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완전 초짜의 드론 만들기 도전! 도전! 도전~!입니다.
맨땅에 헤딩~
인터넷 검색, 관련 사이트를 참고하여 Pixhawk 4를 이용한 중/소형 드론을 만들려고 하고 있습니다.
참고만 하세요~!
드론은 전력원으로 배터리를 사용하는데 거의 대부분 재충전 가능한 2차 전지를 사용한다.
드론을 만들 때 자주 듣게 되는 배터리 관련 용어와 몇 종류의 배터리 내용을 정리해봤다.
1. 배터리 용어
1.1 용량(capacity)
- 단위: mAh
- 의미: 한 시간당 얼마만큼의 전류를 출력할 수 있는가를 나타냄
- 숫자가 클수록 오래 날 수 있음
- 보통 RC car는 5000mAh 사용
- 용량이 클수록 무거워지고 열이 많이 나서 화재 발생 가능
1.2 방전율(C-Rating, Charge Rating)
- 단위: C
- 배터리가 안정적으로 출력할 수 있는 최대치
- 배터리에 해를 가하지 않고 얼마나 빨리 출력이 가능한가를 나타내는 기준
- 배터리가 순간적으로 출력할 수 있는 최댓값: 배터리 용량 x 방전율
예) 방전율 20C, 용량 5000mAh일 경우
20 x 5000 = 100 A(h)
-> 최대 연속적으로 출력할 수 있는 전류는 100A
1.3 내부저항
- 배터리 자체의 내부저항값
- 시간/온도에 따라 변함
- 충전기로 측정 가능, 셀별로도 측정 가능
- 내부저항이 높을 경우 전압 하락이 발생해서 모터의 최대 회전 속도가 저하될 수 있음
- 내부저항이 너무 높을 경우 전기가 모터에 도달하지 못할 수도 있음
1.4 셀 수
- 배터리 팩의 총 셀(cell) 수
- 병렬, 직렬연결 모두 가능
예)3S1P
S: 직렬(Serial), P: 병렬(Parallel)
3개의 배터리가 직렬로, 1개의 배터리가 병렬로 연결
-> 배터리 셀 3개가 1개로 묶여 있음 즉, 3개가 직렬로 연결되어 있다는 의미
* 배터리 팩이란 여러 개의 배터리 셀을 직렬 또는 병렬로 연결해서 하나의 배터리처럼 사용하도록 만든 배터리 형태
2. 종류
2.1 니켈 카드뮴(NiCd) 배터리
- 최대 1 cell 당 1.4V ~ 1.44V, 기준 전압 1.2V, 최대 방전 전압 0.8 V
- 용량은 600mAh와 1000mAh가 주종
- 300 ~ 500회 충방전 가능
- 방전율이 높고 급속 충전 가능
- 셀 당 가격 저렴
- 대용량 생산이 어려움
- 무선, RC 제품에 많이 사용
- 메모리 효과 있음
*배터리의 메모리 효과란 건전지를 완전히 방전시키지 않은 상태에서 배터리를 재충전할 경우 배터리가 충전할 수 있는 용량이 줄어드는 현상을 말한다.
2.2 니켈 수소 배터리(NiMH)
- 최대 전압 1 셀당 1.4 ~ 1.44 V, 기준 전압 1.2 V, 최대 방전 전압 0.9 V
- 용량은 1000mAH와 1600mAh가 주종
- 400 ~ 500회 충,방전 가능
- 대용량 배터리 생산 가능
- 메모리 효과가 적음
- 과충전, 과방전에 강함
- 니켈 카드뮴과 비교해서 방전율은 낮고 생산단가는 높음
- 급속 충전 시 열이 많이 발생
- RC - car에 많이 사용
- 자가 방전율이 높음
2.2. 리튬 이온 배터리
- 양극을 리튬 코발트 산화물, 음극은 흑연, 전기질은 유기용매
- 최대 전압은 1 셀당 4.2 V, 기준 전압 3.7 V, 최저 전압 2.7V
- 1200번 충방전 가능
- 가볍고 용량이 큼
- 자기 방전율이 거의 없음
- 메모리 효과 없음
- 방전율이 높음
- 제조 직후부터 열화 시작
- 용량은 800~1000mAh를 가장 많이 사용
- 온도에 민감
- 충격에 약함
- 최대 전압, 최저전압 이하로 떨어질 경우 배터리 손상 가능
- 고온, 직사 광선에서 폭발 가능
