드론 배터리 충전에 대하여
STUDY
높은 에너지 밀도로 멀티콥터에 사용되는 리튬 폴리머 배터리는 전압에 신경을 써야 합니다. 리튬 폴리머 배터리 셀 1개는 다른 전압을 변동시키는 온도와 같은 인자를 감안하더라도 단순히 2.8V에서 4.2V 이내로만 관리하면 됩니다. 하지만 1s 배터리를 사용하는 미니 드론을 제외하고 대부분의 멀티콥터가 여러 개의 리튬 폴리머 배터리를 직렬로 연결하여 사용하기 때문에 충전에도 특별한 방법이 필요합니다.
충전기의 출력
가전제품이 얼마큼의 전력을 소모하는지 표시하는 단위로 W(와트)가 있습니다. 이것은 전압에 전류를 곱한 값인데 이해를 쉽게 하기 위해 흐르는 물에 비유를 할 수 있습니다. 전압은 수압이고 전류는 물이 흐르는 양입니다. 수압이 높고 물이 많이 흐르면 더 많은 양의 물을 받을 수 있고 더 큰 물레방아도 돌릴 수 있습니다. 그래서 전기에서는 전압과 전류를 곱한 값을 W로 표기합니다. 충전기는 배터리에 전류를 흘려 충전하는 일을 하는 제품이므로 우리가 가진 배터리를 충전하는데 충분한 전력을 가지고 있는지 고려해야 합니다. 만약 2200mAh 4s 배터리를 충전하는 경우를 생각해 봅시다. 4s는 완전히 충전되었을 때 16.8V(전압)를 가지고 있고 2200mA(전류)로 충전을 해야 한다면 37W (= 16.8 x 2.2)의 전력을 충전기가 쓸 수 있어야 합니다. 이런 경우 40W 충전기를 사용하면 문제가 되지 않지만 충전을 빨리하기 위해 4400mA로 충전을 한다면 74W (= 16.8 x 4.4)가 필요하기 때문에 40W 충전기로는 충전할 수 없습니다.
50W로 충전할 수 있는 충전기입니다.전력뿐만 아니라 충전기가 흘릴 수 있는 전류의 한계도 확인이 필요합니다. 만약 최대로 충전할 수 있는 전류가 6A라면 6000 mAh 이상의 용량을 가진 배터리라면 1시간보다 빠르게 충전할 수 없습니다. 6A보다 낮은 전류로 충전을 해야 하기 때문입니다.
6A로 충전할 수 있는 충전기입니다.배터리의 충전 속도 (Charge Rate)
다 사용한 배터리는 바람이 빠진 풍선, 완전히 충전된 배터리는 바람이 가득 찬 풍선으로 비유할 수 있습니다. 그럼 얼마나 빨리 바람을 불어넣어야 하는 것을 고민해야 합니다. 천천히 불어넣는 것은 문제가 되지 않겠지만 강하게 불어넣으면 풍선에 무리가 가듯이 배터리도 마찬가지입니다. 충전 속도는 앞서 배터리에서 설명한 방전율과 같이 C로 표시할 수 있는데 가장 안전한 충전은 1C입니다. 예를 들어 2200mAh의 용량을 가진 배터리는 2.2A의 전류를 밀어 넣어 충전하면 1C 충전이고 4.4A의 전류로 밀어 넣으면 2C 충전이 됩니다. 밀어 넣는 전류의 양이 2배가 크니 충전 시간은 이론적으로 절반으로 줄어듭니다. 하지만 그만큼 배터리에 무리가 갈 수 있기 때문에 급하지 않은 경우라면 배터리 제조업체에서는 1C 충전을 권장합니다. 이론적으로 생각한다면 2200mAh의 배터리를 2.8V에서 4.2V까지 1C로 충전할 때 1시간이 소요돼야 하지만 실제로는 약간 차이가 발생합니다. 3.7V에서 4.2V까지 1C로 충전하면 이론적으로 37.5분이 소요되지만 실제로는 이보다 다소 긴 40~60분 정도가 소요됩니다. 이것은 각 배터리 셀의 전압을 맞춰주는 밸런스 충전이 이루어지기 때문입니다.
