드론 해부학 교실 2편 - 배터리
드론 배터리는 드론에 장착된 모든 시스템을 구동하여 날 수 있게 해주는 동력원이다. 드론을 처음 접한 사람들은 이렇게 질문한다. 최대 몇 분 비행할 수 있나요? 최대 비행 거리는 얼마인가요? 자동차로 예를 들자면 자동차는 휘발유, 경유, LPG(액화석유가스) 등 연료가 있어야 움직일 수 있다. 우리는 어느 연료로 구동되는 차를 선택할 것인지 고민하고 연비에 대해 알아본다. 하지만 연비는 이론과 실기에 따라 요구되는 사항이 많아 정확하게 판단하고 비교할 수 없다. 연소효율만의 문제가 아니라 차체의 무게, 주행 습관, 엔진의 성능, 날씨 환경, 지형 등 연비에 영향을 미치는 요인이 많기 때문이다. 그렇다면 자동차는 한 번 주유하면 어디까지 갈 수 있고 최대 시속이 어떻게 되나요?라는 질문을 받으면 어떻게 답하겠는가? 제품 설명서에 따라 답할 수 있겠지만 여러 환경 요소에 따라 달라지기 때문에 확답을 내릴 수 없다. 드론도 마찬가지다. 따라서 이러한 질문은 드론 배터리, 드론의 무게, 날씨 환경, 지형 등 여러 요소에 따라 달라질 수 있다.
드론의 배터리는 전력을 공급해주는 동력원이자 드론의 시작을 알리는 전원 장치이다. 드론을 띄우기 위해서 제일 먼저 접하게 되는 것은 전원 장치이다. 대부분의 사람들은 드론의 전원 장치 즉, 배터리의 제품 설명서를 간과하고 전원 버튼을 켜고 끄는 것으로 끝난다. 하지만 드론의 배터리 하나만으로 최대 비행시간, 최대 비행 거리가 확연하게 달라질 수 있다. 평소에 관심 있게 들여다보지 않았던 배터리에 대해 자세하게 알아보도록 하자.
리튬 폴리머 배터리(LiPo Battery)
보편적으로 사용되는 화학 전지에는 1차 전지와 2차 전지로 나눌 수 있다. 건전지로 널리 사용되고 있는 1차 전지는 충전이 불가능한데 비해 2차 전지는 충전이 가능하고 반복해서 사용할 수 있다. 드론에 주로 쓰이는 배터리는 2차 전지인 리튬 폴리머 배터리다. 줄여서 리포 배터리(LiPo Battery)라고도 한다. 리튬 폴리머 배터리는 전해질이 고체 또는 젤 형태이기 때문에 불의의 사고로 전지가 파손되어도 전해질이 밖으로 새어 나가지 않아 발화하거나 폭발할 우려가 거의 없어 안전성이 높다. 용도에 따라 다양한 크기와 모양으로 제조할 수 있고 다른 2차 전지에 비해 용량이 훨씬 크므로 더 많은 전력을 사용할 수 있다. 또한 사용하지 않아도 시간이 지나면 방전되는 자연방전, 완전 방전되지 않은 상태에서 충전을 반복하면 최대 용량이 줄어드는 메모리 효과가 거의 없다. 이러한 이유로 핸드폰, 노트북, 드론 등에 널리 사용된다. 드론의 전원으로 리튬 폴리머 배터리를 주로 사용하는 것은 가볍기 때문이다. 가격이 저렴한 니켈 수소(NiMH) 배터리도 가능하지만 리튬 폴리머 배터리에 비해 용량이 적고 훨씬 무거워 전반적으로 효율성이 떨어진다.
리포 배터리에 표시된 숫자의 의미
배터리는 배터리 겉 면에 표시된 숫자를 통해 등급이 정의한다. 이를 통해 배터리의 특성을 비교하고 배터리가 어떤 용도에 적합한지 판단하는 데 도움이 될 것이다. 리튬 폴리머 배터리에 표시된 숫자의 의미를 알아보자.
1. 셀의 수 및 전압(Cell-Count / Voltage)
리포 배터리의 정격 전압은 3.7V이다. 위의 14.8V 배터리의 경우 네 개의 셀(4S : 4 Cells in Series)을 직렬로 연결했다는 의미이다(즉, 3.7V*4 = 14.8V). 배터리의 전압에 따라 드론의 속도가 결정된다. 전압은 전기 모터의 RPM에 직접적으로 영향을 미친다(브러시리스 모터는 kV로 표시되는데, Volt당 RPM을 의미). 만약 3500kV의 브러시리스 모터는 1 Volt당 3500 RPM을 회전시킨다. 즉, 4S 배터리는 51,800 RPM(3500*14.8)을 회전시킨다. 따라서 전압이 높을수록 빠르다.
2. 용량(Capacity)
배터리 용량은 기본적으로 배터리가 얼마나 많은 전력을 저장할 수 있는지를 측정하는 척도이다. 여기서 측정하는 단위는 밀리암페어 아워(mA/h)이다. 이는 한 시간 안에 배터리에 얼마나 많은 방전 전류를 가할 수 있는지를 나타낸다. 위의 1800mAh 용량은 1시간 동안 1800mAh를 흘려보낼 수 있다는 이론적인 수치를 의미한다. 숫자가 클수록 오래 날릴 수 있다. 12000mAh 이상의 큰 용량의 배터리를 만든 회사도 있다(참고로 휴대폰의 배터리가 보통 2000 ~ 3200mAh 정도이다). 다만, 용량이 클수록 배터리의 크기와 무게가 커진다. 또 장기간 비행하면 모터에서의 열 축적이 일어나 쉽게 연소시킬 수 있다.
