리튬폴리머 배터리 관리
리튬폴리머 (Li-po) 배터리 어떻게 관리해야할까
드론을 비행하시는 분들이라면 드론의 필수요소중 하나는 배터리인 것을 모두 아시지요?
드론의 배터리는 대부분.. 아니 전부가 리튬폴리머 배터리라고 해도 과언이 아닐 정도입니다. 오늘은 드론을 비행하며 배터리를 관리할 때 어떤 부분이 중요한지, 비상상황 대처 등 리튬폴리머에 대하여 자세히 알아보고자 합니다.
배터리의 종류
1차전지: 1회용 건전지, 망간, 알카라인등
■ 작은용량으로 장기간 사용
■ 자가방전이 적고 일정 전압이 장기간 유지
■ 내부저항이 작고 무게가 가벼우며 저렴함
2차전지: 1회용이 아닌 충전하여 재사용하는 전지
■ 니켈카드뮴전지: 용량이 작고, 자연방전이 큼, 무거우며 메모리 현상이 일어남
■ 리튬-이온: 니켈카드뮴에 비해 용량이 큼, 자연방전/메모리현상이 없음, 가벼움
■ 리튬-폴리머: 리튬이온에 비해 용량이 큼, 무게 및 두께 감소, 안정성이 높음
■ 납축전지: 자동차시동용, 산업기기예비전원용으로 경제적이지만 무거움
*자연방전: 사용하지 않아도 시간이 지나면서 에너지가 점차 방전
*메모리 효과: 완전 방전되지 않은 상태에서 충전을 반복하면 최대 용량이 줄어듦
연료전지
■ 수소와 산소의 화학반응으로 발생하는 전기를 사용
■ 화학반응 후 물이 생선, 수소는 상온에서 기체로 저장용기 용량이 커짐
■ 안전문제 해결 필요
우리가 쓰는 드론의 배터리는?
일반적으로 에너지 밀도가 상대적으로 높고, 안전성이 높으며 자연방전과 메모리 현상이 거의 없는 리튬폴리머 배터리를 대부분 사용합니다.
리튬이온 전지? 2차 전지?
리튬이온전지는 빙엄턴 대학교의 스탠리 위팅엄 교수와 엑슨에 의해 1970년대에 처음 제안되었습니다.이후 여러 연구들이 진행되다가 존 굿이너프가 이끄는 연구팀이 새로운 양극을 개발함으로써 1991년 소니에 의해 최초의 상업적 리튬 이온 전지가 출시되며 가전제품 분야에 혁명을 일으키게 되었습니다.
그러나 리튬이온 전지는 전해질이 액체로 누액 가능성과 폭발의 위험이 있습니다. 이 전해질을 폴리머(고체 또는 젤형태의 고분자 중합체 상태의 전해질)를 사용하고 전해질 이외에 음극과 양극의 활성 물질에 전도성 고분자 등을 이용한 것이 리튬 폴리머 배터리입니다.
리튬이온배터리의 뛰어난 성능은 그대로 유지하면서 폭발 위험성이 있는 액체 전해질 대신 화학적으로 안정적인 폴리머 전해질을 사용하여 누액과 폭발의 위험성이 없을 뿐만 아니라 다양한 형상으로 제작할 수 있는 장점이 있습니다.3mm 정도의 얇은 두께와 소형으로 제작이 가능해 최근 들어 모바일, 태블릿PC, 노트북, 드론등 여러 기기에 사용되고 있습니다.
최근에는 고분자 전해질 대신 겔형 고분자 전해질을 사용함으로써 이온 전도도와 전극와의 적합성, 기계적 물성이 향상된 리튬 고분자 전지가 연구되고 있다고 합니다.
실제 필요한 것을 알아보겠습니다
어려운 말은 그만하고 우리가 직접 사용에 필요한 정보를 이제 알아보도록 하겠습니다.
■ 전압/셀의 수
리튬폴리머 배터리는 여러개의 셀로 구성되어 있으며 각 셀 당 공칭전압은 3.7V입니다. 완전 충전시 4.2V입니다. 사진과 같이 4S는 4개의 셀을 직렬로 연결 했다는 뜻입니다.(4S : 4 cells in Series) 따라서 4S는 14.8V 가 됩니다.
배터리의 전압에 따라 드론의 속도가 결정됩니다. 전압은 전기모터의 RPM과 비례함(브러쉬리스 모터는 kV로 표시되는데, Volt당 RPM을 뜻함). 즉 3500 kV짜리 브러쉬리스 모터는 1볼트당 3500RPM 이 나온다는 것. 즉, 4S 배터리는 51,800 RPM(3500 x 14.8) 이 나옵니다.
(* 단 모터의 무부하시.)
■ 용량(Capacity)
총전력량으로 보통 mAh로 표기합니다. 한시간에 얼마만큼의 전기를 뽑아낼 수 있는가 하는 뜻입니다.
숫자가 클수록 오래 날릴 수 있으나, 용량이 크면 무게도 무거워지고 그만큼 소모량이 많아지기에 효율적인 선택이 필요합니다.
■ 방전률(Discharge Rating, C-Rating)
전압과 용량은 직접적인 효과가 있습니다. 그렇다면 방전률이란 무엇일까요?
