RC배터리의 기초상식과 지식
최고관리자
2023-04-25 13:26
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RC용 배터리는 다른 일반 배터리와는 달리 방전율이 높은 배터리를 사용합니다.
배터리마다 자신이 낼수 있는 방전율이 있고, 이 방전율이 높을 수록 높은 파워를 구동할 수 있습니다.
그럼 배터리의 용량부터 알아보겠습니다.
배터리의 용량은 '1시간에 사용할 수 있는 전류량'을 말합니다. 보통 mAh라고 합니다.
중학교때 배운 전류(A)는 1A = 1000mA가 되는 것을 알고 계실 겁니다. h는 1시간을 의미합니다.
그래서 배터리가 2000mAh라고 하면, 2000mA로 전류를 뽑을 때 1시간동안 사용할 수 있다는 말입니다.
배터리는 소모전류량에 따라 1시간도 사용하고 2시간도 사용하고 그 이상도 사용합니다.
가령 200mA로 소모전류를 걸면, 10시간동안 사용할 수 있게 되는 겁니다.(2000mAh/200mA = 10h)
보통 RC에서의 소모전류는 20~30A(혹은 그이상)가 되기 때문에 1시간까지 사용할 수가 없고 몇분만 사용하게 되는 겁니다.
가령 2000mAh를 20A로 걸게되면, 2000mAh/20000mA = 0.1시간 = 6분이 됩니다.
(이건 단순 수치계산이고, 실지는 효율적인 측면이 있어서 약간 더 줄어듭니다.)
여기서 20A를 소모전류로 했고 6분동안 사용할 수 있는것은, 배터리가 전압이 떨어지지 않고 지속적으로 20A를 내보내주었기 때문입니다.
보통 일반배터리(방전율이 낮은)는 높은 소모전류를 걸게 되면, 자신이 그 전류를 받아주지 못하여 전압(V)이 떨어지게 됩니다.
전압(V)이 떨어지면 전력(W=VA)도 떨어지게 되어 RC기기를 사용할 수 없게 되는 겁니다.
이렇듯 배터리에서 원하는 소모전류를 받아준다는 말은, 전압(V)이 떨어지지 않고 일정하게 전류(A)를 내보낼 수 있다는 뜻입니다.
이런 능력을 방전율로 표시합니다.
방전율(C-rate)을 보통 몇C로 표기하는데, 이때 C는 Capacity(용량)의 줄인말입니다. 그래서 1C면 자기가 가지고 있는
용량(Capacity)의 1배를 내줄수 있다는 뜻이고, 10C라하면 자신의 용량의 10배를 내줄 수 있다는 뜻입니다.(내준다라는
표현은 모터가 배터리에게 소모전류량을 요구했을때 전류를 내어주기 때문에 그렇게 표현했습니다. 배터리는 스스로 전류량을
내어주지는 않습니다. 꼭 외부기기에서 요청하여야만 전류를 내어줍니다.)
이렇게 C의 개념이 용량을 뜻하기 때문에 방전에만 사용하는 것이 아니라, 충전시에도 '몇C충전'이라고 표현합니다.
예를들어 1C 충전이라 함은 배터리가 가지고 있는 용량(mAh)만큼의 전류량(mA)로 충전시킨다는 뜻입니다.
보통 충전기를 가지고 충전을 할때 충전전류를 1000mA로 설정하면, 배터리의 용량(2000mAh인 경우)의
0.5배가 되므로 0.5C충전이 됩니다. 만약 2000mA로 충전을 걸면 1C충전이 되겠지요.
(여기서 충전시간을 계산할 수 있는데, 1C 충전인 경우는 당연히 1시간 충전이 되고, 0.5C 충전은 2시간 충전이 됩니다.
물론 실지는 약간의 효율로 인하여 1.1시간, 2.2시간정도가 소요됩니다.)
이제 배터리의 용량과 방전율에 대해서 이해 하셨는지요?
리튬폴리머 3.7V 2000mAh(15C)라고 되어 있으면, 배터리의 용량은 2000mAh이고, 방전율은 15C가 됩니다.
즉, 소모전류가 2000mA(2A)라면 1시간 동안 사용할 수 있고, 자신의 용량의 15배인 30A(30,000mA)까지
소모전류를 사용할 수 있다는 뜻입니다. 물론 사용시간은 2000mAh/30,000mA = 0.0666시간 = 3.9분이내가 됩니다.
충전을 1C로 걸면(충전전류 2A), 2000mAh(용량)/2000mA *1.1(효율) = 1.1시간이 되고, 0.5C(1000mA)로 걸면
2000mAh(용량)/1000mA*1.1 = 2.2시간이 됩니다.
다음에는 RC용 배터리의 종류와 특징에 대해서 설명하겠습니다.
