Drone's DIYer

제작하고자 하는 캠핑/차박용 리튬인산철 파워뱅크의 스펙은 우선 12V 270Ah로 4S 1P로 구성하며 안정성과 긴 수명을 위해서 BMS와 Active balancer를 내장하고, 6A 가정용 인산철 배터리 충전기로 DC 잭을 통하여 충전하고 동시에 방전이 가능하도록 하였습니다.

또한 배터리 전압계와 편의를 위해서 잔량 표시기를 탑재하고, 충전을 위한 DC 잭, 출력을 위한 시거 소켓과 2개의 USB 단자가 외부에 장착됩니다. USB 단자는 배터리 전압계에 포함됩니다.

만들기(DIY) 위해서 최소 필요한 용량을 계산해보면 다음과 같습니다. 차량용 전기 장판이 보통 12V에 30W 정도임을 감안하면 사용할 수 있는 시간은, 100Ah의 경우에 12Vx100Ah/30W=40h 이므로 배터리 효율과 내부 장치의 소비전력을 고려하면 30시간 정도이므로 100Ah를 최소한의 용량으로 설정해 볼 수 있습니다.

270Ah 파워뱅크

※ 부품 번호는 homemadeclub.co.kr에서의 번호입니다.

120Ah 파워뱅크

※ 부품 번호는 homemadeclub.co.kr에서의 번호입니다.

사실 120Ah 파워뱅크의 경우 단셀을 신품이 아닌 A급을 사용하더라도 비용만 약 47만원 정도 발생합니다. 완성품을 구입 시 중국산 120Ah 파워뱅크는 30~40만원 정도에 구입이 가능하고, 과장된 스펙(일명, 뻥스펙)의 위험을 감수한다면 20~30만원 정도에 구입할 수도 있습니다. 

캠핑/차박용 리튬인산철 파워뱅크를 만들기(DIY) 위해서 최소 필요한 용량을 계산해보면 다음과 같습니다. 차량용 전기 장판이 보통 12V에 30W 정도임을 감안하면 사용할 수 있는 시간은, 100Ah의 경우에 12Vx100Ah/30W=40h 이므로 배터리 효율과 내부 장치의 소비전력을 고려하면 30시간 정도이므로 100Ah를 최소한의 용량으로 설정해 볼 수 있습니다.

다음은 3가지 용량에 대한 자작에 필요한 구성품을 간략히 정리하였습니다.
침수 정도는 아니지만 가급적 생활방수용 부품를 고려할 수 있습니다. 또한 충전기로서 6A, 정전압, 정전류 가정용 인산철 배터리용을 DC 잭에 꼽아 쓰도록 하고, 충전과 방전을 동시에 할 수 있으며 차량에서 충전가능하도록 하는 주행용 충전기는 굳이 고려하지 않겠습니다.

사용한 BMS의 상세 스펙입니다.

※ 복구 전압이란 과충전이나 과방전에 상태에서 차단된 후 다시 충전이나 방전이 시작하기 위한 전압으로 중간에 히스테리시스(hysteresis)를 주어 시스템적으로 차단과 속계가 순간적으로 반복되는 현상을 피하기 위함입니다.

리튬인산철(LiFePO4) 파워뱅크를 구성하기 위해서는 배터리를 과전류나 과충전, 과방전 등으로부터 보호하고, 구성된 각각의 단[일]셀 간에 단자 전압의 차이로 인한 방전 시 효율 저하와 궁극적으로 비싼 배터리의 수명을 연장하기 위해서 주변 회로가 필요합니다. 대표적으로 PCM 그리고 BMS, Battery Equalizer 등이 있습니다. 

PCM(Protection Circuit Module)

전통적으로 리튬이온 계열의 배터리는 과충전을 방치 할 경우, 내부 과열과 화학반응이 일어나는 스웰링(swelling) 현상으로 용기의 내부압력 증가로 인해 폭발이 일어나기도 합니다. 또한 과방전으로 방전 종지전압 이하로 내려가면 전극이 영구 손상되어 사용할 수 없게 됩니다.

