스크랩 "배터리-변속기-모터" 관계 설정하기? (퍼옴)

[조영환(서울왕십리)]

아래 글은 전동알씨 사이트의 기술자료실에서 퍼온 자료임을 밝힘니다.

보통 물건 구경하러 들락거렸지 이런 자료가 있는건 몰랐었는데

많은 궁금증을 해결 할 수 있는 자료라 여겨 퍼왔습니다.

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최근 헬기용 배터리의 수명에 관한 글이 심심찮게 올라와서 이와 관련한 정보를 올려드릴까 합니다. 

일반적으로 동일한 배터리라도 헬기용으로 사용되는 배터리들은 전동비행기에 사용할 경우 비해 수명이 상대적으로 짧습니다. 

저도 이 문제와 관련해서 배터리의 원천 제조사에 관련 질의를 한 결과 다음과 같은 회신이 왔습니다.

"브러시리스 변속기에 사용하는 리튬 폴리머 전지는 해당 변속기와 모터를 조합하여 부하를 걸었을 때 발생하는 최대 전류치 보다 높은 방전특성을 가진 용량을 가진 전지를 사용해야 수명이 보장된다."

언뜻 읽어보면 도대체 무슨소린지 이해가 않갑니다.-.-a

쉽게 말해 최대 15C 방전을 하는 2,000mAh 용량의 리튬 폴리머 전지가 있다고 합시다.

배터리의 최대 허용 전류는 30A/h가 됩니다.

그렇다면 변속기와 모터, 그리고 프롭(또는 메인로터)를 조합시 최대 쓰로틀에서의 허용 전류가 30A/h 미만에서 사용해야 안전하게 사용할 수 있다는 이야기가 됩니다.

전동비행기의 경우, 구동계가 비교적 간단하고 구름저항이 적어 동일한 사양의 파워트레인이라면 거의 편차가 없습니다.

따라서 표준 Reference Table이라는 것이 만들어 질 수 있으며 다른사람이 만들어 놓은 Power Source의 Matching Table을 통해 손쉽게 안정적인 파워 트레인을 구축할 수가 있습니다.

하지만 전동헬기의 경우 이야기가 달라집니다.

여러가지 복잡한 상황에 따라 완전히 동일한 사양의 헬기라도 성능면에서는 하늘과 땅차이가 날 수 있습니다. 요즘에는 메일로터의 종류도 기하 급수적으로 늘어나고 비중도 가지가지 입니다.(거기에다 온갖 메탈 옵션까지...T_T)

당연한 이야기 이지만, 로터길이가 짧을 수록, 그리고 로터의 중량이 가벼울 수록 소모전류가 줄어드는 건 당연한 하겠죠.

거기에 많은 분들이 간과하는 문제점 중에 하나가 구동계의 구름 저항입니다.

엔진 해 본신 분은 잘 아시겠지만, 커다란 감속계를 사용 하는 헬기에는 "백 러쉬"라는 개념이 있습니다.

쉽게 말해 메인기어와 피니언 기어 사이에 약간의 "공차"를 주어 구름저항을 줄이는 기법이 사용됩니다.

메인기어와 피니언 기어가 빡빡하게 물리면 구름 저항으로 인해 소모 전류가 약 15~30% 가량 증가하게 됩니다.

아울러 제가 많은 분들께 알려드렸던 메인로터의 회전수와 피치와의 역학 관계도 배터리의 수명에 상당히 중요한 영향을 미칩니다.

아래 Gree666님이 올려주신 내용에도 언급되어 있지만, 최근의 전동헬기는 모두 브러시리스 시스템으로 사용 되는 것이 주류이며 현재 브러시리스 변속기들은 PWM 제어방식을 사용하기 때문에 전동헬기처럼 50~60% 쓰로틀을 사용하는 환경에서는 상당히 비 효율 적입니다.(거버너 모드 제외)

이상한 이야기 일지는 모르겠지만, 최근 모터, 배터리의 급격한 성능 향상도 배터리의 수명 단축에 일조를 합니다.

이유는 다음과 같습니다.(아래는 예제입니다.)