RC용 배터리는 방전율(C-rate)가 높은 배터리를 사용하여야 하기 때문에 2차전지(충전지)중에서 사용할 수 있는 배터리가 한정되어 있습니다. 여기서 잠깐, 1차전지와 2차전지에 대해서 설명하겠습니다. 1차전지는 충전할 수 없는 배터리를 말합니다. 보통 건전지가 이 1차전지에 포함됩니다. 1차전지에도 많은 종류가 있지만, 방전율이 낮아서 RC에서는 사용할 수가 없으므로 그냥 넘어가겠습니다....죄송...^^ 2차전지는 충전을 여러번 할 수 있는 배터리를 말합니다. 보통 자동차에서 사용하는 납축전지가 있으며, 니켈카드륨, 니켈수소, 리튬이온, 리튬폴리머 등이 여기에 포함됩니다. (물론 연료전지도 있습니다. 향후 연료전지도 꽤 인기를 누릴 것 같습니다.) RC에서 사용할 수 있는 방전율이 높은 2차전지 배터리는 니켈카드뮴과 니켈수소, 리튬폴리머배터리가 있습니다. 납축전지와 리튬이온은 방전율을 높일 수가 없기 때문에 RC에서는 사용하지 않고 있습니다. 특히, 폭발 위험이 있는 리튬이온은 더더욱 사용하시면 안됩니다....^^ [니켈 카드뮴 밧데리] RC배터리로 초반에 사용한 니켈카드뮴 배터리(Ni-Cd)는 내부 전해질이 방전율이 높게 나오기 때문에(보통 10 ~ 15C정도) 싼 가격으로 많이들 사용해 왔습니다. 보통 니카드라고 부르고 있으며, 기본 셀이 1.2V로 되어 있습니다. RC자동차에서 아직까지 사용하고 있으며, 사이즈는 SC(Sub-C)를 사용하고 있습니다. 니카드는 가격이 싸고 방전율이 높지만, 몇가지 단점을 가지고 있습니다. 첫째, 메모리 효과가 있습니다. 메모리 효과란 음...(어렵게 설명한 것은 저희 홈피에 있으니 쉽게 설명하면...) 완전방전/완전충전을 하지 않고, 조금만 사용하고 충전을 반복하면 자신의 용량이 나중에는 나오지 않는것입니다.(너무 쉬웠군요...^^) 그래서 니카드로 충전/방전을 자주하게 되면 자신의 수명을 다하지 못하고 용량이 자꾸만 줄어드는 현상을 느끼게 됩니다. 두번째 단점은 많은 용량을 담을 수 없다는 겁니다. 그래서 오랫동안 RC를 즐길 수가 없고 자주 배터리를 갈아주어야 하며, 더 높은 파워의 모터로 개조/설계할 수가 없는 단점을 가지고 있습니다. 세번째는 용량에 비하여 무겁다는 겁니다. 이런 여러가지 단점들로 인하여 RC에서는 조금 비싸더라도 니카드보다 더 좋은 니켈수소배터리를 사용하게 됩니다. [니켈수소 배터리] RC자동차에서는 많은 애용을 하고 있는 배터리입니다. 그런데 여기서 주의할 사항은 모든 니켈수소배터리가 방전율이 높은 것은 아니라는 점입니다. 니켈수소도 일반적인 니켈수소는 방전율이 높지 않습니다. 그래서 RC용 니켈수소 배터리를 별도로 판매하고 있으며, 일반 니켈수소보다 가격이 더 높은 것입니다. RC용 니켈수소 배터리의 사이즈는 SC type이 있고, 2/3A type이 있습니다. SC는 RC자동차에서 많이 사용하는 배터리이고, 2/3A는 전동건에서 많이 사용하고 있습니다.(그 이외에 제조사에 따라서 RC용이 나오기도 합니다만..... spec을 잘 보고 사용하셔야 합니다....^^) RC용 니켈수소의 기본 셀은 니카드와 같이 1.2V입니다. 같은 충전방식을 따르고 있지만 충전종료시점이 다르므로 충전기도 구분되어 있습니다. 여기서 잠깐 ... 충전방식에 대해서 소개하겠습니다. 니카드와 니켈수소는 충전전류를 일정하게 하고 충전전압을 서서히 올려주면서 충전하는 방식을 따르고 있습니다. 니카드와 니켈수소의 특징상 충전이 다되면 순간적으로 전압이 띠게 되는데 이 시점을 충전기에서 check하여 충전종료를 하게 됩니다. 보통 델타피크라 하여 니켈수소는 5mV~10mV정도 됩니다. RC용 니켈수소는 보통 7.2V를 만들어서 사용하게 되는데, 여기서 주의할 점이 몇가지가 있습니다. 1.2V 6셀을 직렬연결해서 7.2V로 만들게 되는데, 직렬연결할 때 각 셀간의 용량 및 전압의 차가 발생되면 그 만큼 전체 7.2V는 자신들의 용량과 수명이 나오지 못하게 됩니다. 이 부분은 좀 자세히 설명해 드리겠습니다. 보통 배터리는 만충(100%충전)을 하면 전압(V)는 1.4V정도가 나옵니다. 