[전장 팀] 1. 배터리박스

[22 김병규]

배터리 박스 개념 및 작업 관련 내용들 주욱 써보려고 합니다.

쓰다보니 양이 많아져서 몇 편으로 나눌까하는데 목차 참고해서 보시기 바랍니다.

1. 재정 문제
2. 배터리 
3. BMS
4. HV Cable
5. 3D 프린팅
6. IMD
7. 배터리박스 외벽/내벽
8. AIR
9. Nomex
10. 각종 커넥터
11. Duct
12. 배선
13. 뚜껑
14. 내부 기판
15. 배터리박스 힌지
16. 터미널 단자

1. 재정문제

값비싼 녀석들이 많다보니 재정적인 고려를 안 할 수가 없더라구요. 작업했던 시기에는 무.작.정. 돈을 아껴야겠다는 강박에 나중에 와서는 생각지도 못한 문제들이 생긴거 같아요. 팀들 간에 이 부분에 대해 소통 좀 더 자주하면서 이런 문제들을 현명하게 해결하면 좋지 않을까 싶습니다.

2.1 배터리 셀

-삼성 SDI INR 18650+a(+a인 이유는 나중에..)

저희가 사용한 배터리는 삼성SDI INR 18650-25R입니다. 아래는 데이터 시트

데이터 시트를 보며 18650-25R에서의 각 숫자가 의미하는게 뭘지 생각해봅시다.

배터리 관련 기태형이 쓴 글도 참고하면서 데이터시트 읽는 법에 대해 익숙해집시다.

https://cafe.daum.net/eoulsure/9rm8/16

-세미나 복습

배터리 관련 가장 직관적인 그림입니다.

첫 세미나 때 배웠던 단위들이 눈에 잘 들어오나 확인해보세용!

-방전률(C-rate): 높은 출력을 내야하는 차량용 배터리인만큼 중요하게 봐야할 특징입니다.

Max continuous current가 20A이고 용량이 2500mah이기에 ‘이론’적인 방전률은 8C가 됩니다.

일반적으로 자작차의 경우는 6-10C 정도 되고 드론의 경우 그림처럼 높은 방전률이 나옵니다.

-보호회로

배터리 재구매 시 고려하도록 하세요. 일반적으로 보호회로가 붙은 상태로 배송이 오는데 뜯는데 시간을 쓸 바에는 처음부터 없는 걸 사는게 좋겠죠? 구매가는 셀 당 5000원 내외였던 것 같습니다.

반대로 LV 배터리는 보호회로가 안에 있습니다. 참고!

-전압 강하 그래프(참고)

배터리가 방전되면서 항상 어떤 양상으로 배터리가 방전되는가에 대해 궁금했는데 그림과 같이 방전이 이루어집니다. BMS 유틸리티에서 확인할 수 있습니다. (얘는 우리가 사용하던 녀석은 아닙니다.)

2.2 배터리팩

-섞어 쓴 것

여름 작업하면서 알았겠지만 팀 사정상 이번에는 두 가지 배터리를 혼용해서 쓰게 되었습니다. 구매 시기에는 괜찮을 줄 알았으나.. 사전검차 때 받은 지적으로는 셀 건강에 좋지 않다는 내용입니다. 결국 하나의 셀이 주변 다수의 셀에 영향을 미치는 상황이 오기 때문에 오피셜들도 강하게 반대하던 어투가 기억나네요..

영훈이의 사전검차 글 내용 참고

https://cafe.daum.net/eoulsure/9ry0/44

-모듈이 7*3 구성

모듈의 경우 용량이 큰 하나의 셀이라고 보면 됩니다. 이번 모듈의 경우 7*3 구성을 띱니다. 다른 카페에서 봤던 것 기억 상으로는 세로로 3줄인 경우 팩을 충전할 때 내부와 경계 사이에서 충전이 불균일하게 이루어진다고 봤었던 것 같아요. 셀이 다른 시기에 제조된 경우 내부 저항 값이 다른 것도 충전에 영향을 줄 수 있습니다.

-스팟용접

하나의 모듈은 같은 셀로 두는게 그.나.마. 좋은데 무작위로 배열한게 좀 후회가 됩니다. 규석이가 인간 스팟용접기가 되어 수고해줬는데 외주 맡기는 것 또한 가능합니다. 70만원 내외라고 하니 참고하길 바랍니다.

2.3 세그먼트

-세그먼트 구성

세그먼트 구성할 때는 정격 전압, 용량, 세그먼트 개수, 다른 부품과의 호환 여부를 위주로 생각했던거 같아요. 셀 홀더도 3D 프린팅하고 굳이 사각형 배열도 아니고 퓨즈 처리까지 한 다른 팀들을 보면 틀에 갇혀서 생각했던게 좀 아쉽다는 생각입니다.

처음할 때는 ‘뭐이리 생각할게 많아’ 싶겠지만 못하고 나중에 고치지 못할 것에 미련 갖는거보단 할 때 제대로 하는게 좋을거 같아요.

