음 | 오래 일하는 로봇(용량 중심 셀), 짧게 큰 힘을 쓰는 동작(출력 중심 셀) |
| 배터리 팩·BMS13강에서 뜯어보기 | 셀 묶음에 감시 기판·보호 소자·외함이 더해짐 · F.03은 외함을 몸통 구조로 써 무게와 부피를 줄였다고 밝힘 | 전압이 처지면 같은 전력에 전류가 커져 손실이 늘어남 | 흘러나간 전하를 세어(쿨롱 카운터) 남은 용량을 어림함 | 피규어는 F.03 배터리 원가를 앞 세대보다 크게 낮췄다고 밝힘 | G1 빠른 교체식 배터리, Figure 03 무선 충전 팩 |
산업용 팔에서는
케이블로 공장 전기를 받는 산업용 팔이라면 버티는 시간을 따질 일이 없습니다. 배터리로 다니는 공장 로봇인 물류 이동로봇은 다른 길을 씁니다. 한 물류 이동로봇 제조사는 배터리가 줄면 로봇이 스스로 충전 스테이션에 붙고, 창고로 돌아오는 틈처럼 정해 둔 때에 충전해 하루 내내 일하게 한다고 설명합니다. 그 스테이션은 약 1시간이면 다 채운다고 적습니다. 한 번에 오래 버티기보다 틈마다 자주 채워 하루를 잇는 방식입니다. 휴머노이드도 G1처럼 배터리를 바꿔 끼우거나 Figure 03처럼 스스로 충전대에 올라서는 방식으로 같은 문제를 풉니다.
05 · 공급망 표
누가 만드나
방식마다 부품을 만드는 기업과 상장 시장·종목 코드, 공개된 공급 관계를 모았습니다.
실시간 주가나 투자 추천이 아닌 사업 구조 학습 자료입니다.
어느 로봇에 납품하거나 쓰이는지는 ‘확인’ 표시가 붙은 공급 관계에서만 알 수 있습니다.
- 확인
- 공시나 공식 발표에 고객 이름이 나옵니다.
- 고객 미공개
- 회사가 고객 이름 없이 공식적으로 밝혔습니다.
- 보도
- 주요 언론·증권사 보도입니다. 매체와 날짜를 함께 적습니다.
| 기업 | 국가 | 상장 | 공급 관계 |
|---|---|---|---|
| 배터리 셀전기를 화학 에너지로 저장했다가 꺼내 쓰는 가장 작은 전지 한 개입니다. 원통형·파우치형·각형이 있고, 리튬이온 셀 하나는 공칭 3.6~3.7 V 안팎(가득 찼을 때 약 4.2 V)으로 전압이 낮아 로봇은 셀 여러 개를 이어 씁니다.쓰이는 곳 | |||
| 이 방식을 만드는 기업 | |||
| LG에너지솔루션 | 한국 | 코스피 373220 |
|
| 삼성SDI | 한국 | 코스피 006400 | 이 자료에 실린 공급 관계 없음 |
| 파나소닉 에너지 | 일본 | 모회사 Panasonic Holdings · 도쿄 6752 | 이 자료에 실린 공급 관계 없음 |
배터리 팩·BMS셀 여러 개를 직렬·병렬로 묶어 필요한 전압과 용량을 만든 덩어리(팩)와, 셀마다 전압·온도를 지켜보며 충전·방전을 관리하는 회로(BMS)를 함께 가리킵니다. BMS 안에는 셀 전압을 재는 감시 칩이 들어갑니다.쓰이는 곳
| |||
| 이 방식을 만드는 기업 | |||
| 파나소닉 에너지 | 일본 | 모회사 Panasonic Holdings · 도쿄 6752 | 이 자료에 실린 공급 관계 없음 |
| 텍사스 인스트루먼트 | 미국 | 나스닥 TXN | 이 자료에 실린 공급 관계 없음 |
| 아날로그 디바이스 | 미국 | 나스닥 ADI | 이 자료에 실린 공급 관계 없음 |
| 인피니언 | 독일 | 독일 IFX | 이 자료에 실린 공급 관계 없음 |
06 · 투자자 관점
무엇이 이익이 되고, 무엇이 과대 해석인가
사용 시간은 세 로봇 가운데 둘이 숫자로 밝힌 사양이지만, 투자자에게는 그 숫자를 잰 조건과 운영 방식이 더 중요합니다. 같은 배터리도 평균 전력에 따라 버티는 시간이 몇 배씩 달라지므로 "몇 시간 일한다"는 숫자는 어떤 일을 하며 잰 값인지와 함께 읽어야 합니다. 운영 방식은 배터리와 충전 설비의 수요를 바꿉니다. 배터리를 바꿔 끼우는 로봇은 쉬지 않고 쓰려면 여분 팩과 충전기를 따로 갖춰야 할 수 있고, 몸에 붙은 팩을 채우는 로봇은 일터마다 충전대가 필요합니다. 이 아카데미가 확인한 세 로봇의 공개 자료에는 그 비용이 숫자로 없습니다. 고객이 하루 몇 시간을 쓰고 몇 번 충전하는지가 실제 현장 사례로 나오는지 지켜봐야 합니다.
07 · 뉴스 해부 연습
이 기사, 무엇을 더 확인할까
아래 기사를 읽고 더 확인해야 할 것을 모두 고른 뒤 "확인"을 누르세요. 항목마다 이유가 열립니다.
휴머노이드 업체 E사, "새 모델은 한 번 충전으로 8시간 일한다" 발표
서 있기와 짐 나르기는 평균 전력이 크게 달라서, 가벼운 일로 잰 8시간과 무거운 짐을 나르며 잰 8시간은 전혀 다른 배터리 성능입니다.
용량을 알면 평균 전력을 거꾸로 셈해 볼 수 있습니다. 배터리를 키워 늘린 시간인지, 모터·컴퓨터가 전기를 덜 써서 늘린 시간인지가 여기서 갈립니다.
지속 시간은 용량을 평균 전력으로 나눈 값이라, 로봇이 전기를 덜 써도 늘어납니다. 배터리를 키우지 않고 소비 전력만 줄여도 지속 시간은 늘어납니다.
추위와 노화로 용량이 줄고, 수명을 지키려 위아래를 남겨 두며, 충전에도 시간이 듭니다. 하루 운영은 충전·교체 시간까지 넣어 따져야 합니다.
08 · 퀴즈와 다음 예고
세 문제로 확인하기
세 문제를 모두 맞히면 이 강의를 완료로 기록합니다.
위 실험에서 사용 가능한 에너지 300 Wh, 평균 소비 전력 150 W이면 이상적 지속 시간은?
본문에서 G1의 평균 전력을 약 210 W로 셈한 값이 어림일 뿐인 까닭은?
배터리 이름표의 Wh를 모두 꺼내 쓰지 않는 이유로 옳은 것은?
다음 강의에서 볼 것
로봇이 쓰는 전기는 배터리에서 곧장 모터로 가지 않습니다. 다음 강의에서는 전력 반도체와 모터 드라이버가 배터리의 직류를 잘게 끊어 관절 모터를 돌리는 과정을 뜯어봅니다.