그리고, 방전을 하게 되면 포물곡선을 그리면서 전압이 1.2V정도로 떨어졌다가 용량이 거의 다 되면 다시 급격하게 떨어집니다. 그래서 0.8V정도에서 cut-off가 됩니다. 만약 6개 셀이 밸런스가 맞지 않은 상태에서 직렬연결하게 된다고 가정하겠습니다. 1번셀:1.4V , 2번셀:1.2V, 3번셀:1.2V, 4번셀:1.3V, 5번셀:1.2V, 6번셀:1.1V 위에서 가장 용량이 많이 충전된 셀은 1번셀(1.4V)이 되고, 가장 용량이 없는 셀은 6번셀(1.1V)이 됩니다. 이 상태에서 직렬 연결을 하게 되면 전체 전압은 1.4+1.2+1.2+1.3+1.2+1.1=7.4V가 됩니다. 충전기에 걸어서 충전을 하게 되면 이 6개의 셀중에서 델타피크가 발생되는 셀을 기준으로 충전종료가 될 것입니다. (당연히 1번셀이 만충이므로 오래 걸리지 않아서 충전종료가 될 것입니다.) 이 상태에서 RC자동차에 장착하여 주행을 하게 되면 얼마 못가서 차량은 서게 됩니다.(6번셀의 용량만큼 사용이 되므로) 이 때의 각 셀에 대한 전압 역시 처음과 비슷하게 1번셀이 가장 높고, 6번셀이 가장 낮게 나오겠지요. 예를 들어 1.0+0.8+0.8+0.9+0.8+0.7=5V 로 가정해 보겠습니다. 이 배터리는 전체전압을 걸어서 다시 충전하고 또 다시 방전하게 됩니다. 배터리 내부의 저항값의 차이로 인하여 점점 더 전압차(혹은 용량차)는 심해 질 것이고, 급기야 나중에는 셀간의 밸런스는 완전히 틀어지게 됩니다. 충전기가 전체충전전압(1.4V*6셀=8.4V)까지 충전을 과도하게 밀어넣는다면, 1번셀은 과충전이 되어 열이 발생하여 화재가 나거나 누액이 발생되는 현상을 도래하게 됩니다. 이렇듯 처음의 셀간의 밸런스가 틀어지면, 자신의 용량을 다 못쓰고, 자신의 수명을 다하지 못하고 배터리팩은 인생을 마감하게 됩니다. 만약 처음에 셀간의 밸런스를 맞추고 직렬연결하는 경우는 괜찮을까요? 정답은 아닙니다. 그래도 점점 밸런스는 틀어지게 되어 있습니다. 그것은 셀간의 내부저항값이나 연결된 단자의 부하값, 또 고방전에 따른 전류의 흐름 방해등으로 인하여 점점 더 밸런스는 틀어지게 되어 있습니다. 그렇기 때문에 RC자동차에서는 초기에 배터리팩을 구매할 때, 매치드셀이라는 것을 구입하게 되고 매치드셀이 비싼 원인이 여기에 있습니다. (매치드셀 = 셀간의 내부저항 및 용량, 전압을 일정하게 맞춘 배터리 셀) 그리고, RC자동차에서 낱셀단위로 방전을 하는 원인도 셀간의 밸런스를 맞추는 작업이라 생각하시면 됩니다. 모든 셀을 각각 방전을 하게 되면 셀간의 전압이 일정하게 유지되고, 이 상태에서 전체 충전을 걸어주면 어느정도 셀간의 밸런스가 맞추어져 자신의 용량이 다 들어가기 때문입니다. 설명이 좀 길었습니다. 어느 배터리나 다 마찬가지입니다. 직렬연결하였을 때의 셀간의 밸런스가 맞지 않으면 자기의 용량이 나오지 않고 수명 역시 줄어듭니다.(심하면 누액이나 화재...ㅠ.ㅜ) 니켈수소에 대해서는 이정도면 모르시는 분들에게 도움이 될 것 같습니다. 다음에는 전동헬기에서 주로 사용하는 리튬폴리머에 대해서 설명하겠습니다. [리튬폴리머] 리튬폴리머(Li-Polymer)배터리는 니켈수소보다는 가격이 높지만 많은 장점을 가지고 있습니다. 그 첫번째로는 우선 고용량을 말할 수 있습니다. 같은 부피 대비 용량이 니켈수소보다 휠씬 많고, 고방전이 가능하기 때문에 RC부분에서는 최고의 배터리로 손꼽을 수 있습니다. 두번째는 가볍다는 점입니다. 고 용량을 담았음에도 불구하고 무게는 니켈수소에 비하면 하늘과 땅만큼 차이가 납니다. 이 이외에 사이즈가 작다는 점, 리튬이온에 비하여 폭발의 위험이 없다는 점 등은 리튬폴리머가 RC부분에서 애용하게 하는 주요 장점이 됩니다. 한가지 아셔야 하는 점은 RC용 리튬폴리머가 별도로 제작된다는 사실입니다. 니켈수소와 마찬가지로 일반 리튬폴리머와 고방전용 리튬폴리머가 제작되어 판매됩니다. 물론 고방전이 되는 리튬폴리머는 가격이 일반보다 높습니다. 일반적이 리튬폴리머는 1C~2C정도인데 반하여 RC에 사용되는 리튬폴리머는 10C~20C까지도 제작됩니다. 그럼 이제부터 리튬폴리머의 단점에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다. 