이를 사전에 방지하고 위험 요소를 제거하기 위해 보호회로는 필수적입니다. 이를 보호회로를 PCM(Protection Circuit Module)라 부르고 통상 리튬이온 계열 배터리의 PCM은 다음과 같은 필수 4가지의 기능과 규격을 갖고 있습니다.

1. 과충전 보호기능(Over Charge Protection Voltage)

최대 보호 전압(충전 종지 전압) 이상 과충전 시 화학반응이 시작되어 가스와 열이 발생하고 배부름(스웰링 현상)과 폭발로 이어지기 때문에 이를 보호하기 위하여 이 보호 전압에 도달하면 충전을 중단시키게 됩니다.

2. 과방전 보호기능(Over Discharge Protection Voltage)

최소 전압(방전 종지 전압) 이하로 방전되면 회복불능으로 전지가 손상되므로 이를 방지하기 위하여 최소 전압에 이르면 방전을 차단시키게 됩니다.

3. 과전류 차단기능(Over Current Protection/Detection current)

최대 허용 전류로 외부 기기의 오동작이나 실수로 인한 과전류로 배터리나 PCM이 손상되는 것을 방지하기 위해 이 이상의 전류가 흐르면 차단시키게 됩니다.

4. 단락 보호기능(Short Protection/Detection Condition)

어떠한 이유로 외부의 부하가 단락(합선)되면 배터리나 PCM이 손상되는 것과, 단락으로 인한 화재로부터 보호하기 위해 배터리의 전류 공급을 차단시키게 됩니다.

과충전이나 과방전은 단[일]셀과 직렬연결된 2S, 3S, 4S, ..., nS의 경우, 모두 각 직렬단의 개별전압을 검출하여 보호기능을 수행합니다. 따라서 직렬연결단의 한 셀이라도 과충전과 과방전 상태가 검출되면 전체의 입출력이 차단됩니다.

단셀 PCM의 경우, 배터리의 단자와 연결되는 측을 B+, B-로 표기하고 외부 부하로 연결되는 측은 P+, P-로 표시하며 일반적으로 방전시는 출력, 충전시는 입력으로도 사용합니다. 전기적으로 대부분 B+와 P+는 쇼트(단락)되어 있거나 사이에 PTC Fuse(Poly Switch 라고도 함)를 통해 연결되고, B-와 P-사이에는 통상 Dual N-ch FET가 과충전과 과방전을 검출하는 IC의 On/Off 신호에 의해 차단 또는 해제가 이루어집니다. 또한 방전시 FET 내부저항 혹은 별도의 전류검출용 정밀저항을 의해 전위차를 검출하여 과전류 및 단락 보호기능을 수행합니다.

2S 이상의 다직렬 연결일 경우는 전용 검출제어 IC가 과충전과 과방전 상태를 각단 별로 검출하여 하나로 모아 차단합니다. 이 경우 어느 한 단이라도 이상이 검출되면 전체가 차단되기 때문에 셀밸런싱(cell balancing)이 매우 중요합니다. 셀밸런싱이란 다직렬을 구성하는 각각의 단일셀간의 전압차로 충전된 용량이 서로 다른 것으로, 직렬연결시 가장 적게 충전된 셀의 용량만큼 사용하게 되므로 효율이 나빠지고 배터리의 내부 저항 등의 차이에 의해 수명도 단축됩니다.

또한 부하상태에서 차단시 배터리 전압이 다시 상승하기 때문에 일정 히스테리시스(hysteresis) 전압을 주어 On/Off가 계속 반복되는 현상을 막아주며, 그렇기 때문에 차단 전압과 해지 전압이 별도 규격에 표시되어 있습니다.

BMS (Battery Management System)

PCM의 기본 보호기능 외에 배터리 관리에 필요한 다양한 기능들을 수행하는 것을 BMS(Battery Management System)이라고 부릅니다. 통상 셀밸런싱 기능이 있는 것을 BMS라 부르지만 넓은 의미에서는 가장 초보적인 BMS의 일부분입니다. 스마트그리드(smart grid)의 ESS(에너지 저장장치)나 전기자동차의 BMS는 다음의 기능들이 확장되어 있습니다.

