LIPO(리튬 폴리머) 배터리의 원리 및 사용방법

드론/쿼드콥터 2015.05.18 14:26 Posted by 드론의 미래가 궁금한 푸른하늘이

초보자가 쿼드콥터를 조립하려니 여러가지 문제가 걸립니다. 그중에서 배터리가 가장 심각합니다. 


그냥 구매하려니 종류도 아주 많고, 충전기도 아주 비싸고, 셀이 몇개니 하는 용어도 생소할 뿐 더러, 잘못 다루면 화재가 발생하는 등 위험할 수 있다고 합니다.


그래서 먼저 Wikipedia에 있는 LiPo Battery 항목을 들여다보고, LiPo 배터리 가이드라는 문서를 조금 더 정리했습니다.


참고로 저는 쿼드콥터 전문가분의 소개를 받아, ZIPPY Compact 4000mAh 4S 25C Lipo Pack를 구매했습니다.


LiPo 배터리 일반사항


리튬폴리머 배터리(Lithium polymer battery), 좀더 정확하게는 리튬이온 폴리머 배터리(Lithium-ion polymer battery)를 줄인말. 리튬이온 기술의 재충전가능 배터리. 통상적으로 리튬이온 배터리라고 부르는 종류는 원통형이지만, LiPo는 사각형 판형태. 가볍지만, 강도는 약함.


LiPo는 원래 두가지 의미가 있음. 원래 의미의 리튬폴리머는 액체 전해질이 아닌 폴리머 전해질을 사용하는 것. (현재 개발중) 두번째 의미는 케이스만 폴리머를 사용하여 네모진 형태로 만든 것. 이론적으로는 리튬이온 배터리와 동일. 하지만, 통상적으로 LiPo는 두번째 의미로 사용되고 있음


리튬폴리머 배터리는 R/C 사용자에게 널리 사용됨. 대부분 LiPo 팩을 지칭(직렬/병렬 모두 존재). 


LiPo는 기본의 리튬이온 기술을 기반으로 1991년 소니에서 최초 개발. 1995년부터 LiPo라는 이름으로 널리 판매되기 시작. 


리튬이온 배터리와 마찬가지로, LiPo 전지의 전압은 화학에 의존. LiCoO2와 같은 리튬산화금속의 경우 최저 2.7V -3.0V(방전), 최고 4.20V-4.35V(완충). 리튬인산화철(LiFePO4)을 기반으로 한경우 1.8-20V (방전)- 3.6-3.8V(완충) 과충전/과방전되면 안됨. 반드시 보호회로와 함께 공급되어야.


여러개가 연결된 LiPo 팩의 경우, 각각의 셀이 동일한 충전상태(SOC - State of Charge)가 되도록 감시할 수 있는 특별한 충전기가 필요함.


LiPo는 케이스가 약함. 대신 20% 정도 가벼움. 적절한 압력을 가하면 용량유지를 향상시킴. 부품간의 접촉이 최대화되고 저항과 품질저하의 원인이 되는 층간박리나 변형이 방지되기 때문임.


원하는 모양으로 가공할 수 있고 용량이 높아서 핸드폰이나 노트북 컴퓨터등에 널리 사용됨


R/C 항공기나 모형자동차 등에 널리 사용됨. 2013부터 13,000mAh LiPo 팩이 판매중.(45C continuous discharge, and short-time 90C bursts.) 4600mAh 도 있음. 전기자동차에도 사용중


안전... LiPo 배터리는 리튬이온 배터리와 마찬가지로, 과충전, 과방전, 과열, 회로..., 관통 등에 의해 화재를 포함해 엄청난 문제가 야기될 수 있다. 과충전되면 전해질이 약간 증기화되어 부풀어오른다. 이로 인해 층간 박리가 발생. 신뢰성이 저하되고 배터리 수명이 짧아짐. 특히 LiPo의 경우 케이스가 약해서 눈으로도 쉽게 확인 가능. 아래는 아이폰 3G. 원통형 LiPo 배터리와는 달리 과충전방지회로나 과열감지회로등이 없거나 약함.