가장 큰 단점은 충방전에 대한 관리가 어렵다는 점입니다. 일반 리튬폴리머는 PCM(보호회로)가 별도로 부착되어 충방전에 대한 Control을 자동으로 해 줍니다만 RC에서는 PCM(보호회로)이 같이 내장되어 있지 않습니다. 그 이유는 PCM의 기능상 과방전억제기능이 있어서 고방전을 할 수 없기 때문입니다. 다시 말씀드려서 PCM을 장착하면 5C이상은 나오기가 힘듭니다. 그러기 때문에 자연 PCM이 없이 배터리팩이 제작되고 RC에서 사용됩니다. 여러분들은 의문점이 생길 겁니다. 왜 PCM이 없다고 해서 관리가 어렵다는 것이지? 리튬폴리머는 과충전, 과방전을 하면 안되는 제품입니다. 과충전을 다른 배터리들도 마찬가지이기 때문에 이해 하시겠지만, 과방전은 이해하시기 힘드실 겁니다. 왜냐하면 니켈수소는 완전방전이 되어도 사용할 수가 있는 배터리니깐요. 하지만 2차전지 중에서 완전방전되면 사용할 수 없는 배터리가 있습니다. 납축전지, 리튬이온 그리고, 리튬폴리머입니다. 정확히 말씀드리면,... 리튬폴리머는 셀당 기본 전압이 3.7V입니다. 이 전압은 만충되었을때 4.2V가 되고, 방전이 되더라도 2.8V이하로 떨어지면 안됩니다. PCM이 있는 일반 리튬폴리머인 경우는 PCM이 자동적으로 2.8V에서 cut-off를 해 줍니다. 그러나 RC에서는 PCM이 없기 때문에 한없이 전압이 떨어질 수가 있습니다. 그렇게 되면 그 셀은 더이상 사용할 수 없는 인생 마감된 셀이 됩니다. 자 정리해 보겠습니다. 과충전에 대한 사항은 어떻게 막을 까요? 당연 충전기가 리튬폴리머 충전기를 사용해야 합니다. 니켈수소 충전기로 충전하게 되면 델타피크라는 전압이 띠지 않기 때문에 한없이 전압이 올라가서 과충전이 발생됩니다. 처음 사용하시는 분들은 과충전이 되면 어떻게 되나요? 라고 물어보실 겁니다. 음.... 자료실 '리튬폴리머에 대한 쇼트시험(동영상)'을 보시면 알게 되십니다. 과충전이 되면 내부에서 발열이 생기도 쇼트가 일어난것 처럼 가스가 발생되어 셀이 부풀어오릅니다. 결국 화재 혹은 셀의 인생마감이 초래하죠....ㅠ.ㅜ 다시 돌아가서,... 과충전에 대해서 리튬폴리머 충전기로 사용하면 해결될까요? 정답은 아닙니다. 그 이유는 니켈수소의 직렬 연결상의 문제를 보시면 쉽게 이해하실 겁니다. 전동헬기에서 사용하는 전압은 7.4V 혹은 11.1V, 14.8V, ..음... 18.5V입니다. 리튬폴리머 한셀의 전압이 3.7V니깐.... 7.4V는 2셀이, 11.1V는 3셀이, 14.8V는 4셀이, 18.5V는 5셀이 직렬연결되어 있습니다. 직렬연결된 배터리에서 전압(혹은 용량)이 다른 경우는 내부저항, 연결단자의 부하, 고방전에 따른 전류의 정체성(맞게 표현했나?...음....고방전이면 처음 전자가 나오는 단자는 잘 나오지만 배터리끼리 연결된 단자에서는 부하가 걸리기 때문에 용량소모가 차이가 납니다....음...어렵나요?...) 등으로 인하여 셀간의 편차는 점점 심해집니다. 특히 리튬폴리머 충전방식이 다른 배터리 충전기와 다르기 때문에 더욱 위험해 질 수 있습니다. 리튬폴리머 충전방식에 대해서 설명을 해야 겠군요....음... ^^ 쉽게 설명해 드리겠습니다. 리튬폴리머 충전기는 니카드나 니켈수소처럼 어떤 변화되는 수치(델타피크나 델타티 등)로 하지 못합니다. 충전 방법 중에서 안정적인 충전방식을 택하고 있습니다. 일단 충전 전압은 셀당 4.2V가 됩니다. 그리고, 충전전류는 1C이하로 되어야 합니다. (무조건... 1C이상으로 하고자 하는 분은 배터리를 새로 구입하여야 합니다. 소화기 옆에 두고 하셔야 하고요..) 3.7V 2000mAh의 리튬폴리머 배터리를 충전하기 위해서는 일단 충전전압은 4.2V가 되고 충전전류는 안전하게 0.5C, 1000mA로 하겠습니다. 자... 충전기는 처음에 충전전류값을 일정하게 1000mA로 밀어넣어줍니다. 그렇게 되면 V=IR이라는 공식으로 인하여 전압(V)는 서서히 전압이 상승하게 됩니다. 어디까지요? 설정된 4.2V까지 올라가게 됩니다. 이 과정을 CC(Constant Current)라고 합니다. 