1. 통신기능

유무선 통신을 이용해 모니터링한 배터리의 정보를 전송하거나 제어합니다.

2. 모니터 기능

배터리의 모든 정보, 충방전 상태, 전압, 온도, 내부압력, 입출력 상태 등을 감시합니다.

3, 계산 기능

배터리 스스로 잔량, 시간, 총에너지량, 사용 충방전 이력 등을 계산하여 충방전 제어를 합니다.

4. PCM 및 셀밸런싱 기능

리튬인산철 파워뱅크를 구성하기 위해서는 고급 기능이 굳이 필요없는 BMS로 충분한데 이를 '셀밸런싱(cell balancing) 기능을 갖는 PCM'이라고 부를 수 있으며 여기에 충방전 상태, 전압, 온도, 배터리 잔량을 표시하는 기능이 추가된다면 충분할 것입니다.

BMS의 다직렬 셀밸런싱의 동작 원리는 충전시 각 직렬단별로 충전 전압(보통 4.2V)을 검출하여 그 단에 저항을 병렬로 연결시켜서 그 단의 충전 전압 상승을 억제하고, 전류를 저항 경로로 우회시켜(bypass) 아직 만충전 전압에 도달하지 못한 다른 단의 충전이 좀더 빠르게 이루어지도록 도와줍니다. 이때 그 단에서 저항을 통해 우회하는 전류를 '밸런싱 전류'라고 합니다.

대부분의 밸런스 충전기 역시 위와 같은 방법으로 충전을 하기 때문에 셀의 용량이 크면 클수록 상대적으로 많은 시간이 걸려야 밸런싱이 이루어지고, 또한 밸런싱 전류에 비해 큰 충전 전류를 공급하면 미처 밸런싱이 마치지 않은 상태로 충전기가 차단하거나 과충전 차단이 되어 충전이 종료되게 됩니다.

그러므로 이치적으로 모든 배터리의 직병렬 연결시에는 사전에 수동으로 셀밸런싱을 해야만 주어진 용량을 십분 활용할 수 있습니다. 참고로 리튬인산철 파워뱅크의 처음 구성시 리튬인산철 배터리의 수동 셀밸런싱은 단[일]셀간 0.1V 이하가 바람직합니다. 만일 그렇지 않으면 단셀의 종지 충전 전압이 4.2V라 하면 4S 파워뱅크 구성시 16.8V에서 충전이 차단되어야 하는데 만충전 전압이 16.4V가 나올 수도 있다는 것입니다. 이는 셀밸런싱이 틀어진 직렬단 중 어느 한 단이 먼저 과충전으로 차단되었기 때문입니다.

배터리 Equalizer / Active balancer

BMS는 충전시 단일셀 전압 3.5V~3.6V 이상에서 밸런싱을 하지만 이퀄라이저는 상시 밸런싱을 합니다. 밸런싱 전류보다 큰 충전 전류로 충전했다손 치더라도 충천시 외에도 항상 셀밸런싱을 하므로 능동 밸런서(active balancer)라고 부르며, 파워뱅크 구성 초기에 BMS 연결시 전압을 균일하게 조정안했다 하더라도 충분히 놔두면 최초 사용 이전까지 스스로 밸런싱이 이루어지게 됩니다.

Active balancer를 사용하면 단일셀 간 0.1V 이상의 전압차가 발생하면 0.03V까지 밸런싱을 잡아주는 장치로 각셀의 전압차가 발생했을 때 높의 셀의 전압을 낮은 셀로 보내서 밸런스를 맞춥니다. 200A이하는 BMS만 사용해도 되지만, 그 이상의 파워뱅크는 BMS의 한계 용량을 넘어서기 때문에 이퀄라이저를 사용합니다.

배터리 자주 충방전 해야 하는 경우나 200Ah 이상의 고용량의 다직렬 파워뱅크의 제작시에 배터리 Equalizer의 추가가 요구됩니다.

