스크랩 RC 배터리 이론4(배터리 팩)

[효녀은실(채이석)]

안녕하십니까? 지에스비입니다.

배터리에 대해서 팩의 구조를 좀 설명해 드려야 겠다는 생각이 들어서 이렇게 4탄을 올립니다.

RC에서 사용되는 주 배터리인 니켈수소와 리튬폴리머 배터리팩에 대해서 설명하겠습니다.

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일단 팩(Pack)이란 무엇인가부터 시작해야 겠군요.

팩이란 배터리 셀들을 직렬/병렬 구조로 연결하여 고전압/고용량의 배터리를 만든 상태를 말합니다.

배터리 셀(Cell)은

      
이런 것들을 말합니다.(앞에 있는 놈이 니켈수소이고, 뒤에 있는 놈이 리튬폴리머 배터리셀입니다.)

이런 배터리 셀을 가지고 직렬 연결하고 수축포를 감싸면 배터리 팩이 되는 것이지요.

배터리 팩은

   
이렇게 변하게 되지요....^^(사진을 같이 올리니깐... 글 쓰는데 흐름이 끊어지는 군요....ㅎㅎ)

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.

이정도로 이번 배터리 팩에 대한 설명을 마치겠습니다.

추가적으로 궁금한 사항이 있으시면 언제든지 문의하여 주시기 바랍니다.

감사합니다.

지에스비 올림

www.gsbattery.co.kr