충전전압(4.2V)까지 올라가면, 그 다음에는 전압(V)이 일정하게 유지시켜 줍니다. 그러면 전류량이 서서히 줄어들게 됩니다. 이 과정을 CV(Constant Voltage)라고 합니다. 그래서 전류량이 정해진 전류까지 내려가고 자동으로 충전종료가 됩니다. 충전기마다 조금씩 상이하지만 보통 100mA정도로 되어 있습니다. 그래서 전류값이 100mA가 되면 자동 충전종료가 되지요.... 이런 과정이 리튬폴리머충전기의 충전방식입니다. 여기서 아주 어려운 질문을 드리겠습니다. 셀간의 전압이 다른(언밸런스한) 직렬 연결된 리튬폴리머배터리인 경우 충전시 나타나는 반응은 어떨까요? 음.... 좀 어렵나요? 예를 들어 간단히 2셀(7.4V)를 예로 들겠습니다. 만약 셀간의 전압이 달라서 1번셀:3.6V, 2번셀:3.8V인 경우를 생각해 보면,.... 전체 전압은 3.5+3.8 = 7.4V가 됩니다. 충전전압은 2셀이므로 4.2 x 2 = 8.4V가 됩니다. 그래서 위의 CC상태에서 전압은 더 올라가게 됩니다. 어디까지요? 네 맞습니다. 8.4V가 될때까지입니다. 그렇게 되면 1번셀과 2번셀의 전압이 서서히 올라가게 되지요...3.7+3.9 = 7.6V,... 3.8+4.0 = 7.8V ... 3.9+4.1=8.0... 아직 8.4V가 되지 않았군요... 언밸런스 상태로 더 올라갑니다. 4.0+4.2=8.2 ... 악... 2번셀이 4.2V가 이미 되었군요... 그런데 전체 전압이 8.2V이기 때문에 8.4V까지 더 올라가게 됩니다. 그래서 1번셀은 4.1V가 되고 2번셀은 4.3V가 됩니다. 결국 2번셀은 4.3V까지 올라가게 됩니다. 이렇게 충전된 배터리는 RC에서 사용되고, 방전이 되었기에 다시 충전이 됩니다. 전에도 설명한 바와 같이 내부저항, 연결단자의 부하 등 여러요인들로 인하여 셀간의 편차는 점점 심해지고, 심해진 상태에서의 2번셀은 더더욱 높은 전압으로 충전하게 됩니다. 리튬폴리머는 4.2V이상 충전하면 위험합니다. 전압이 높기 때문에 가장 약한 부분에서 발화가 발생할 수 있고, 아니면 내부에 가스가 발생되어 부푸림현상이 발생할 수 있습니다. 그래서 결국 리튬폴리머 배터리는 인생을 마감하게 됩니다. 이해가 되셨지요?.... 이렇게 리튬폴리머의 충전은 순식간에 과충전이 되어 버릴 수가 있습니다. 그럼 어떻게 하여야 할까요? 정답은 낱셀 충전입니다. 각각의 셀단위로 4.2V까지 충전하는 방식이 가장 안정적으로 충전할 수 있는 방안입니다. (보통 시간을 단축하기 위해서 셀밸런스나 셀가이드 등의 제품을 충전기와 배터리 사이에 연결하여 사용합니다.) 이번에는 과방전에 대해서 설명하겠습니다. 리튬폴리머는 과충전에 대한 위험보다도 과방전에 대한 위험이 더 큰 제품입니다. 특히 RC부분에서는요... PCM으로 셀당 2.8V이하로 방전되는 것을 막아주어 과방전을 막아준다고 하지만 실질적으로 회로설계를 하다보면 2.8V이하로 내려가서 cut-off되는 경우도 발생됩니다. 이는 전자회로하시는 분이라면 이해하실 겁니다. 그래서 어떤 PCM 제작업체에서는 일찍감치 cut-off해 주기도 합니다.(예를들어 3.0V나 2.9V) 위에서도 설명했듯이 RC에서의 리튬폴리머는 PCM이 없습니다. 그래서 더없이 위험하지요.. 어떤분들은 이렇게 소리치실 겁니다. "전자변속기에서 cut-off 기능이 있어서 자동으로 과방전을 차단하는데요?"라고요.... 맞습니다. 전자변속기가 RC에는 있고, 전자변속기의 기능중에는 cut-off기능이 있습니다. 사용자가 설정해 주는 전압으로 cut-off해 주지요.... 다행이도... 하지만, 여기서 몇가지 문제점이 나옵니다. 첫번째는 전자변속기가 cut-off해 준다고 해서 믿고 계시면 안된다는 점입니다. cut-off를 정확히 해주는 PCM회로가 없듯이 전자변속기의 회로도 정확히 설정된 값에서 끊어지질 않을 수 있습니다. 두번째는 전자변속기에서는 전체전압을 통하여 cut-off를 해 준다는 겁니다. 예를들어 11.1V 리튬폴리머인 경우 전자변속기의 설정이 2.8v로 해주면, 전체전압 2.8V * 3셀 = 8.4V에서 cut-off해 줍니다. 음... 