리튬인산철(LiFePO4) 배터리의 보관법

리튬인산철(LiFePO4) 4S 파워뱅크는 13.0V ~ 13.2V 정도로 충전한 상태로 보관합니다.

* S는 Series(직렬), P는 Parallel(병렬)로 연결됨을 의미합니다.

* 월 3% 미만의 자가 방전율과 파워뱅크를 구성하는 주변회로의 대기전력을 고려합니다.

* 사실 모든 리튬인산철 배터리의 스펙은 제조사마다 조금씩 다르며 반드시 확인해야 합니다.  

리튬인산철(LiFePO4) 배터리를 오래 사용하는 방법

리튬인산철(LiFePO4) 배터리는 3.1V ~ 3.4V가 총 용량의 85%를 차지합니다. 4S의 경우에는 12.4V ~ 13.6V 사이에서 사용하면 총 용량 85%를 사용하게 됩니다. 그러므로 완충하지 말고, 완전방전 하지 않으면 수명이 연장됩니다. 또한 파워뱅크가 완전 방전을 방지하기 위해서 차단된 경우에 가급적 빨리 충전해야 합니다. 왜냐하면 파워뱅크는 내부적으로 BMS(PCM), Equalizer 등의 모듈로 구성되며 이들은 대기 전력을 소비하기 때문에 머지 않아 완전방전이 되기 때문입니다.

특히 3.1V 이하에서는 잔여 용량은 5% 남게 되는데 그 이후에는 급격히 전압이 떨어져 완전방전 상태에 이르게 됩니다.

리튬인산철(LiFePO4) 배터리의 충전 방법

0.2C로 충전하는 것을 권장하며, 영하의 날씨에는 배터리 내부의 화학적 결합이 충전 전류 속도를 따라가지 못하므로 0.1C로 충전하는 것을 적극 권장합니다.

예를 들어, 120Ah의 0.1C(12A)로 충전하면 10시간이 소요됩니다. 

<전압 구간에 따른 충전 시간(4S): 0.1C 기준>

* 13.6V 이상의 만충전으로 약 10%의 효율 증대는 수명과 trade-off 관계가 있습니다. 

* 그러므로 리튬인산철 배터리 자체의 효율 95%지만 만충하지 않고 전체의 85%를 사용하면 수명이 증가합니다. 실제로는 파워뱅크의 주변회로의 소모 전력에 의해서 효율은 더 감소할 수 있습니다.

리튬인산철(LiFePO4) 배터리의 잔량표시는 가능한가?

리튬인산철 배터리의 잔량표시는 전압만으로 불가능한데 이는 리튬인산철 배터리의 방전 특성 상 단자 전압과 잔량이 선형적이기 않기 때문입니다. 단 별도의 적산계를 추가한다면 가능합니다.

다음 그림은 리튬인산철 배터리 단일셀의 납축전지(Lead-acid)와 비교한 방전 특성 그래프입니다.

<리튬인산철 배터리의 방전 특성>

위 그림에서 x축은 부하에 의한 누적 사용 용량이고, y축은 단일셀의 단자 전압을 나타낸 것입니다. 그림을 살펴보면 사용량을 선형적으로 늘여가다 보면 단자 전압이 비교적 완만한 영역이 존재하는데, 더 사용하면 단자 전압이 급격하게 감소함을 볼 수 있습니다. 그 이하의 영역으로 방전은 배터리 손상으로 수명을 단축시킬 수 있기 때문에 방전을 차단해야 합니다. 단자 전압이 완만한 감소를 보이는 영역이 총 용량의 85% 이상으로 과충전과 과방전은 바람직하지 않음을 알 수 있습니다.

리튬인산철(LiFePO4) 배터리의 사용 가능 시간 계산법

리튬인산철 배터리를 차량용 온열매트에 연결하여 사용한다면 얼마나 사용할 수 있을까요? 