방전률은 배터리에 해를 입히지 않는 범위 내에서 얼마나 빨리 전기를 뽑아낼 수 있는가 하는 기준입니다.
위 사진에 있는 배터리는 70C = 70 x Capacity = 100A 임. 즉 최대 연속적으로는 154A까지 뽑아낼 수 있습니다.
(* 최대방전률과 연속방전률의 차이는 있을수 있음.)
리튬폴리머 배터리 충전 및 주의사항
반드시 LiPo용 충전기를 사용해야 하며 한 개의 셀 뿐만 아니라 여러 셀에 배터리를 사용하기 때문에 대부분의 충전기들이 Balance충전을 지원합니다.
처음 충전하시는 분들이 가장 많이 질문하는 부분이 충전을 하려고 할 때 몇 암페어로 설정을 하여야 하는지 궁금해 합니다. 앞서 보여준 사진의 배터리를 예로 들겠습니다. 용량이 2200mAh입니다. 이 용량은 2.2Ah이고 이말은 1C(방전율)가 2.2암페어 라는 뜻입니다. 다시 본론으로 돌아와서 암페어 설정을 높게 하면 충전은 빨리 되지만 각 셀 전극에 손상이 시작됩니다.
드론을 많이 비행하신 경험자들 대부분은 1C이하로 충전을 하고 시간이 넉넉하다면 0.7C 정도로 천천히 충전한다고 합니다.
주의사항들을 간략히 이야기 하자면
-새 배터리는 반드시 충전 후 사용하셔야 합니다.
-반드시 용량의 70%까지만 사용하셔야 합니다.
-셀당 전압이 3.3V 이하가 되면 셀이 손상되며, 심할 경우 충전이 불가합니다.
-완충 상태로 뜨거운 곳에 보관하면, 배터리가 부풀고 폭발가능성이 있습니다.
-되도록 밸런스 충전을 하여야 하고 각 셀당 전압 차이가 0.1V내외여야 합니다.
(ex : 1번셀 3.85V, 2번셀 3. 87V, 3번셀 3.81V, 4번셀 3.29V 라면 불량입니다.)
리튬폴리머배터리 보관 및 폐기 방법
장기 보관 시 50~70%상태(셀당 3.7~3.8V)로 방전 후 보관하여야 합니다. 리튬폴리머 배터리는 순간적으로 출력을 뽑아내는.. 지금까지 장점에 대해 설명하였지만 다르게 보면 또 불안정하고 위험하다고 말할 수 있는 배터리라고 할 수 있기에 평균 전압이 가장 안정적인 상태라고 할 수 있습니다.
또한 덥거나 뜨거운 차안에서 보관하는 것은 라이터를 보관하는 것보다 더 위험하다고 할 수 있으므로 직사광선이 없는 서늘한 장소에 보관하는 것이 좋습니다.
배터리가 파손이 되거나 부풀어 오른다면 반드시 폐기하여야 합니다. 폐기하기 위해서는 단순히 버리면 사고의 위험이 크기 때문에 전압을 완전 방전하여 수거함에 폐기하시면 됩니다.
완전 방전하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 대표적으로 충전기에 방전모드(Discharge Mode)또는 방전이 될 때까지 드론을 비행하거나 소금물에 배터리를 넣어 2~3일간 기포가 발생하지 않는 것을 확인하면 됩니다. 소금물에 배터리를 넣어 방전 시킬 때에는 불산이 발생하기 때문에 실외에서 실시하여야 합니다.
스마트배터리는 신경 안써도 되나요?
위 사진처럼 우리가 많이 쓰는 제품들의 배터리들은 스마트배터리로 제가 지금까지 설명한 부분들의 많은 점들을 신경 쓰지 않고 편하게 이용하도록 도와줍니다.그러나 이러한 스마트배터리들도 본질은 리튬폴리머 배터리로 기본지식과 주의사항들을 숙지하고 있어야 비상상황 시 대처가 가능합니다.
서두에서 2차전지에 발달과 리튬폴리머에 장점을 많이 이야기 했지만 글을 맺어가며 위험한 배터리라는 생각이 들지 않으신가요? 아무리 기술이 발달해도 직접 사용하는 우리는 항상 안전에 주의를 하여야 하기에 강조하고 또 강조해도 지나치지 않다고 생각합니다.
리튬폴리머는 상당히 위험하고 까다로운 배터리입니다. 단 한번의 실수에도 배터리가 부풀거나 충전이 불가 할 수 있습니다. 주의사항을 숙지하고 사용에 안전을 기하여 안전하고 사고 없는 즐거운 비행이 되시기를 기원합니다.
WRITER 이병철
기체를 띄우고 직접 조종한다는 소소한 취미에서 시작하여 드론을 경찰업무에 적용하기 위해 연구하는 전문적 학습공동체(폴드론아카데미)일원으로 활동하고 있습니다. coolandman@naver.com
폴드론아카데미는 전원 현직경찰관들로 구성되어 활동하는 전문적학습공동체로, 드론을 활용하여 효율적인 치안업무의 도움을 주고자 연구하는 경찰 내 현장학습동아리 입니다.