뭐가 문제일까요? 문제는 셀간의 밸런스가 맞지 않은 경우에는 어떤 셀이 2.8V이하로 더 내려갈 수 있다는 점입니다. 가령 2.7V, 2.8V, 2.9V 해도 더하면 8.4V가 됩니다. 더 심한 경우는 2.2v, 3.1v, 3.1v해도 8.4V는 나옵니다. 이렇듯 셀간의 밸런스가 틀어지면 방전상에서 셀당 2.8V이하가 되는 경우가 발생됩니다. (충전시에 4.2V가 넘는 셀이 있듯이) 세번째 문제점은 전동헬기에서 전자변속기로 cut-off하는 경우, 그냥 추락해서 견적이 나온다는 것입니다. 그래서 어떤분들은 cut-off기능을 해 놓지 않고 사용하시는 분들이 있습니다. 그리고, 사용시간을 예측하여 미리 조종기에 설정하고, 사용시간이 다되면 알람이 울려서 비행을 멈추는 분들이 많습니다. 네번째 문제점은 이런 사용시간 설정에 있습니다. 배터리는 충전상태, 주위 환경에 따라, 자신의 수명과 셀간 밸런스에 따라서 용량이 다르게 나옵니다. 어제 사용한 배터리가 오늘은 더 나올수도 있고, 또 더 안나올수도 있습니다. 이해가 되지 않나요?....음.... 뭐 좋습니다. 좀더 자세히 설명하죠. 한개의 배터리만으로 예를 들어 설명하겠습니다. 어제 사용한 배터리가 대략 8분을 사용하였습니다. 그런데 오늘 날씨가 추워져서 사용하였더니 7분밖에는 사용할 수가 없습니다. 이는 저온에 따른 배터리의 내부 화학반응이 둔해졌기 때문입니다. 다시 집에와서 실내에서 사용했더니 8분이 넘게 사용됩니다. 이는 상온의 조건에 호버링만 하셨기 때문입니다. 상온이면 최적의 배터리 조건이고, 호버링만 하셨기 때문에 전력소비가 적었던 겁니다. 이와 같이 같은 배터리라도 사용하는 장소, 온도, 비행의 조건, 충전 조건 등에 따라 용량이 달라집니다. 거기다가 오래 사용한 배터리는 당연 수명이 다 되어가기 때문에 용량이 많이 줄어들게 되고, 저온 보관한 배터리나 한 셀이 부푸림현상이 발생한 배터리인 경우도 용량이 달라집니다. 이렇게 용량이 다른 배터리를 사용시간을 미리 계산하여 조종기에 예약하는 것은 참으로 힘듭니다. 어떤분은 이를 알기에 약 80%정도의 시간만 설정하시는 분도 있습니다. 20%는 사용하지 않는것이죠... (제가 보기에는 가장 안정적으로 배터리를 사용하시는 분입니다.) 이렇듯 과충전, 과방전으로 인한 배터리의 불량은 많이 발생되고, 판매사에서는 당연 사용자의 부주의로 인한 불량이기 때문에 A/S 또한 해 드릴 수 없는 겁니다. 대부분의 배터리 불량이 이 두가지 요소(과충전, 과방전)로 발생됩니다. 배터리 팩을 만들때는 셀들의 초기 전압 혹은 용량이 비슷하게 만든 다음, 연결을 하여야 합니다. 이 점은 전에 설명한 셀들간의 밸런스를 초기 제작시에 맞추는 것으로 생각하시면 됩니다. 특히 낱셀충전이 되지 않는 니켈수소인 경우는 이 과정없이 팩작업하면 완전히 불량품이 탄생하는 것이지요....^^ 위에 있는 니켈수소 배터리 팩은 주로 RC자동차에서 사용하는 팩인데, 보통 셀들간을 SPOT 용접해서 제작합니다. 물론 전선의 연결은 당연히 납땜을 이용하여 연결합니다. 여기서 SPOT용접과 납땜 용접에 대해서 간단히 설명하겠습니다. SPOT용접은 용접봉이 두개라 나와서 순간적으로 전기를 흘려줌으로써 용접하는 방식입니다. 배터리 표면에 용접봉 두개(+,-)를 대어주고 전기를 흘려주면 전기는 배터리 내부로 들어가지 않고 배터리 표면에서 잠깐 지나감으로 배터리 손상이 없이 용접할 수 있는 장점이 있습니다. 납땜 용접은 인두기내부에 히터를 가열하고 납을 묻혀서 용접하는 방법인데, 여기서 주의할 점은 너무 오래동안 배터리 표면에 인두기를 대고 있으면 열이 배터리 내부로 전달되어 배터리에 손상이 갈 수 있다는 점입니다. 그렇기 때문에 열이 배터리 내부로 들어가기 전에 빨리 용접하여야 하는 단점을 가지고 있습니다. 보통 인두기 끝이 뾰쪽한 팁이면 잘 납땜이 되지 않고, 칼팁으로 사용하여 납땜하는 것이 좋습니다. (칼팁이란 인두의 끝이 뾰쪽하지 않고 종이 자르는 칼같이 단면이 있는 팁입니다.) 그리고, 배터리 표면이 잘 납땜이 안되는 재질이어서 많이들 힘들어 하시는데, 사포로 표면을 갈아주거나 플럭시 등을 발라서 납땜하면 잘 됩니다. 