1500mAh 4s 배터리를 1C로 충전배터리의 충전 과정
리튬 폴리머 배터리를 밸런스 충전 기능으로 충전을 하는 것을 가만히 지켜보면 충전을 시작할 때 설정했던 전류가 계속 동일하게 흐르다가 완전히 충전이 될 때 즈음에는 전류가 줄어드는 것을 볼 수 있습니다. 처음에는 전류를 동일하게 흘려(Constant Current, 정전류) 충전을 진행합니다. 전류를 유지하기 위해 충전기는 전압을 조절합니다. 배터리의 전압이 설정값에 도달하면 충전기는 전압을 유지합니다. (Constant Voltage, 정전압) 배터리의 전압이 이미 목표에 가까워지기 때문에 전류를 더 이상 필요하지 않기 때문에 충전기의 표시된 전류값을 보면 점차 떨어지다가 충전이 완료되는 것을 볼 수 있습니다. 이 두 단계를 각각 CC 모드 (Bulk 모드), CV 모드 (Absorption 모드)라고 부릅니다.
밸런스 충전 (Balance Charge)
앞서 언급한 바와 같이 한 개의 셀로 이루어진 1s 배터리를 제외하고 2개 이상의 셀을 연결한 배터리는 각각의 셀이 동일한 전압을 가지도록 해야 합니다. 이것은 높은 전압의 셀에서 낮은 전압의 셀로 전류가 흘러드는 것을 막아 배터리의 수명을 보호하는 역할을 합니다. 만약 밸런스가 맞지 않은 배터리를 사용하게 되면 배터리가 방전해야 하는 전류가 멀티 콥터로 전달되지 않고 전압이 약한 셀로 이동하여 충분한 성능을 보이지 않게 됩니다. 밸런스 충전은 각각의 셀이 동일한 전압을 가지도록 충전과 방전을 반복하면서 충전하는 방법입니다. 배터리에는 멀티콥터에 연결하는 커넥터 외에 충전 시에 사용하는 단자가 여러 개인 커넥터가 더 있는데 이는 각각의 셀과 연결된 커넥터입니다. 충전기가 이 단자를 통해 각 셀의 전압을 측정할 수 있습니다. 밸런스 충전을 할 때 충전기가 따듯해지는 것을 볼 수 있는데 이것은 전압이 높은 셀의 전류를 열로 변환하여 다른 셀과 전압을 동일하게 만들어 주기 때문입니다. 이렇게 열로 바꾸면서 충전하는 방식을 패시브 밸런싱 (Passive Balancing)이라고 합니다. 하지만 이것은 충방전을 반복하는 방법이기 때문에 효율이 떨어집니다. 이점을 개선하기 위해 높은 전압을 가진 셀의 전류를 낮은 전압을 가진 셀을 충전하는 데 사용하기도 합니다. 이것을 액티브 밸런싱 (Active Balancing)이라고 합니다. 액티브 밸런싱은 효율이 좋지만 충전기의 구조가 복잡해지는 단점을 가집니다.
배터리 구조와 밸런스 커넥터
병렬 충전 (Parallel Charge)
1C 충전은 이론적으로 완충까지 1시간이 소요된다는 의미입니다. 배터리 1개로 약 4분 정도 비행을 한다면 40분 비행을 위해서는 10개의 배터리가 필요합니다. 그럼 10개의 배터리를 준비하려면 최소 10시간의 충전 시간이 필요하다는 의미입니다. 충전 시간을 단축시키기 위해 2C 충전을 고려해 볼 수도 있지만 배터리의 수명을 생각하면 권장되지 않습니다. 그래서 충전하려고 하는 배터리들의 각 첫 번째 셀들을 연결하여 하나의 커다란 셀로 취급하는 방법을 병렬 충전 (Parallel Charge)이라고 부릅니다. 예를 들어 1000mAh 3s 배터리 3개를 동시에 충전하는 경우를 살펴봅시다. 3개의 배터리의 1번 셀을 병열로 연결하고 3개의 셀을 하나의 셀 즉 3000mAh 용량을 가진 셀로 취급합니다. 그러면 1C로 충전을 하면 3A의 전류를 흘려 충전할 수 있습니다. 3개의 배터리를 한 개로 인식하여 충전하기 때문에 1시간에 3개를 충전할 수 있습니다. 배터리를 병렬로 연결하는 것은 각 셀의 내부저항도 병렬로 연결한다는 의미이기 때문에 (저항은 병렬연결하면 줄어듭니다) 충전 시 배터리와 충전기에 무리가 적은 장점도 있습니다.
