Drone's DIYer

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.

국내에서 RC 무선조종기에 사용하던 주파수는 1980년대에 27MHz 주파수 대역이었는데 저주파이기 때문에 도달거리가 길고 장애물에 영향이 적었지만, AM(Amplitude Modulation) 통신 방식으로 해상도(Resolution)가 좋지 않았습니다. 1990년대에 FM(Frequency Modulation) 방식으로 40MHz 주파수가 사용되었으며 FM 방식이기 때문에 노이즈에 강해 개선된 해상도를 얻게 되었으며 통상 도달거리는 1.6km~2km 정도로, 이후에는 40MHz 대역이 포화상태로 FM 72MHz 방식이 출현하게 되었습니다.

한편, 사용할 수 있는 대역이 40MHz 대역에서 15개, 72MHz 대역에서 19개로, 총 34개로 제한되는데, 이는 같은 장소에서 동시에 34명 이상은 사용할 수 없다는 것을 의미합니다. 만일 사용자 간에 주파수가 겹치면 둘 다 조종이 안되거나 혹은 더 출력이 우수한 조종기를 사용하는 사람만 살아남는 노콘(No control) 현상을 초래한다는 것입니다. 그리고 FM 통신 방식 자체가 이후에 디지털 PCM(Pulse Code Modulation) 방식을 포함하여 주변으로부터 간섭에 강하지만 동시 사용자가 제한되는 등 여전히 한계가 있다는 것입니다.

따라서 이를 근본적으로 개선하기 위해서 2008년부터 세계 각국의 RC 회사들이 새로운 방식을 개발하기 시작하였고, 2009년부터 본격적으로 '2.4GHz 초고주파 채널 방식'이 사용되기 시작하였습니다. 외관상으로는 송수신기의 안테나 길이가 매우 짧아졌다는 것입니다. 왜냐하면 안테나는 사용 주파수의 반파장의 길이를 사용해야 하기 때문이며 이로 인해 당연히 조종기의 안테나 길이는 10cm 이하가 되어 사용이 편리해졌다는 것입니다.

가장 괄목할 만한 차이는 기존의 송수신기에 탑재된 크리스탈(Crystal)의 고유 주파수로 사용자를 구별했던 것과는 달리, 2.4GHz 방식은 주파수가 지정되어 있지 않았다는 것입니다. 즉 후술하겠지만 주파수가 고정되지 않고 변화하는 '채널 방식'으로, 처음 조종기의 전원을 켜면 수천개의 채널 중 비어있는 채널을 자동으로 검색하여 고정하고 이 채널로 수신기도 고정하게 되어, 향후 이 수신기는 채널을 변경하기 전까지 이 채널로만 작동하게 된다는 것입니다.

주변에서 다른 2.4GHz 조종기를 사용한다면, 자신의 조종기 전원을 켜는 순간, 비어있는 채널을 자동으로 찾아가기 때문에 절대 채널이 중복되지 않는다는 것입니다. 또한 사용 중 다른 원인으로 인해 채널에 간섭 현상이 일어날 경우, 재빨리 자동으로 사용자도 모르게 다른 채널로 변경된다는 것입니다. 그러므로 2.4GHz의 채널 방식은 아무리 많은 사람이 동시에 비행을 하더라도 절대 주파수가 겹치지 않는다는 장점이 있다는 것입니다.

근래에 2.4GHz의 ISM 주파수 대역은 Wi-Fi(Wireless LAN), 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee) 등의 주파수 대역과 겹치므로, 요즈음 사람이 많이 모이는 공원 등의 지역에서는 드론의 비행에 여전히 각별한 주의가 요구된다는 것입니다. 게다가 드론의 통신 방식은 상공에서 항공 사진이나 영상 데이터를 텔레메트리(telemtry)를 통해서 지상에서 받고자 하는 사용자의 수요 때문에 변화가 일어나는 실정입니다.

무선 조종기에서 비행 명령을 드론으로 전달하는 것을 '상향링크'라 부르고, 반대로 드론에서 비행정보나 항공 사진이나 영상 등의 정보를 지상으로 전달하는 것을 '하향링크'라 부르는데, 정보량이 많아지다 보니 최근의 드론들은 5.8GHz 주파수 대역을 상향링크를 사용하고 비디오 전송 등은 2.4GHz 주파수 대역의 하향링크를 사용하게 된다는 것입니다.

2.4GHz ISM 주파수 대역은 주파수 관리법에 의하여 스프레드 스펙트럼(Spread Spectrum) 방식을 사용해야 합니다(5.8GHz는 스프레드 스팩트럼 방식이 법으로 요구되지 않음). 스프레드 스펙트럼은 주파수 도메인에서 넓게 퍼진 형태로 피크치가 확연히 드러나는 기존의 주파수 방식에 비해서 EMI 현상(혹은 간섭 현상)이 적고 보안에 우수하다는 장점이 있습니다. 스프레드 스펙트럼 방식은 직접신호를 이용하거나(Direct Sequence Spread Spectrum; DSSS) 주파수 호핑을 이용해(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) 신호의 주파수 대역을 확장시켜 송신하는 방법인데, 송신신호 출력을 약하게 할 수 있어서 특히 다른 통신기기들로의 신호 간섭을 더욱 줄일 수 있다는 것입니다.

위와 같은 스프레드 스펙트럼 방식은 서로 혼용할 수도 있으며 제조사에 따라 Spectrum의 DSM(Digital Spectrum Modulation), Futaba의 FASST(Futaba Advanced Spread Spectrum Technology), Hitec의 AFHSS(Adaptive Frequency Hoping Spread Spectrum) 등 다양하며, 특히 AFHSS는 세계 최초로 양방향 수신이 가능하여 비행기의 정보를 조종기로 받아오기도 한다고 알려집니다.