리튬폴리머인 경우는 -단자는 납땜이 잘되는 재질이어서 크게 문제가 없지만, +단자는 납땜이 잘 안되는 재질입니다. 그래서 +단자는 사포로 갈아주지 않고, 니켈플라이트로 SPOT용접한 다음에 납땜을 해 줍니다. 리튬폴리머는 PCM이 없기 때문에 충전용 콘넥터가 별도로 나와야 하고, 배터리 팩 내부 구조는 다음과 같습니다. (예; 리튬폴리머 11.1V의 경우) 가운데 배터리 셀이 3개가 있고, 서로 +와 -가 붙어 있습니다. 이런 구조를 직렬이라고 합니다. 보통 S라고 표시하는데, S는 Serial의 약자입니다. 이 구조는 3개셀의 직렬이므로 3S로 표기하기도 합니다. 병렬인 경우는, P라고 표시하는데 P는 Parallel의 약자입니다. 그래서 위와 같은 경우는 병렬이 한개 구조로 되어 있어서 1P라고 합니다. 직렬과 병렬구조를 같이 말하는데, 위의 구조는 3S1P구조가 됩니다. 셀 한개의 전압은 3.7V가 되고 위의 구조와 같이 3S1P라면, 3.7 x 3 = 11.1V가 됩니다.(물론 용량은 변하지 않습니다. 병렬로 연결해야 용량이 늘어납니다. 알고 계시는 사항이죠?) 오른쪽에 나와 있는 것이 충전용 콘넥터입니다. 충전용 콘넥터는 아직 세계 표준이 되어 있지 못하기 때문에 각 제조사 맘대로 제작됩니다만 우리나라에서 가장 보편화 되어 있는 콘넥터가 위의 그림과 같은 5pin 콘넥터(250-05 하우징) 입니다. 간혹 E-Sky를 사용하시는 분들은 5pin이 아닌 4pin(11.1V), 3pin(7.4V)을 보실 수 있습니다. 5pin이 아니라고 해서 E-Sky를 욕하시면 안됩니다. 이런 경우는, 콘넥터내부의 전선과 연결된 쇠붙이(터미널이라고 합니다.)를 빼서 5pin 하우징에 끼시면 됩니다. (아니면 변환케이블을 이용하셔도 되고요) 직렬로 이루어진 셀들은 같은 용량의 셀들을 연결하여 제작합니다. 만약 다른 용량의 셀들을 연결하는 경우에는 가장 작은 용량을 기준으로 배터리 팩이 사용됩니다. 음... 예를 들어 보지요. 3개의 셀 용량이 2000mAh, 2000mAh, 1500mAh라고 했을때, 이 셀들을 직렬연결하면 2000mAh의 용량이 나오지 않고 가장 작은 1500mAh의 용량이 나옵니다. 이것 역시 셀간의 밸런스 문제와 동일합니다. 여기서 한가지 알고 계셔야 하는 점은 2000mAh라도 정확히는 모두 똑같지는 않다는 겁니다. 내부저항값이 조금씩 상이한 것과 마찬가지로 2000mAh를 제작하였다 하더라도 어떤놈은 2010mAh, 어떤놈은 2020mAh 등 조금씩은 상이하게 됩니다.(배터리 용량은 뒤에 h을 표기하는 것은 알고 계시겠죠? mAh혹은 Ah로 표기합니다. 그냥 전류값은 h가 붙지 않습니다.) 다음은 병렬 구조에 대해서 알아보겠습니다. 병렬 구조는 P라고 표시하면 병렬 구조 역시 같은 용량의 배터리셀들을 연결하여야 합니다. 고객분들 중에 다른 용량을 연결하면 어떻게 되냐는 질문이 있었습니다. 예를 들어 2000mAh와 1500mAh를 병렬로 연결해도 되냐는 질문이지요. 답은 안됩니다. 직렬에서는 용량이 작은 놈으로 사용할 수가 있지만, 병렬에서는 서로 다른 용량의 배터리셀을 연결하여서는 안됩니다. 그 이유는 음... 자동차를 예로 들겠습니다. 우리가 자동차가 방전되면, 지나가는 택시를 잡아서(혹은 자가용을 잡아서) 점퍼를 합니다. 이때, 점퍼의 방법은 +는 +로, -는 -로 연결합니다. 이 방법이 병렬 구조입니다. 또 다른 예를 들어보지요... 배터리를 충전할때 어떻게 연결하시나요? 네 맞습니다. +는 +로, -는 -로 연결합니다. +와 +가 연결되고, -와 -가 연결되면 용량이 많은 셀에서 적은 셀로 전류가 흐르게 됩니다.(이래서 충전이 되지요...) 그럼 얼마나 충전이 될까요? 두개의 배터리를 병렬로 연결하면 서로 용량이 같아질때까지 전류가 흐르게 됩니다. 용량이 같게 되면 서로의 밸런스가 맞아서 더이상의 전류 흐름은 없게 되는 것이지요... 2000mAh와 1500mAh를 병렬로 연결하면, 2000mAh에서 1500mAh로 전류가 충전되어 1750mAh, 1750mAh로 되어 갑니다. (예를 들자면....