-부스바 가공(1)

부스바는 이번에 가공이 많이 되어서 새로 구하는게 필요해보입니다. 계산식 이용해서 필요한 스펙 미리 계산해놓는거 추천합니다. (부스바도 단국대 통해서 받은걸로 압니다.)

구리 부스바는 기존의 것을 90도 휘어서 ㄱ자 모양으로 배터리 팩에 넣었어요. 너트가 풀리지 않는다거나 커넥터 방향을 고려했을 때 장점이 많은 것 같습니다. AARK톡방에서는 토치로 가열하라는 말이 있었는데,, 동재형이 그냥 오함마로 뚜들겼더니 휘어진 기억이ㅋㅋ 은근 잘 휘어집니다.

-부스바 가공(2)

Melson&Both 식이라고 허용 전류량을 구하는 식이 있습니다. 유너트가 두꺼워서 피치가 안 남는다는 문제가 있었는데 두께가 얇은 유너트와 위 식에 허용 전류량 계산해서 기작실에서 밀링 진행했습니다.

-에너지 타워

고전류가 흐르는 부분에 납땜해서는 안되는 규정 때문에 고정을 할 용도로 에너지 타워가 사용됩니다. 설계 시 셀 홀더에 글루건으로 고정했는데 작업하기 편하게 동재형이 옆에 구멍도 뚫고 했는데 항상 캐드할 때는 이런 창의적인 생각 대환영입니다.

-레이저 용접

에너지 타워에 들어간 구리 부스바를 일반적으로는 레이저 용접해서 붙입니다. 용접 1점에 만원이라는 말도 안되는 값 때문에 풀방너트로 고정하기로 했습니다.(7점*8부스바하면 60만원 금방이에요ㅋㅋ) 21-22 대회 준비 때에는 단국대로부터 도움 받았다고 하니 돈을 아낄 수 있는 부분은 최대한 아낍시다!

-강철볼트

강철볼트에 대해 질문이 있었던 거 같은데 강철볼트는 전기전도성이 높지 않아서 고전류 흐름에 있으면 안된다고 규정에 나와있습니다. 황동볼트 같이 전기전도성이 좀 더 좋은 걸로 사용하면 됩니다!

-절연

특히 세그먼트 보관시에는 절연에 주의하도록 합시다. 세그먼트 당 25V라고는 하지만 캡톤으로 잘 감싸두는게.. 다음날 불타는 창의관을 보고 싶지 않다면 말이에요..

세그먼트에 캡톤 한겹만으로는 Nomex처리 안된 배터리 박스에서 스파크 튑니다.

3.1 BMS

BMS의 경우 셀 당 전압, 팩 전체의 전류량, 온도 등을 감시해주는 역할을 합니다. 다양한 종류의 매뉴얼이 있으니 ‘목적에 맞게’ 사용 잘하길 바랍니다(wiring, operational, exapansion, utility 등등). 매뉴얼도 처음 읽다보면 모르는 단어 많고 어려워서 매뉴얼 읽기에만 매몰될 수 있는데 이 점 항상 유의하면서 읽기 바랍니다.

-Main 선

Main선, 전압 센서 선은 미리 harness되어 온 선이라 이 점 잘 활용하면 되지 않을까 싶습니다. 다만 매뉴얼에도 다른 종류의 선을 연장해서 이용하는 것은 추천하지 않기에 재사용이 어렵다면 악세서리들은 배대지 이용해서 새로 사는게 낫다는 의견입니다.

wiring 공부할 때 분해하며 무작정 불편했던 선은 잘랐던거 같은데 하나하나 공부하고 분해할걸 하는 생각도 종종했었습니다.

-전압 센서

BMS를 자체적으로 보호하기 위해 전압 센서 내부에는 퓨즈가 제너다이오드와 함께 존재합니다. 셀 간 연결이 잘못 되었을 시에 퓨즈가 용단될 수 있기 때문에 납땜은 제대로 되었는지, 전압이 제대로 찍히는지 확인하길 바랍니다.

퓨즈 용단되면 구매처로 보내서 A/S 받는데 한 달 걸리기에 막판에 이런 실수하지 않도록 주의합시다. 이 때문에 퓨징 작업을 하는 것이 일반적입니다.(영남대는 이 이유로 BMS 2번 날려먹었다고 합니다.)

과거 한양대 RACE 팀이 36cell 사용했을 때 다음과 같이 PCB 기판에 퓨징했었습니다. 117.6V 사용한거 같은데 지금 배터리 구성과는 조금 다른거 같네요.

Fuse 기판

퓨징 했어도 퓨즈 날아갈까봐 무서워서 연결할때’마다’ 직접 멀티미터로 하나하나 찍었는데 여유가 된다면 Orion 홈페이지에서 Validator 구매해서 편하게 확인하는 것도 좋아보입니다. 가격은 50만원 정도 했던 것 같습니다.

