스크랩 [정보] RC 배터리 이론3(리튬폴리머)

[GSB(류형태,38)]

안녕하십니까? 지에스비입니다.

앞에서 RC에서 사용되는 니카드와 니켈수소에 대해서 설명하였습니다.

여기서는 리튬폴리머 배터리에 대해서 설명하겠습니다.

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[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.)

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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.

과충전은 셀밸런스나 셀가이드로 해보지만, 과방전은 어떻게 해야 하나요?

여기서 광고해도 되나요?..... 사실 저희가 셀매니저라는 제품을 개발한 원인이 과방전에 대한 위험을 어느정도는 막아보자는 취지였습니다.

그러나 셀매니저만 믿고 비행하시면 더더욱 안됩니다. 셀매니저는 단순 위험요소를 줄여주는 역할만 하는 것이지 셀매니저가 과방전을 막을 수는 없는 것이니깐요....(음... 좀 부정적으로 썼군요...할수없지요... 사실인데...^^)

잠시 셀매니저의 작동 원리를 설명하겠습니다.(요청사항에 따라 글을 추가합니다.)

셀매니저는 충전할 때 사용하는 셀밸런스(혹은 셀가이드)와는 달리 방전할 때 각 셀의 전압을 확인하여 저전압이 되면 사용자에게 알려주는 방전 관리 보조장치입니다.

주행용 전선에 연결하는 것이 아닌 충전용 콘넥터에 연결하여 주행 도중에 저전압이 되는 상황을 항시 모니터링 합니다.

처음 충전용 콘넥터에 연결하면 셀매니저의 연결상태 확인 겸, 셀 수를 check 하여 셀 수만큼 부저와  LED가 울리고 깜박입니다. 그 후 어느 한셀이라도 3.2V이하가 되면 부저와 LED가 작동하는 원리입니다.(3단계를 걸쳐서 3.2V이하, 3.1V이하, 3.0V이하로 구분되어 알려줍니다.)

셀매니저를 부착시키고 전동헬기를 비행하면 배터리의 저전압상태를 다음과 같이 알수 있습니다.

첫째, 셀수를 자동으로 check하여 배선의 문제가 없음을 알려줍니다.

둘째, 비행 중간에 소모전력이 많은 경우(피치 스틱등을 올리는 경우) 배터리가 순간 전압강하 상태임을 알려 줍니다. 다시 소모전력이 작아지면 전압은 다시 올라가는 것을 알수 있습니다.

세째, 불규칙적인 용량의 변화와는 관계없이 항상 각 셀의 저전압을 확인함으로써, 적절한 비행종료를 알려 줍니다. 비행 종료 후 당연히 셀매니저는 부저와 LED 작동이 멈춥니다.(이는 소모전력이 없으면 전압이 다시 올라가기 때문입니다.)

리튬폴리머에 대한 겨울철 사용방법은 전에 제가 써놓은 글을 참조해 주시기 바랍니다.

(음... 슬슬... 손가락 마비가....)

이정도로 리튬폴리머에 대한 설명을 마치겠습니다.

물론 더 깊숙히 들어가면 설명할 글이 많지만...... 처음 사용하시는 분들은 위에 설명한 글도 이해하고 받아들이시기 힘드실 거니깐.....

배터리의 이해와 관련하여 더 필요한 것이 생각나면 계속 연재하겠습니다.(음...완전 신문 연재같은 느낌이 드는 군요....ㅎㅎ)

감사합니다.

지에스비 올림

www.gsbattery.co.kr

[반호상(`78)]

좋은 정보 감사합니다.. ^^

[정종인83]

이제까진 배터리를 우습게 생각했는데 그렇지 않군요... 쉬운게 하나도 없네요 ^^

[이상훈[73]]

베일에 쌓였던 배터리의 세게에 대한 깊은 이해를 바탕으로 작성이 되어서 그런지 배터리 이해에 도움이 많이 되네요, 감사합니다~