^^) 그래서 문제가 됩니다. 1500mAh 셀이 과충전(1750mAh가 되기 위해서 더 충전이 되는 것이지요)되는 효과가 일어나게 되는 것이지요. 당연히 셀이 과충전되어 인생 종지부를 찍을 수 있습니다. 그럼 병렬 구조는 나쁜 것인가요? 아닙니다. 병렬구조는 전압(V)은 변동이 없지만, 용량이 두배로 늘어납니다. 또, 리튬폴리머 한셀의 내부를 살펴보면, 여러개의 판을 병렬구조로 만들어서 하나의 셀을 제작합니다. 다시 말해서, 리튬폴리머배터리 한 셀도 같은 용량으로 병렬 구조화 되어 있는 겁니다. 다만, 병렬구조에서는 같은 제조사, 같은 제품(용량), 같은 공정상에서 나온 셀들끼리 병렬 구조로 만들어야 합니다. 최소한 같은 제조사, 같은 제품(용량)이어야 하는 것이지요. 병렬 구조의 내부 배선도는 다음과 같습니다.(예;3.7V 2000mAh셀을 3S2P구조 11.1V 4000mAh배터리팩이 됩니다.) 배터리셀이 모두 6개가 소요되고, 3개셀씩 직렬연결되고 2개셀씩 병렬로 연결되어 있습니다. 매트릭스 구조로 설명하면 3 x 2구조가 되지요...(영화 매트릭스 생각하시는 분은 없겠지요?...^^) 여기서 1cell 과 1'cell의 용량은 같은 2000mAh로 사용하여 모두 4000mAh가 됩니다. 충전용 콘넥터는 직렬 설명과 마찬가지로 연결이 되는데, 주의해서 보실 사항은 병렬구조의 사이사이가 다 연결되어 있다는 점입니다. 충전콘넥터에서 볼때는 배터리가 2000mAh 2개가 아닌 4000mAh 1개로 인식하게 됩니다. 그래서 충전할 경우 4000mA까지 충전전류값을 올릴 수가 있습니다.(4000mAh가 1C가 됩니다.) 그러나 여기서 주의하여야 할 사항이 있습니다. 병렬구조의 단점이 됩니다만, 충전을 1C로 하면 안된다는 겁니다. 0.9C정도가 Max 충전전류값입니다. (여기서는 4000mA x 0.9C = 3600mA가 됩니다.) 왜냐하면, 병렬 구조이기 때문입니다. 전에도 설명하였듯이 리튬폴리머는 4.2V이상 충전하시면 안된다고 설명하였습니다. 만약 4000mA로 충전하는 경우 2개의 셀이 똑같이 2000mAh, 2000mAh로 충전되면 좋으나, 그렇게 되지 못하고 한쪽이 더 충전이 되어서 2100mA, 1900mA로 될 수도 있기 때문입니다.(2100mAh면 4.2V가 넘게 됩니다.) 그렇기 때문에 안전하게 0.9C정도로 충전하는 것이 배터리 건강상 좋습니다. 0.5C로 충전하시면 더욱 좋고요...^^ 직렬과 병렬 구조의 특성 및 주의 사항은 모든 배터리 종류에 같이 해당됩니다. 여기서 한가지 더 알려드리면, 니카드, 니켈수소, 리튬이온은 정형화된 사이즈로 제작되지만, 리튬폴리머는 정형화된 사이즈가 없다는 점입니다. 위에도 잠시 설명하였지만, 리튬폴리머는 여러개의 판들을 겹쳐서 만들기 때문에 정형화가 되지 못합니다. 여러개의 판을 겹쳐놓고, 옆면을 짤라서 만드는 구조입니다. 이때 짜르는 크기에 의해서 리튬폴리머 셀의 크기가 되는 셈이지요. (물론 그렇다고 해서 엄청 크게 짜르지도 못합니다. 내부 화학적 반응에 의해서 전류가 발생되므로, 너무 크면 효율이 떨어지기 때문입니다.) 또 한가지 알려드리는 사항은 리튬폴리머의 두께에 대한 제약입니다. 여러분들이 알고 계신 리튬폴리머 한개의 셀 중에서 두께가 두꺼운 셀이 있었는지요? 없습니다. 그것은 3.7V의 리튬폴리머 셀을 제작하는데 한계가 있기 때문입니다. 현재 기술로는 평균 6 ~ 7mm정도이고, Max 8mm정도가 한계입니다. 만약 8mm이상의 리튬폴리머 한셀이 있다면 그것은 두개의 셀을 병렬로 만든 겁니다. 그리고, 병렬로 된 구조에서는 방전율이 직렬보다 더 나오게 되어 있습니다. 그 이유는 한개의 +와 -단자를 통하여 전류가 흐르는 것 보다 두개의 +와 -단자로 흐르는 것이 더 원할하기 때문입니다. (그렇다고 직렬일때 보다 두배나 방전율이 좋다는 말은 아닙니다. 오해 없으시길... ) 예를 들어 15C의 방전율을 가진 셀을 직렬연결하면 13~14C가 나온다고 했을때, 병렬연결하면 15C에 가깝게 나온다는 뜻입니다. |
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