Orion Validator

-CAN 선

CAN 통신 관련해서는 다른 글에서 자세하게 다루도록 하겠습니다.

-매뉴얼 읽을 때 유의 사항

모든 부품에는 매뉴얼이 존재합니다. 매뉴얼 읽을 때 주의사항은 다른 글에서 자세하게 다루도록 하겠습니다.

3.2 Thermistor Module

-온도 센서 부착(Beads)

온도 센서는 올챙이 머리처럼 생긴 부분에 저항이 달려 있어서 이 전류 차를 계산해 온도를 측정하는 방식입니다. 5개씩 4set가 확장모듈의 한 포트로 들어가는 구조입니다. 세그먼트 당 20개씩 온도센서 붙여서 규정 만족했습니다.

전압센서는 퓨징 겸 커넥터 처리를 했는데 온도 센서는 직접 Molex 커넥터 이용해서 분리했습니다. 크림핑 작업이 시간이 정말 많이 걸렸는데 충격에 되게 약하다 보니 만지기만 해도 연결 불량으로 온도가 인식 안되는 등 작업 일정에 차질이 많이 생겼습니다. 남아있는 센서들로 이 커넥터 저 커넥터 단선 안 나는지 확인해보고 좀 더 내구성 강한 커넥터 찾으면 좋을 것 같습니다. (아주대 사진 보니깐 같은 커넥터 쓴거 같은데 물어봐도 좋을거 같습니다.)

4. HV CABLE

-찾아본 내용

그림은 일반적인 모터 출력에 따른 케이블 두께를 나타내는 표입니다.

이와 관련해서 한양대와 연락하면서 공부한 내용 정리한 글입니다.

https://cafe.daum.net/eoulsure/9ry0/11

DKT-19 대학생 전기 포뮬러카 고전압 배터리 시스템 설계.pdf

솔직히 이 때는 대충 이렇겠지, 배터리 검차 때 문제 없을걸 알았기에 그냥 넘어갔습니다. 때문에 근거를 확실히 찾지 못한 부분이기도 합니다. 설계에 있어서 모든 부분의 근거를 찾으려고 하는 태도는 중요하지만 이 부분처럼 대회 자체에 허점이 있는 부분도 존재하니 너무 깊게 파고 들어가서 시간 낭비를 하지 않았으면 좋겠습니다.(물론 제가 잘못 내용 파악했을 수도 있습니다ㅎㅎ)

배터리 검차 때 오피셜들도 딱히 태클을 걸거나 하지 않았고 글씨만 확인하고 넘어갔던 부분입니다.

-전선 가공

길이에 맞게 자르기, 압착단자 끼우기 등의 작업도 하게 될텐데 ㅎㅎㅅ에 이전에 사용하던 도구 있고 같이 해본 새내기들도 있어서 잘 할거라 생각합니다. 압착단자 끼우고 절연처리만 잘하면 문제 없습니다!

배선하면서 프레임 밖으로 튀어나오지 않게 꼭 미리미리 캐드하면서도 고려하길 바랍니다.

-압착단자, 자주 쓰이는 녀석들

필요에 따라 압착단자를 AIR에 끼고 휘는 것도 가능하지만 원체 비싼 녀석이라 자주 하는건 그리 추천하고 싶지 않습니다. 찾아보면 밑에 그림처럼 원래 휘어진 녀석도 찾을 수 있으니 참고하면 될 것 같습니다. 50-6, 50-8, 50-10 같이 자주 쓰이는 녀석들 박스 안에 담아두고 쓰다가 잃어버려서 미리미리 잘 분류해서 사용하는 걸 추천합니다..

-콜케이트 튜브

인서 하루 작업하러 왔을때 19파이 산 적 있어서 잘 사면 됩니다. 콜케이트 튜브 사용 하면 박스 내부에서 절연 거리 규정으로부터 자유로울 수 있으니 사용하면 배선하기 좀 더 편리할 듯 합니다.

-케이블 선 다양한 종류? 작년 울산대, 창원대 자료 보면 케이블 선 두께가 다양하더라고요. 필요한 두께 골라서 쓰면 공간 효율적으로 쓸 수 있을 것 같으니 참고!

-실드선

EMI로부터 지켜주고 접지해주는 기능이 있는데 여기로 전류 흐르면 ground loop 생길수도 있으니 작업하면서 신경쓰도록 하세용.

-공동구매하는 팀들 좀 있을 것!

워낙 대량으로 팔다 보니(200m) 필요한만큼 사는게 현실적으로 어렵습니다. 해외에서 주문하더라도 오래 걸리는 점도 알아두시길 바랍니다. AARK 톡방에서도 겨울에 못 구한 팀들이 생각보다 많은걸로 기억합니다. Nomex 공동구매하는거처럼 자금 여유되면 대량으로 공동 구매도 생각해볼 수 있을 것 같습니다. 가격은 m당 35000-40000원이었던 것 같습니다.