예를 들어 10C 방전Cell로 최대 피치에서 18A가 나온다고 가정하고, 15~20C 배터리로 변경하면 동일한 사양의 기체에서 22A~24A 정도가 나옵니다.

이는 저방전 Cell의 경우 배터리에 부하가 가해지면 전압이 떨어지기 때문에 상대적으로 밀어내는 파워 - 출력(Watt = V(Volt) x A(Amp))도 마찬가지로 떨어지게 됩니다.

...해서 부하가 걸리더라도 최대 소모전류는 많지 않습니다.

하지만 고출력 Cell의 경우, 전압을 떨어트리지 않고 오히려 소모전류를 더 밀어 냅니다. 따라서 RPM이 더 나오게 되고 최대 쓰로틀에서의 소모 전류도 높아지게 됩니다.

모터의 경우도 마찬가지입니다.

모터의 효율은 일반적으로 다음과 같습니다.

12Pole < 6~8 Pole < 2~3Pole

쉽게 말해 Pole수가 적을 수록 고회전 모터이며 효율은 좋은 반면 부하를 많이 주면 많이 주는 만큼 전류를 더 먹고 더 많은 회전수를 냅니다.

폴수가 높아질 수록 소모전류는 적지만 부하가 걸리면 소모전류는 상대적으로 덜 증가하는 대신 회전수를 떨어트립니다.

따라서 최근에 나오는 2Pole 모터 와 고출력 배터리를 조합할 경우에는 피니언 기어의 세팅과 메인 로터의 회전수, 그리고 피치 값에 특히 신경을 써야합니다.

예전에 어떤 분의 헬기를 세팅해 드린 적이 있는데, 여러가지 문제점으로 인해 풀 피치에서 소모전류가 무려 32A가 나오는 분이 있더군요.

정말 놀랬습니다. 왜냐하면 RPM이 타코로 측정해 보니 1800RPM이 채 않나왔기 때문입니다.

그분은 호버링 하면서 힘이 없다고만 느끼지 구름저항이나 기타 여러가지 원인(에를 들어 지나치게 높은 피치에 너무 낮은 RPM)으로 인해 배터리가 맛이 갈거라고는 상상도 하지 못했을 겁니다.

과방전으로 인해 배터리가 맛이가는 것은 두가지 원인이 있습니다.(제조사에서 보내준 것입니다.)

지속적인 과방전(일명 오버디스챠지)의 경우 지나치게 높은 배터리의 온도로 인해 내부 전해질(에탄올)이 비등점을 넘어 끓어 오르면서 극판과 극판 사이가 "떠버리는" 경우와 ...(일명 붕어빵 상태) - 이 경우에는 배터리의 온도가 떨어지면 개스가 다시 액화되어 배터리는 정상적인 형태를 유지합니다만, 이미 Cell은 손상이 간 상태입니다.

PWM 제어방식과 같이 입력 전류는 최대 허용치를 넘어서더라도 시간에 대한 %로 나누어 사용해서 맛이 가는 경우가 있습니다.

후자의 경우가 문제인데, 분명히 과방전이지만 표면적으로는 아무전 문제가 없고 단지 나타나는 증상으로는 충전을 하더라도 제 용량이 나오지 않는 경우입니다... 쉽게 말해 Cell이 죽은 경우 입니다.

클램프로 측정을 해 보면 호버링에서 10~11A/h 정도 잡아 먹는데... 1500mAh 기준이면 대략 7C 방전 밖에 하지 않은 것이 되니까요.

유저의 입장에서는 환장할 노릇이지요.

이러면 일단 배터리를 의심하게됩니다. 불량이 아닌가 하고.

게다가 동일한 배터리라도 어떤 건 맛이 가고 어떤 건 아직 사용이 가능하니까요.

결론적으로 말씀드리면 이는 배터리의 내부저항에 따른 차이입니다.

보통 Li-Poly 배터리의 내부저항 (Internal Impedence)는 0.0000XX mΩ정도의 편차가 있게 되고 이에 따라 배터리의 성능도 달라지게 됩니다.

