드론을 위한 배터리
STUDY
멀티콥터의 대중화는 고성능 배터리 발전을 기반으로 이루어진 것입니다. 초기 RC는 고출력을 만들기 위해 가솔린을 사용하는 엔진을 사용해야 했지만 가볍지만 많은 용량과 높은 출력을 만들 수 있는 리튬(Lithium) 배터리가 나오면서 전동 RC가 별개의 장르로 시작되었습니다. 배터리 성능이 계속 발전하면서 2개 이상의 프로펠러를 가진 멀티콥터의 가능성이 열리게 된 것입니다. 리튬 배터리 중 충전이 가능한 (2차 전지라고 합니다) 배터리를 리튬 이온 배터리라고 합니다. 특히 같은 공간에 얼마만큼의 에너지를 넣을 수 있는지를 의미하는 에너지 밀도가 높아 멀티콥터에 사용하는 배터리는 리튬 폴리머 배터리 (Lithium-ion ploymer battery)입니다. 아직까지 플라스틱과 같은 폴리머를 내부 액체 전해질 대신 사용하는 배터리는 상용화하지 못하고 핸드폰이나 노트북에 사용하는 리튬 이온과 동일하지만 플라스틱과 같은 폴리머로 포장하여 판 형태로 만든 것을 의미합니다. 그래서 상대적으로 포장이 약하지만 약 20% 가볍게 만들 수 있습니다.
LiPo 배터리의 구조
멀티콥터에 사용되는 LiPo 배터리는 3.7V의 전압을 가진 전지를 직렬로 연결되어 있는 구조입니다. 3셀이나 4셀 배터리라고 부르는 3s와 4s는 직렬 (4 cells in Series)의 약자입니다. 따라서 2s 배터리는 3.7x2 = 7.4V를 5s 배터리는 3.7x5 = 18.5V를 가집니다. LiPo 배터리를 보면 멀티콥터에 연결하여 전원을 공급하는 커넥터와 각 전지 셀이 얼마의 전압을 가지고 있는지 모니터링하는 커넥터가 따로 있습니다. 배터리의 성능을 위해 각각의 전지 셀이 같은 전압을 가지고 있도록 해야 하기 때문에 반드시 밸런스 충전이 가능한 충전기에서 충전하는 것이 안전합니다.
3s 배터리 구조
LiPo 배터리 주의 사항
LiPo 배터리는 2.8~4.2V 사이의 전압을 가지고 있어야 합니다. LiPo 배터리는 전지 셀이 최소 2.8V 이하로 전압이 떨어지는 경우 영구적으로 사용불능이 될 수 있습니다. 레이싱용 드론에 적용되는 고출력 배터리(방전율 15C 이상)의 경우 3.2V 이하에서는 전압이 2.8V 이하까지 급격히 떨어져 고장이 날 수 있습니다. 안전을 감안하여 3.4V~3.7V 정도의 전압에서 비행을 중단해야 합니다. 멀티콥터에 사용되는 배터리는 이런 문제를 방지하기 위해 배터리 내부에 LVC (Low Voltage Cutoff) 장치가 있어 일정 이하의 전압으로 떨어지기 전에 전원을 차단하는 기능이 있는 경우도 있지만 레이싱 드론용 배터리의 경우 없는 경우도 많기 때문에 주의해야 합니다. LiPo 배터리는 완전 충전이 되면 4.2V가 되는데 이 상태로 장기간 보관하면 보관 온도에 따라 4.2V 이상의 과충전 상태가 되어 배터리 수명에 영향을 주게 됩니다. 장기 보관에 적당한 전압은 2.7~2.8V로 LiPo 배터리 충전기에 Storage Mode 충전으로 해당 전압을 맞출 수 있습니다.
배터리 보호 회로LiPo 배터리의 고장
고장 유형은 셀 수없이 많이 있지만 크게 접할 수 있는 고장은 다음과 같습니다.
- 스웰링 : 배터리가 부풀어 오르는 현상입니다. 과충전이나 과방전에 의하여 배터리 내부 저항이 열을 발생하면 산소가 발생하고 다시 리튬과 반응하여 열이 지속적으로 발생하는 현상입니다. 스웰링이 시작된 배터리는 충전과 방전이 빨라지고 쉽게 뜨거워집니다. 계속해서 사용하거나 구멍을 내면 화재가 발생할 수 있기 때문에 주의해야 합니다.
부풀기 시작한 배터리
- 형상 변형 및 케이스 파손 : 충격에 의해 케이스가 찌그러 지거나 파손이 발생하면 정상 동작하지 않을 수 있습니다. 전압을 측정하면 3.7V 이상으로 정상으로 보이지만 방전율이 급격히 낮아져 멀티콥터에 연결하면 정상 전압을 발생하지 않을 경우도 있고 과도한 열이 발생하기도 합니다.
날카로운 것에 찍혀 포장이 파손된 배터리
- 찍힘 : 외부의 충격으로 셀 내부까지 파손되는 경우 파손 부위에서 급격한 전류로 인한 스파크나 열로 인하여 화재가 발생할 수 있습니다.