LiPo 배터리에 표시된 숫자



- 전압/셀의 수(Voltage /Cell Count)

LiPo 배터리의 명목적인 전압은 3.7V 임. 7.4V는 2개의 셀을 직렬로 연결(2S : 2 cells in Series)했다는 뜻. 따라서 3S는 11.1 V 가 됨.
배터리의 전압에 따라 드론의 속도가 결정됨. 전압은 전기모터의 RPM과 비례함(브러쉬리스 모터는 kV로 표시되는데, Volt당 RPM을 뜻함). 즉 3500 kV짜리 브러쉬리스 모터는 1볼트당 3500RPM 이 나온다는 것. 즉, 2S 배터리는 25,900 RPM(3500 x 7.4) 이 나옴.


- 용량(Capacity)

총전력량. 휘발유통 크기와 비할 수 있음. 보통 mAh로 나타냄. 한시간에 얼마만큼의 전기를 뽑아낼(drain) 수 있는가 하는 뜻. 보통 모터시스템의 drain은 Ampere를 기준.

숫자가 클 수록 오래 날릴 수 있음. 보통 R/C 카의 경우 5000 mAh 정도를 사용. 12,000 mAh 짜리도 나옴. 다만, 용량이 크면 무게도 무거워지고 열이 많이 나서 화재가 날 수 있음


- 방전률(Discharge Rating, C-Rating)

전압과 용량은 직접적인 효과가 있음. 하지만, C-Rating은 이해하기 힘듦. C-Rating 이란, 배터리에 해를 입히지 않는 범위내에서 얼마나 빨리 전기를 뽑아낼 수 있는가 하는 기준. 

위 사진에 있는 배터리는 20C = 20 x Capacity = 100A 임. 즉 최대 연속적으로는 100A까지 뽑아낼 수 있음. 요즘에는 Burst Rating 이란 숫자도 있음. 이는 10초동안 뽑아낼 수 있는 최대 총량. 대부분 Burst Rating 숫자가 큼. 배터리를 비교할 때는 C-Rating 이 더 중요함. 대부분의 경우 20-25C 정도면 충분함. 


- 내부저항(Internal Resistance)

매우 중요하지만, 어디에도 써있지 않음. 시간에 따라 변하기 때문. 온도에 따라 변하기도 함. 이 값이 높으면 에너지가 모터 등에 도달하기 힘들다. 열손실이 일어남. (배터리 효율로 볼 수 있음)


충전기로 측정가능. 셀별로 따로 측정하는 것도 있으나, 어차피 직렬이므로 모두 더하면 총 내부저항. 내부저항은 배터리의 상태와 연관있음. 배터리를 사용하면 내부에 LiO2가 축적됨. 나중에는 충전이 거의 안되고 열로 빠지는 상태가 됨. 충전하자 마자 방전이 되는 배터리는 바로 이 때문임. 예를 들어 내부저항이 0.012 옴이라고 할 때, 모터가 65A를 사용한다면 0.78V 나 줄어드는 효과. 이로 인해 RPM 이 떨어지게 됨. 

0-6 mΩ 정도면 Good. 7-12mΩ 이면 평균. 20mΩ 이상이면 교체를 고민해야 함. 


LiPo 배터리 충전(Charging) 방법


반드시 LiPo 용 충전기를 사용해야 함. CC/CV (Constant Current/Constant Voltage)충전이라는 시스템을 사용함. 최고수준(셀당 4.2볼트)에 오를 때까지 전류(충전률)을 일정하게 유지하는 방식. 

또한 LiPo 용 충전기는 Balancing을 적용함. 각각의 셀의 전압을 일정하게 유지하는 것. 모든 셀의 방전량이 동일하도록 하기 위함. 배터리의 성능에 중요. 또한 안전에도 중요.


Balancing 기능이 내장된 충전기를 구입하는 게 좋음. 요즘엔 가격적 메리트도 없어서 별도로 구입할 필요는 없음.


대부분의 LiPo 배터리는 Balance tab에 JST-XH 라는 코넥터가 달려있음. 잡을 수 있는 면적이 작다는 단점. 플러그를 뽑기 어려워서 코넥트가 뽑히고 쇼트가 발생해서 배터리 망가지는 사고 발생. Balance Protector Clips(AB Clip)를 사용하는 것이 좋다. 아래 좌측(전)과 우측(후)을 비교.



대부분의 LiPo 배터리는 NiMH 배터리보다 늦게 충전됨. 보통 3A 이하. 충전에 대해서도 C-Rating 이 있음. 보통 1C 임. 즉 4000mAh 의 배터리라면 4A 이하로 충전해야 함. 요즘엔 충전속도가 빠른 LiPo 배터리가 많이 나옴. 예를 들어 3C 까지 있음. 