물론 정상적인 한계 상황에선 별 문제가 않되지만 임계 상황에서는 내부저항이 낮은 놈은 좀더 버티고, 높은 놈은 상대적으로 빨리 죽어버립니다.

거기에다 사용환경도 고려해야 하구요. 모든 배터리들을 동일한 환경에서 사용하는것이 아니니까...

물론 NiCD 계열 과 같은 Matched Cell을 만들 수도 있습니다만, Cell을 제조하는 비용보다 개별Cell의 내부저항을 측정, Cell을 조합하는 비용이 더 들어갑니다.--;;;

따라서 Matched Cell을 사용하면 출력도 균일해지고 안정성도 더 좋아지겠지만, 대신 가격은 따블로 뛰게 되겠지요. 저가형 리튬 폴리머 전지가 주류인 시장에서는 비효율 적인 제조방식입니다.

...해서 현재로서는 전세계를 통틀어서 리폴리를 매치드 Cell로 만드는 회사는 단 한군데도 없습니다. 적어도 RC용으로 사용하는 배터리는.

그러면... 배터리를 비교적 오랫동안 장수 할 수 있는 방법을 다음과 같이 제시하고자 합니다.

1  조립 후 최대 풀 피치에서 소모전류가 어느정도 되는지 체크 한다.

     이 때 최대 소모 전류가 배터리의 최대 안전 허용 전류 보다 약 20~30% 아래에 있어야 합니다.

     이유는 상공에서 급격하게 피치의 변화를 줬을 때에는 정지상태에서의 최대 소모전류보다 약 20%

     이상 더 나오는 경우가 있습니다.

2. 최대 풀 피치에서 소모전류가 배터리의 최대 안전 방전율을 오버할 경우에는 메인로터의 피치를 줄이거냐 직경이 좀더 작은 로터를 사용하거나, 또는 피니언 기어를 한 치수 낮은 걸 사용해서 부하를 줄입니다.

3. 아래 원문에 나오는 것처럼 PWM 제어방식의 변속기들은 가급적 높은 쓰로틀 포지션(최대 쓰로틀의 70~80%)에서 사용하는 것이 좋습니다. 

쉽게 말해 메인로터의 RPM을 올리고 피치를 줄이는 것이 모터의 효율 및 배터리의 내구성에는 좀 더 유리하다는 뜻입니다.

4, 거버너 모드를 사용하시느 분들은 쓰로틀의 트리거 포인트를 최대 쓰로틀의 80% 정도에서 설정해 주시는 것이 좋습니다. 피치가 급격하게 변하거나 또는 배터리가 소모가 다 되었을 경우 등에도 어느정도의 버퍼가 필요하기 때문입니다.

거버너 설정시 100% 부하가 걸린 상태의 최대 RPM 의 80% 이내로 거버너 RPM 을 설정하라는 이유는 다음과 같습니다
만일 100% 로 거버너 RPM 을 설정한다면 부하변동시 아무리 거버너가 좀더 출력을 내도록 모터를 제어해봐야 이미 모터는 100% 를 내고있는 상태이므로 자기 출력의 100% 를 내고있는 모터에서 그 이상의 출력이 나올 수 있을리 만무하기 때문입니다,, 즉, 만약 그이상의 출력이 나온다면 그모터는 이미 그 이상급의 모터인 것일 겁니다.(물론 그 결과는 배터리...망가지는 결과가 나오겠지요)

5. 최대 런타임이 약 10분 정도라면 8분정도에서 비행을 종료합니다.

배터리는 특성상 부하가 걸리면 유지전압(Sustained Voltage)이 현재 잔류 용량대비 전압에 비해 약 10~25% 이하로 떨어집니다.

쉽게 말해 배터리를 다 쓴 후에 10분 뒤에 전압을 채크했더니 Cell당 3.0V가 나왔다면 이 배터리는 비행중에 종지 전압이 2.25V~2.7Vt사이 까지 떨어졌다는 뜻입니다.(물론 걸리는 부하에 따라 다르겠지만)

리튬 폴리머 전지는 Cell당 2.8V이하로 떨어지면 부화물이 극판에 생기기 시작해서 전자의 이동을 방해합니다.