LiPo 배터리에서 발생한 화재는 화학적인 반응에 의한 화재로 일반 소화기로 쉽게 꺼지지 않습니다. 화재가 발생할 경우를 대비해서 충전 시에도 자리를 비우지 않아야 하며 주변에 불이 번질만한 물건을 두지 않거나 LiPo Guard나 금속 통과 같은 전용 보관 상자를 사용하는 것이 좋습니다.
LiPo Guard from buyrc.co.kr
LiPo 배터리의 사양 및 선택
Series 1400mAh 4S 40-80C Multi-Rotor Lipo Pack For FPV Minis from hobbyking.com- 전압 / 셀의 수 : 기본 셀이 3.7V의 전압을 가지고 있기 때문에 몇 개를 연결할 배터리인지 표시되어 있습니다. 모터의 회전 속도는 전압이 높을수록 빨라지기 때문에 자신의 멀티콥터에 적합한 전압의 배터리를 선택해야 합니다. 전자장비가 해당 배터리의 전압에 동작하는지 확인이 필요합니다. FC나 기타 부품의 동작을 위해 BEC 사용도 고려해야 합니다.
BEC (Battery Eliminator Circuit) / UBEC (Universal Battery Eliminator Circuit)
- 용량 : 얼마나 많은 양의 에너지를 보관할 수 있는지 표시합니다. 단위인 mAh는 시간당 흘릴 수 있는 전류라는 의미입니다. 예를 들어 2200mAh 배터리는 2.2A의 전류를 1시간 동안, 1.1A의 전류를 2시간 동안 공급할 수 있습니다. 이 값을 통해서 멀티콥터의 비행시간을 계산할 수 있습니다. 만약 모터가 10A의 전류를 소모한다면 쿼드콥터의 경우 4개의 모터가 소모하는 전류는 40A입니다. 2200mAh 배터리를 사용한다면 1시간에 2.2A의 전류를 흘릴 수 있는 양이니까 약 3.3분의 비행이 가능하다고 계산할 수 있습니다. 하지만 배터리를 비행으로 완전히 소진하지 않기 때문에 다음의 계산식을 따릅니다.
비행시간 = (Battery Capacity x Battery Discharge / Average Amp Draw) x 60
- Battery Capacity (배터리 용량) : 배터리의 시간당 흘릴 수 있는 전류량입니다.
- Battery Discharge (배터리 방전) : 얼마까지 방전할 수 있는지는 비행 시간에 중요한 인자 입니다. 20% 이하까지 사용하지 않기 때문에 80%를 사용한다고 가정하면 0.8 입니다.
- Average Amp Draw (평균 전류 감소) : 드론이 비행을 할 때 필요한 전류의 양입니다. 이 값은 드론 전체 중량과 그 중량을 띄울 수 있는 모터의 소비 전류 값을 사용합니다.
예를 들어 2200mAh의 용량을 가진 배터리를 설치했을 때 4개의 모터가 모두 40A를 사용한다면
(2.2 x 0.8 / 40) x 60 = 2.64 분
의 비행이 가능합니다.
- 방전율 : 위에 계산을 살펴보면 1시간의 2.2A의 전류를 흘릴 수 있는 에너지가 담겨있지만 한꺼번에 40A의 전류를 사용해야 합니다. 따라서 배터리는 한꺼번에 흘려보낼 수 있는데 양이 중요한데 이를 방전율이라고 합니다. 방전율 (C)는 배터리 용량 대비 공급할 수 있는 전류의 비율로 예를 들어 50C 의 방전율을 가진 2200mAh 의 배터리는 최대 110A의 전류를 멀티콥터에 공급할 수 있다는 의미입니다. 방전율은 크게 연속 방전율 (Continuous Discharge Rating)과 최대 방전율(burst Discharge Rating)을 표기하는 경우가 있는데 이것은 연속적으로 공급할 수 있는 방전율과 배터리가 파손될 때까지 공급할 수 있는 방전율을 의미합니다. 급격하게 많은 양의 전류가 소모되는 레이싱 드론에서는 방전율이 높을수록 좋습니다. 모터가 허용 방전율 이상으로 전류를 소모하는 경우 배터리는 급격히 전류를 소모하여 전압이 떨어지고 2.8V 이하로 떨어지면 고장이 나기 때문입니다.
- 내부 저항 : 배터리에서 열이 발생하는 이유는 배터리 내부에 저항 때문입니다. 배터리가 공급해야 하는 에너지가 열로 소모돼 버리기 때문에 내부 저항이 증가할수록 배터리의 수명이 줄어든다고 볼 수 있습니다. LiPo 배터리 충전기에서도 내부 저항을 측정할 수 있습니다. 통상 50mΩ이상이면 수명이 다 되었다고 합니다만 배터리 제조사에 따라 정상 범위에 내부 저항이 다르기 때문에 측정값만으로 수명을 판단하기 어렵습니다.