- 충전 주기가 길어서 수명이 길다
- 배터리 팩으로 사용할 경우 하나의 셀이 고장 나면 체인 반응을 일으켜서 전체가 쓸모 없어짐
- 충전 시 배터리 관리 시스템 필요
- 30도 이상의 고온에서 사용하지 않기
- 과충전 금물 -> 폭발 가능
- 가장 좋은 충전 전압은 3.92V
- 완전 방전 금물 - 최소로 배터리가 10% 이하 떨어지지 않도록 한다
- 자주 충전해주지 않으면 내부 충전액이 굳어져 수명이 줄어들 수 있음
- 사용량이 많은 경우 배터리가 뜨거워질 수 있음
- 충전 시 온도가 올라가고 방전 시 온도가 내려가는 특징
2.4 리튬 폴리머 배터리
- 양극은 리튬 코발트 산화물, 음극은 흑연, 전해질은 젤리 타입의 고체 폴리머 사용
- 최대 전압 1 셀당 4.2 V, 기준 전압 3.7 v, 최저전압 2.7 V
- 대부분 300 ~ 400 회 충방전
- 가볍고 용량이 큼
- 자가방전율의 거의 없음
- 메모리 효과 없음
- 방전율이 높음
- 제조 직후부터 열화 시작
- 온도에 민감
- 충격에 약함
- 원하는 모양으로 가공 가능
- 최대 전압 이상 또는 최저전압 이하로 떨어지면 배터리 손상 가능
- 고온이나 직사광선으로 인해 화재가능
- 액체 상의 전해질보다 전도율 낮음
- 대부분 배터리 팩 형식으로 사용
- 과충전/과방전이 되면 안 되므로 반드시 보호회로와 함께 사용, 전용 충전기 사용
과충전 될 경우 전해질이 약간 중기화되여 부풀어 오름 -> 층간 박리 발생 -> 신뢰성 및 수명 하
- 충전 시 폭발 가능하므로 사람 없는 곳에서 충전 안 됨
- 배터리에 절대 구멍을 내면 안 됨
- 완충된 상태로 보관하면 안 됨, 상온에서는 3.8V로 보관
- 폐기방법은 소금물이 담긴 통에 전기선 담그면 방전, 그 후 페기
리튬 폴리머 배터리 팩은 아래 참조
2.5 리튬 인산철 (LiFePO4) 배터리
- 최대 전압 1 셀당 3.7 V, 기준 전압 3.3. V, 최대 방전 전압 2.2V
- 1000회 이상 충방전 가능
- 메모리 효과 없음
- 과충전 열에 강 -> 화제 위험 없음
- 무거움
- 용량이 적고 전압 강하가 많음
- 사용 전압이 리튬 폴리머보다 낮고 2.2 V 이하로 방전 시 배터리 손상 가능
2.5 기타
알칼리 망산 2차 전지, 수소전지, 태양열 전지, 공기아연 전지, 열전지......
3. 배터리 선택
드론 용 배터리는 거의 대부분 리튬 폴리머 배터리 팩을 사용한다.
이전에는 다른 배터리가 사용되기도 했다.
특히 리튬 이온 배터리 팩을 많이 사용했으나
전해액으로 이루어진 리튬 이온 배터리의 높은 폭발성 때문에
전해질이 젤 형태인 리튬 폴리머 배터리가 대체제로 개발되었고,
현재 거의 대부분의 드론에서 리튬 폴리머 배터리 팩이 사용되고 있다.
리튬 폴리머 팩 역시 여전히 폭발 위험성이 있으므로 사용 시 주의해야 하며,
리튬 이온 배터리 팩에 비해 용량이 낮고 수명이 짧다는 단점도 있다.
배터리의 전압은 모터의 속도, 즉 드론을 뜨게 하는 양력/추력에 직접적인 영향을 미치는데
그 이유는 일반적으로 드론에 사용되는 모터는 직류 모터인 브러시리스 모터(Brushless motor)인데
직류 모터는 배터리 전압의 크기에 비례해서 회전 속도가 증가하기 때문이다.
배터리를 선택하기 위해서는 제일 먼저 만들 드론의 형태와 목적을 결정해야 한다.
여기서 가장 중요한 것은 드론의 무게인데,
그 이유는 모터가 감당할 수 있는 최대 추력/양력에 제한이 있기 때문이다.
드론 무게를 고려해서 모터를 선택했다면,
그다음은 원하는 추력/양력을 생성하기 위한 모터 입력 전압을 찾고
필요한 모터 입력 전압에 맞는 배터리 팩의 용량을 결정하면 된다.
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