예를 들어, 4S에 구성된 120Ah 리튬인산철 파워뱅크에 12V, 120W 차량용 온열매트를 연결한다고 하면,

(~12V × 120Ah) / (120W) = ~12 × 120Wh / 120W = ~12h

결론적으로 약 12시간을 사용할 수 있고 리튬인산철 배터리의 효율과 파워뱅크를 구성하기 위한 BMS(PCM), Equalizer 등의 소비 전력을 고려하면 10~11 시간 정도 사용가능합니다.

* 120Ah는 부하에 120A(1C)로 1시간 전류를 공급할 수 있음을 의미하며 60A(0.5C)로 공급 시에는 120Ah / 60A = 2시간을 지속할 수 있음을 의미합니다. 

파워뱅크 제작에 사용할 리튬인산철(LiFePO4) 배터리의 장단점을 요약하였습니다.

● 장점

• 무게가 가볍다(크기가 작다).

• 높은 에너지 밀도 

납축전지, Ni-based 전지에 비해 매우 작고 가벼우며, 전압이 높기 때문에 에너지 밀도가 2~10배 이상 높다(같은 크기의 다른 전지에 비하여 더 큰 용량)

• 수명이 길다.

용량의 90%까지 방전 후, 재충전 반복 횟수가 1,500회 이상이고 납축전지 대비 4배 이상, Ni- base 전지, 리튬이온전지보다 수명이 3배 가까이 더 길다.

• 안전하다.

과방전, 과충전 시 폭발하지 않고(외관이 변하지 않고) 내부적으로만 손상되며, 강한 외부 충격이나 고온(열), 화재에도 폭발하거나 가스를 내뿜지 않고 물에도 강하다.

• 우수한 고율 충/방전 특성 

3C까지 급속충전이 가능하고, 정전류로 3C(A)까지 연속 방전, 순간적으로 20C까지 고율 방전이 가능하다. 즉 지속 방전 특성과 순간 방전 능력이 뛰어나다.

하지만 제조업체의 스펙에 따라 다르며, 수명을 위해서 권장 충전 용량은 0.1C(용량의 1/10), 급속 충전이라도 0.2C(용량의 1/5)를 넘지 않도록 한다. 단 영하의 온도에서 충전 시에는 0.1C가 바람직하다. 예를 들어 120Ah의 경우 권장 충전 용량은 12A이다.

방전 용량의 경우, 실제로는 파워 뱅크를 구성한 BMS(PCM)의 허용 전류에 의존하다. 

• 넓은 사용 온도 범위(-20℃~ 75℃)를 갖는다.

기존의 납축전지의 단점으로 겨울철에도 용량 저하 없이 사용할 수 있다.

• 메모리 효과(memory effect)가 없다.

기존의 Ni-based 전지(Ni-Cd, Ni-MH)의 단점으로 이와 같은 메모리 효과가 없어 실제 사용할 수 있는 출력 에너지가 많다.

• 자가 방전에 의한 전력 손실이 매우 적다.

월 3%미만으로 충전 후 장기간 저장이 가능하다.

• 유해물질이 없어 파손 시 환경에 무해하고, 친환경적이다.

기울어져도 성능 발휘에 지장을 받지 않는다.

• 유지보수가 불필요하다.

● 단점

• 리튬이온이나 리튬폴리머 전지보다 에너지 밀도가 낮다.

• 가격이 비싸다.

• 차량 시동 용으로는 충전 전압이 맞지 않아 이르다. 이 경우 만충이 되지 않아 효율, 나아가 수명이 떨어진다.

• BMS 즉 셀밸런스 기능이 차량용에서는 실시간 충방전에 대응하도록 기술이 개발되고 있다 비싸다. 하지만 캠핑용으로는 무난하다.

• 내구성을 높이기 위해서는 높은 단가의 고급 BMS 장착이 요구된다.

• 영하 온도에서 충전이 문제가 되어 주변 온도에 따라 보온커버가 필요할 수 있다.

시중에 나와 있는 리튬인산철배터리 단셀의 스펙 비교

1) 종단 충전전압은 과충전을 방지하기 위하여 충전을 차단해야 하는 전압입니다.