LiPo 배터리의 충전
LiPo 배터리는 충전이 완료될 때까지 같은 전압과 전류를 일정하게 공급할 수 있는(CC/CV Constant Current / Constant Voltage) 전용 충전기를 사용해야 합니다. 2s 이상의 배터리는 각각의 셀이 일정한 전압을 갖도록 조종을 하면서 4.2V를 가질 때까지 충전을 하는데 이를 밸런스 충전 (Balance Charge)라고 합니다. 만약 각각의 셀이 각각 다른 전압을 가지고 있으면 전압이 높은 셀에서 낮은 셀로 많은 양의 전류가 흐르게 되는데 자칫 충전하는 셀이 방전이 되어 버리거나 충전을 받는 셀이 과충전이 되어 버릴 수 있기 때문입니다.
배터리를 풍선과 비교하면 공기 압력은 전압과 비교할 수 있습니다. 배터리를 사용할 때 방전율을 가지듯이 충전할 때도 얼마나 많은 양의 전류를 배터리에 넣어줄 수 있는지 설정을 할 수 있습니다. 만약 1500mAh 배터리를 1.5A의 전류를 흘려서 충전한다면 1C 충전, 3A로 충전하면 2C 충전이 됩니다. 2C는 1C 충전보다 빠르게 충전할 수 있지만 배터리에 무리가 갈 수 있습니다. 제조사의 기준에 따라 알맞은 전압으로 충전하면 됩니다. 안전과 수명을 위하여 일반적으로 1C 충전을 권장합니다.
LiPo 배터리는 충전 중 과열 등으로 인하여 화재가 발생할 수 있습니다. 반드시 지켜보는 자리에서 충전을 해야 하며 안전을 위해 LiPo Guard나 금속 통과 같은 전용 보관 상자에 넣어 충전하는 것이 좋습니다.
LiPo 배터리 폐기 방법
배터리의 화재는 과열이나 내부 전압에 의한 스파크로 발생합니다. 따라서 수명이 다 된 LiPo 배터리를 폐기할 때는 먼저 배터리의 전압을 0V로 떨어 트려야 합니다. 0V로 떨어트리는 알려진 방법은 다음과 같습니다.
- 소금물에 배터리를 넣어 통전시켜 0V를 만들어 폐기하는 방법 : 방전 과정에서 약간의 불산이 발생하기 때문에 실외에서 실시해야 합니다. “-“ 단자에서 기포가 더 이상 발생하지 않을 때까지 방치했다가 건전지 수거함 등에 버리면 됩니다.
- 전구 등을 연결하여 0V를 만들어 폐기하는 방법 : 전구나 모터 등을 연결하여 전압을 소비하는 방법입니다. 더 이상 동작하지 않을 때까지 구동시킨 후 테스트기로 전압이 0V인 것을 확인하고 건전지 수거함 등에 버리면 됩니다.
- 충전기로 방전시키는 방법 : 충전기의 Discharge Mode에서 방전이 가능합니다. 이 기능은 배터리의 전기를 열로 소진하는 방법입니다. 방전 후 건전지 수거함 등에 버리면 됩니다.
- 배터리 폐기 업체에 맞기는 방법 : 일부 RC 숍에서 LiPo 배터리 폐기를 대행해 주기도 합니다.
효율적인 LiPo 배터리의 사용
LiPo 배터리는 적정 전압(2.8~4.2V)을 유지하는 것이 가장 중요합니다. 적정 전압 상태에서도 온도에 따라 전압과 방전율이 달라지기 때문에 주의하셔야 합니다. 온도가 낮아지면 전압과 방전율이 떨어져 과방전 상태가 될 수 있습니다. 완전 충전 후에도 온도가 높아지면 전압이 상승하여 과충전 상태가 되어 고장이 발생할 수 있습니다. 가급적 비행 전이나 비행 전날 충전을 하고 충전 후에는 가급적 빨리 소진하시는 것이 좋습니다. 만약 충전 상태에서 비행이 취소되면 호버링으로 배터리를 소진하거나 충전기의 Storage Mode로 소진하는 것이 좋습니다. 비행 후에는 다음 비행을 위해 바로 충전하지 말고 Storage Mode로 셀당 2.8V 정도 충전하거나 2.7~2.8V 정도면 그대로 보관하는 것이 좋습니다. 비행 중 측정되는 전압은 기체에서 배터리를 제거했을 때 약간 높아집니다. 자신의 기체가 소모하는 전압을 알고 있으면 적당한 양으로 배터리 알람을 정할 수 있습니다. 예를 들어 셀당 3.5V까지 비행을 하는 경우 기체에서 배터리를 꺼내어 측정하면 3.7V 정도가 되어 그대로 다음 비행까지 별도의 조치 없이 보관할 수 있습니다. LiPo 배터리는 온도에 민감하기 때문에 고온의 자동차 안에 보관하면 화재가 발생할 수 있습니다. 상온에서 LiPo Guard나 금속 통과 같은 전용 보관 상자에 보관하는 것이 좋습니다.
더 많은 드론 이야기를 만나보세요 : FPV미니드론