항상 화재 발생 가능성에 대비해야 함. 항상 소화기를 비치할 것. 소화기로 LiPo 배터리 불을 끌 수 없음(화학적 반응이기 때문에) 하지만, 불이 번지는 건 막을 수 있음. 이산화탄소 소화기가 더 좋음. 산소차단 및 온도를 낮추는 효과. LIPO GUARD 와 같은 전용 백을 준비하는 것도 좋음. 사람없는 곳에서 충전하지 말것. 


LiPo 배터리 방전(Discharging) 


배터리를 사용하다보면 LiO2가 축적되고, 이것이 내부저항을 일으키고 열을 발생시킴. 요즘 충전기에는 내부저항 측정기능이 있으므로, 이를 관찰, 기록하면 배터리 상태를 관리할 수 있음. 


온도가 올라가면 LiO2가 더 많이 쌓이게됨. 그러다보면 배터리가 부풀어오름. 부풀어오른 배터리를 사용하면 열이 더 많이 나게 됨. 결국 Thermal Runway 라는 과정이 시작됨. 열->O2->저항->열 이 계속 반복. 결국 산소+수증기+리튬 반응하여 화재 발생하는 현상.못쓰는 배터리에 절대로 구멍을 내면 안됨. 


대부분 300-400번 충전-방전하면 수명을 다하는데, 과열되었거나 3.0V 이하로 과방전되었거나, 물리적 손상을 입었거나 습기를 흡수를 하게되면 훨씬 빨리 수명을 다하게 됨. 절대로 3.0V 이하로 내려가면 안됨


드론 등의 기기에는 LVC(Low Voltage Cutoff) 회로가 있어서, 일정전압 3.2V 이하가 되면 전원을 차단시킴. 3S 짜리 배터리라면 9.4V에서 작동됨. 더 작동시키면 배터리를 망가뜨리게 됨. 특히 배터리의 Balancing 이 안되어 있을 경우, 총 전압은 9.4 일지라도 일부는 3.0 이하로 떨어질 수 있어 배터리 수명을 망가뜨림. 그래서 Balancing 이 매우 중요함.


LiPo 배터리 보관(Storage) 방법


예전에는 그냥 배터리가 닳을때까지 가지고 놀다가 쳐박아두곤 했지만, LiPo는 절대 그렇게 하면 안됨. 완충된 상태로 보관해서도 안됨. 상온상태에서 3.8V 로 보관해야 함. 요즘 충전기에는 이 상태가 되도록 충전시키거나 방전시키는 기능이 있음.


매번 사용하고 나서는 반드시 보관모드로 둘 것. 완충상태로 일주일만 지나도 LiPo배터리는 망가질 수 있음. 반드시 별도의 방화통에 보관할 것. 탄약통 좋음. 


배터리 문제는 대부분 잘못 보관하기 때문에 발생한다. 그냥 오랫동안 방치하면 3.0V 이하로 떨어져서 수명 다하게 됨. 


LiPo 배터리 폐기(Disposal) 방법


  1. 가능한 한 다써서 전압을 낮출 것. 기기에 실어서 끝까지 돌리면 좋음
  2. 욕조에 소금물을 풀고, 전기선을 담금. 바로 합선이 됨
  3. 전압측정. 0.0V 인지 확인.
  4. 그냥 쓰레기 통에 버려도 됨.

====

이상입니다. 많이 배웠네요. 어차피 일반 스마트폰에 들어 있는 배터리도 LiPo 배터리이니.... 교체하기 직전에 왜 그렇게 뜨거웠는지, 왜 그렇게 빨리 방전되는지 알게 되었네요. 


민, 푸른하늘

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  1. Favicon of http://www.internetmap.kr BlogIcon 드론의 미래가 궁금한 푸른하늘이  수정/삭제  댓글쓰기

    LiPo 배터리 - 4.2V - 3.7V - 3.0V
    LiFe 배터리 - 3.6V - 3.3V - 2.5V

    2015.06.12 10:08 신고
  2. 찰스  수정/삭제  댓글쓰기

    간략하지만 정말 잘~~ 정리된글 입니다. 도움이 많이 되었습니다.

    2015.06.19 17:33 신고
  3. 여나미나  수정/삭제  댓글쓰기

    이해하기 가장 쉬운글이었던같아요 감사합니다.

    2015.11.13 11:12 신고
  4. 렉동  수정/삭제  댓글쓰기

    내부저항은 어떻게 측정하나요 ??

    2017.10.17 11:27 신고

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