3개 배터리 각 셀을 하나의 셀로 충전합니다.각각의 셀을 하나로 취급하기 때문에 주의해야 할 사항이 있습니다.
- 병렬 충전하는 배터리는 모두 같은 셀 수를 가져야 합니다. 3s 배터리와 4s 배터리 2개를 충전한다면 4s의 마지막 셀은 용량이 증가하지 않았기 때문에 2C로 충전하게 됩니다.
- 병렬 충전하는 배터리는 모두 같거나 비슷한 전압을 가져야 합니다. 만약 배터리 간의 전압 차이가 크다면 배터리 사이에 높은 전류가 흐르게 되어 병렬 충전 보드나 배터리 전선 심하면 배터리 자체가 손상될 수도 있습니다.
- 각각 다른 용량의 배터리를 병렬 충전할 수 있습니다.
- 병렬 충전하는데 드는 전력이 충전기의 허용전류를 넘어서는 안됩니다. 예를 들어 6A의 50W 충전기에 4s 1000mAh 배터리 4개를 충전하는 경우를 살펴보면 3개의 배터리를 하나로 가정하고 충전하니까 1C로 충전하면 4A의 전류가 필요합니다. 충전기의 한계 6A로 충분해 보이지만 전력의 경우는 다릅니다. 4s 배터리는 16.8V (= 4 x 4.2V)의 전압을 가지기 때문에 필요한 전력은 67.2W (=16.8V x 4A)가 필요합니다. 50W 보다 높은 전력이 필요하므로 충전기에 무리가 발생할 수 있습니다. 이런 경우 1C 대신에 더 낮은 전류 예를 들어 0.5C, 즉 2A로 충전을 하면 필요 전력이 33.6W (=16.8V x 2A)가 필요하므로 충전 시간은 2배로 늘어나지만 안전하게 충전을 할 수 있습니다. (그래도 하나씩 충전하는 것보다는 빠릅니다.)
- 병렬 충전 보드에 배터리를 연결할 때는 항상 주 전원 커넥터를 연결한 후 밸런스 커넥터를 연결해야 합니다. 밸런스 커넥터가 먼저 연결되면 많은 양의 전류가 밸런스 쪽으로 흘러 병렬 충전 보드나 밸런스 전선의 파손을 일으킬 수 있습니다.
2개의 1300mAh 4s 배터리의 병렬 충전
리튬 폴리머 배터리를 위한 충전기 선택
충전기는 소모품이 아니기 때문에 구입에 신중할 필요가 있습니다. 기본적으로 갖춰야 할 성능과 기능을 확인해야 합니다.
- Power Supplier 가 일체형인가 분리형 인가: 충전기의 전기를 공급하는 장치를 별도로 구매하지만 일체형으로 된 충전기도 있습니다. 일체형은 다소 부피가 크고 전력이 작기 때문에 사양을 잘 확인해야 합니다. 일체형이기 때문에 보관과 이동에 용이합니다. 분리형은 전력을 노트북 충전기나 자동차 시가잭에서도 받을 수 있어 이동에 편리합니다.
Power Supplier 일체형과 분리형 충전기 IMAX B6-AC Charger / Discharger 1-6 Cells / iSDT SC-620 Smart Charger from hobbyking.com
- 몇 셀 배터리까지 충전이 가능한가
- 리튬 폴리머 배터리 충전과 관련된 기능이 충실한가 : 밸런스 충전, 방전, 보관 모드 충전 기능 등 어떤 기능이 지원되는지 확인이 필요합니다. 각 셀의 내부 저항을 측정하는 기능은 배터리 수명을 확인하기에 편리합니다.
- 최대 전력 및 전류 : 촬영용 멀티 콥터에 사용되는 고용량 배터리를 사용하거나 병렬 충전을 계획하고 있다면 앞서 설명한 것처럼 그에 맞는 전력과 전류를 가진 제품을 선택해야 합니다.
- 리튬 폴리머 배터리 외에 어떤 종류의 배터리를 충전할 수 있는가 : 높은 방전율을 요구하지 않는 조종기나 FPV 모니터 등은 리튬이온 배터리 등 다른 배터리를 사용할 수도 있습니다. 또한 리튬 폴리머 배터리보다 더 높은 에너지 밀도를 가진 LiHV (High Voltage Lithium Polymer) 배터리의 경우 전용 충전기가 필요합니다.
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