물론 한번만에 그런건 아니고, 여러 번 한계전압을 들락날락(?) 거리면 수명이 급격히 짧아지게 됩니다.

이건 여담인데, 해외에서 전동헬기로 3D를 많이 하는 선수들은 비행 직후 반드시 적외선 온도계로 배터리의 온도를 측정합니다.

일반적으로 배터리는 수명이 끝나갈 때쯤 되면 동일한 조건에서 비행을 했을 때  배터리의 온도가 좀 더 올라가는 경향이 있습니다.

3D를 하는 선수들은 연기를 하는 도중에 배터리가 컷 오프되면 큰일 나지요....바로 추락을 할 테니.

따라서 배터리의 온도를 측 정 후 대략적인 수명을 가늠하고 일정 수준이상으로 온도가 올라가면 이 배터리는 사용하지 않고 바로 폐기합니다.

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그러면 아래에 gree666님이 올려주신 내용을 인용하오니 한번씩 읽어보시길...

이 내용은 외국 RC Group 포럼에퍼 퍼온글입니다. 대강알고 있었던내용인데 ,잘 설명되어있는것 같습니다. 잘 어 보시면 분명 도움이 되실것입니다.
전동헬기 초보자를위한 가이드(EHBG,Electric Helicopter Beginners Guide에 있는 글이라고 합니다.

결론은 모터 속도(Kv)가 너무 높다고 낮은 스로틀을 사용하는것은 좋지 않다는 것입니다. 피니언 티수를 줄이거나 또는 낮은 Kv의 모터를 사용하여 되도록 높은 스로틀을 사용하여야 한다는 것입니다. (맞나?)

원문은 아래에 있고 영어공부도할겸 나름대로 번역해 봤는데 --;; 좀 틀려도 너그럽게 봐주시길~~

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<ESC 동작방법>
 일반 브러시드 모터용 ESC와 브러시리스 모터용 ESC를 정확하게 이해하기 위해서는 '펄스폭조절' 컨셉을 이해하여야 합니다.

우선,  열고 닫을 수 있는 물이 나오는 파이프가 하나 있다고 가정합시다. 이파이프의 벨브를 완전히 열면 1분당 10갤런의 물이 나올수 있다고 합니다. 그리고 이벨브를 닫는순간 벨브는 닫힙니다.

자, 그럼 1분당 5갤런의 물이  나오게하려면 어떻게 하면될까요?  5초간 열었다가 5초간 닫았다가 하는식으로 1분동안 계속한다면 결국 1분당 5갤런의 물이 나오게 됩니다. 즉, 전체적으로 봤을때 1분의 시간중 30초간은  닫혀져 있었으므로 결국 1분동안에 나온물의량은 5갤런이 되는것입니다.

만약 1분당 2갤런의 물이나오게 하려면 2초간은 열어놓고, 8초간은 닫아놓고 .. 반복하면 됩니다. 즉 1분이라는 시간중 1/5 의 시간동안만 물이 나오므로, 1분당 2갤런이 나온셈이 됩니다.

ESC의 동작원리도 위와 완전히 동일합니다.

즉, 스로틀스틱을 50%정도 올리면 ESC는 풀파워를 50%의 시간동안만 모터에 공급하게 됩니다. 20%일경우도 마찬가지로 풀파워를  20%의 시간동안만 공급하게 됩니다.

이러한 '펄스폭조절'  ESC를 사용할때는  몇가지 제약조건이 있습니다.

만일 이 제약조건을 지키지않으면, 파워시스템에 큰 부담을 주게됩니다.

<고정피치 헬기의경우>

ESC 선택시 풀스로틀로 날리지 않는다고 하여도, 스로틀시의 전류를 감당할 수 있는 ESC를 선택하여야합니다.