3. 방전율(Discharge Rating, C-Rating)
방전율이란 배터리에 해를 입히지 않는 범위 내에서 얼마나 빨리 전력을 출력할 수 있는가 하는 것이다. 용량은 물탱크, 방전율은 수도꼭지의 크기라고 이해하면 쉽다. 위 50-100C는 순간적으로 배터리의 용량의 50-100배 즉, 50-100*1800mAh = 90-180A까지 순간 출력이 가능하다.
4. 내부 저항(Internal Resistance)
내부 저항(Internal Resistance)은 배터리 어디에도 표시되어 있지 않다. 이유는 시간 혹은 온도 때문에 변하기 때문이다. 내부 저항의 숫자가 높을수록 배터리가 모터 및 속도 제어 장치(ESC) 등 전력이 필요한 장치에 에너지가 도달하기 힘들어진다. 장치로 전달되지 않는 에너지는 열로 손실된다. 내부 저항이 중요한 이유는 배터리의 상태와 관련이 있기 때문이다. 리포 배터리를 사용하면 내부에 Li2O가 축적된다. 나중에는 충전이 거의 안되고 열로 빠지는 상태가 된다. 핸드폰 배터리를 충전하자마자 방전이 되는 것은 이 때문이라고 할 수 있다.
배터리 유의사항
1. 배터리 구매 시 유의사항
하나의 배터리로 비행하는 드론은 비행시간에 어려움을 겪는다. 그래서 여분 배터리가 필요하다. 배터리를 잘못 사용하면 기체에 무리를 주거나 사고가 발생할 위험이 있다. 따라서 배터리 구매 시 동일 제품의 정품 배터리를 구매하는 것이 가장 안전하고 바람직하다. 비정품 배터리에 비해 가격이 비싼 배터리는 확실히 부담이 될 수 있다. 하지만 정품 배터리를 사용하면 얻을 수 있는 무수한 이점들이 많을 것이다. 고가의 배터리가 더 높은 품질의 재료로 만들어졌으며 배터리를 다루는 한 안전하고 오래 지속되어 확실한 차이를 느낄 수 있을 것이다.
또한 설명서와 같거나 약간 높은 배터리를 구매하는 것이 좋다. 오래 날리고 싶다고 대용량의 배터리를 구매한다는 것은 터무니없는 행동이다. 높은 용량을 무리하게 사용하면 모터에 이상 문제가 생긴다. 배터리의 연결잭이 같은 종류인지 확인하고 구매한다. 연결잭이 맞지 않으면 변환잭을 추가 구매해야 하는 불상사가 발생한다.
2. 배터리 충전 시 유의사항
리포 배터리는 반드시 리포(LiPo)용 충전기를 사용해야 하며 통풍이 잘 되는 곳과 내화성 표면에 두고 충전해야 한다. 리포용 충전기는 문제를 방지는 데 도움이 되는 안전 기능이 내장되어 있다. 오랜 시간 충전을 방치하면 열 발생 및 스웰링(Swelling, 고체 안에 기체가 발생함에 따라 고체가 부푸는 현상) 현상이 발생할 수 있어 과충전 하지 않는다. 따라서 충전 중인 리포 배터리를 주기적으로 감시해야 한다.
< 스웰링(swelling) 현상 >3. 배터리 사용 시 유의사항
스웰링이 발생된 리포 배터리는 폭발 사고가 일어날 가능성이 있다. 스웰링이 발생하면 아까워하지 말고 과감하게 버리는 게 좋다. 리포 배터리에서 나오는 유독 물질은 공기와 접촉할 때 발화할 수 있기 때문에 일이 잘못될 경우를 대비하여 소화 장치를 가까이에 배치시키는 것이 좋다. 또한 리포 배터리를 절대로 뚫어선 안된다. 무조건 화재가 발생한다.
4. 배터리 보관 시 유의사항
배터리 문제는 대부분 잘못 보관하기 때문에 발생한다. 3.8V 상태로 상온에서 보관하는 것이 가장 바람직하다. 완충했거나 과방전 된 상태로 보관하면 배터리가 손상될 수 있고 장기간 방치하면 3.0V 이하로 떨어져서 배터리 수명이 다할 수 있다. 화재에 대비하여 배터리 전용 보관 백이나 탄약통 등에 보관하는 것이 좋다.
5. 배터리 폐기 시 유의사항
가능한 한 드론 비행이 불가능할 때까지 방전시킨 후 전도성이 있는 소금물에 담가 전기를 단락 시켜 배터리를 거의 제로가 되도록 완전하게 방전시킨다. 그 후 전압이 0V인지 측정 확인 후 폐건전지 함에 버린다.
배터리는 전원 버튼만 누르는 것으로 끝나는 게 아니고 주의 깊게 관심을 가져야 할 아주 중요한 요소이다. 대수롭지 않게 여기던 배터리를 조금이라도 유의하고 이해한다면 안전하고 효율적으로 오래 사용할 수 있을 것이다.