2) 종단 방전전압은 과방전으로 배터리를 손상시키지 않기 위해서 방전을 차단해야 하는 전압입니다.

파워뱅크는 캠핑 시 보조배터리로 그리고 야외에서 드론 배터리를 충전하기 위한 전원으로 요긴합니다. 

고용량, 친환경 그리고 가장 중요한 안정성이 확보된 2차 전지를 선정하기 위해서 여러가지 2차 전지의 특성과 각 전지들을 간략히 비교하였습니다.

충전하여 재사용이 가능한 2차 전지는 양극재 원료에 따라 납축전지(Lead-Acid), 리튬이온전지(Lithium-Ion) 등으로 분류할 수 있습니다. 현재 납축전지는 주로 자동차용 배터리와 산업용 예비전원 용도로 사용하며 낮은 온도에서 방전 용량이 감소하고 완전방전 시 수명이 대폭 떨어지는 맹점이 있습니다. 리튬이온전지는 스마트폰, 노트북, Tablet PC, 전기차, ESS(Energy Storage System) 등의 용도로 사용되고 있습니다.

근래에 2차 전지로 각광을 받았던 Ni-based 전지(Ni-Cd와 이를 개선한 Ni-MH)는 방전 특성이 우수(특히 Ni-Cd)하지만 충전하기 전에 전지가 완전히 방전되어 있어야 하며 그렇지 않으면 이를 기억하여 충전용량이 떨어지는 메모리 효과(memory effect)가 존재하여 수명이 단축되는 단점이 있습니다. 방전 특성은 방전율로 자동차의 시동 시처럼 전압강하 없이 얼마나 높은 전류를 공급할 수 있느냐는 정도입니다.

최근에 사용되는 리튬이온전지는 충·방전을 1,000회 이상 반복해도 메모리 효과가 발생하지 않고, 고효율, 고성능 및 우수한 충방전 특성을 가지며 Ni-based 전지 비해 2배 이상의 기전력을 나타내며, 가장 에너지 밀도가 높고 게다가 -55~85℃의 넓은 온도 범위에서 작동이 가능합니다. 또한 자가 방전율이 연간 2% 미만이므로 장기간 저장 후에도 사용이 가능합니다. 자가 방전률이란 보통의 조건에서 전지 스스로가 자연 방전하는 정도를 말합니다.

이런 리튬이온전지는 4가지 양극재(양극활물질), 음극재(음극활물질), 분리막, 전해액 등으로 구성되며, 우선 전해질에 따라, 액체 상태이면 리튬이온전지(LIB), 고체 상태이면 리튬폴리머전지(LIPB)로 구분되는데, 리튬의 치명적인 문제점인 불안정성, 즉 폭발 및 발화의 위험이 있다는 것입니다. 리튬이온전지에서 고체 상태 전해질(Polymer)을 갖는 리튬폴리며전지로 개선하였지만 여전히 안전성에 문제가 있으며 친환경적이지도 않다는 것입니다.

이 고체 상태 전해질(Polymer)을 갖는 리튬폴리머전지에서 양극재 물질을 변경한 리튬인산철(LiFePO4) 전지는 리튬이온전지 그리고 리튬폴리머전지와 비교하여 발열성이 없고, 가연성 또는 폭발 등을 일으키지 않음으로써 안전성이 탁월하다고 알려집니다. 뿐만 아니라 온도 특성이 매우 좋아 자체 발열이 거의 없어서 주위 온도에 영향을 주지 않으며 고온에서 수명저하, 저온에서 시동불량 등의 문제가 없다는 것입니다.

게다가 리튬인산철전지는 충방전 효율이 납축전지는 70% 정도인데 반해 95% 이상이고, 다른 어떤 2차 전지보다 3~5배 긴 수명특성을 가지며, 급속 충방전이 가능하고 자가 방전율이 낮으며 무엇보다도 유해 독성물질이 전혀 없는 친환경이라는 것입니다.

다음 그림은 여러가지 2차 전지를 비교하였습니다.

※ '<= ???' 표기는 Ni-based 전지와 비교해서 ???하다는 의미입니다.