예를들어, 코로나(Corona)헬기를 호보링 한다고할때  50%의 스로틀에서 14A 의 전류가 소모되고 있다고할때 실제 밧데리나 ESC에 가해지는 전류는 절대 14A가 아니라는 점이 중요합니다. 실제로는 ESC에 28A의 전류가 흐르고 있으며 모터에는 50%의 시간동안에만 전류가 흐르고 있는것입니다.(50% * 28A=14A)

그러므로, 코로나 헬기에 Phoenix 25A 짜리를 선택하면, ESC엄청난 부담이 되어 엄청뜨거워지거나 셧다운 될수도 있습니다.

모터 및 피니언의 선택시에도 50%이하의 스로틀에서 호보링되는것을 선택하면 안될것입니다.

<가변피치 헬기의경우>

1. Kv의 모터를 선택하여 90%의 스로틀에서 1600rpm의 헤드스피드를 얻었을때, 18A의 전류가 흐르고 있었다고 가정하면, 실제로 ESC와 밧데리에서는 20A의 전류를 90%의 시간동안 공급해주고 있는것입니다.

2. 만일 매우 높은 Kv의 모터를 선택하여 마찬가지로 25%의 스로틀에서 1600rpm의 헤드스피드를 얻었을때, 18A의 전류가 흐르고 있었다면 이때 ESC와 밧데리에 흐른전류는 대략 75A의 전류가 흐르게되고 이전류가 25%의 시간동안만 공급되는것입니다.

결국, 너무 높은 Kv의 모터를 사용하고 있어서, 이를 보상하기위해 낮은 스로틀을 사용한다면, 결국 ESC와 밧데리에는 높은전류가 흘러 부담을 주게 되는것입니다. 극단적인경우는 ESC나 밧데리의 수명이 짧아지거나 고장의 원인이됩니다.

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New EHBG section preview - How ESCs work

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Here's a preview of the new EHBG section. Please let me know if this explains everything clearly.

Toshi

How ESCs work

In order to fully understand how brushed and brushless ESCs work,
it is necessary to understand the concept of pulse-width modulation.

First, imagine that you have a water pipe with a valve which can
only be fully opened or fully closed. If you open this valve, the water
flows through the pipe at 10 gallons per minute. If you close this valve,
it stops the water flow.

Now, if you want a water flow of 5 gallons per minute, you can open the
valve for 5 seconds, then close it for 5 seconds, and repeat.
Since the valve is open for 50% of the time, the average water flow will
be half of the max flow rate, or 5 gallons per minute.

If you want a water flow of 2 gallons per minute, you can open the valve
for 2 seconds, then close the valve for 8 seconds. This will give you an
average water flow of 2 gallons per minute.

An ESC works in the exactly the same way.

If the throttle signal is 50%, then the ESC will apply full power to the
motor for 50% of the time. If the throttle input is 20%, then the ESC
will apply full power to the motor for 20% of the time.

This pulse-width modulation technique has several important limitation.
If you ignore these limitations, you will overload your power systems,
and your heli will likely crash and/or the motor or ESC may be damaged.

For fixed pitch helicopters:

You must select an ESC that can handle the current draw at full throttle,
even if you do not plan to fly the helicopter at full throttle.

For example, if a Corona hovers at half throttle and draws 14 amps, then
the current draw from the battery and ESC is NOT 14 amps. What actually
happens is the battery and ESC are delivering 28 amps to the motor
only 50% of the time.

Therefore, if you use a Phoenix 25 for the Corona, it will be overloaded
even when hovering, and will probably overheat and shut down when you
apply more throttle.

Also, you want to select a motor that will hover your helicopter at no lower
than 50% throttle for this reason.

For collective pitch helicopters:

If you select a motor with the proper Kv and the CP helicopter reaches
1600 rpm of headspeed at 90% throttle and draws an average of 18 amps
of current, then the ESC and battery are actually supplying 20 amps of current
for 90% of the time.

If you select a motor with an excessively high Kv rating and the CP helicopter
reaches 1600 rpm of headspeed at 25% throttle and draws an average of 18 amps
of current, then the ESC and battery are actually supplying 72 amps of current
for 25% of the time!

Therefore, if you use a motor with a very high Kv rating and you are
forced to use a low throttle setting to compensate for the high Kv, this will
increase the load on the ESC and battery. In extreme cases, this will
shorten the life or destroy the ESC and/or battery.