드론의 에너지원! 배터리에 대하여...

ED 콘텐츠 에디터 2018.03.12
0
3,654

대한민국 No.1 드론 웹 정보채널! 엔조이드론 운영자입니다.


이번에는 배터리에 대한 초보자가이드를 써볼까 합니다.


배터리는 드론의 에너지원이죠. 배터리가 없으면 드론은 움질일 수 없습니다. 오늘날 드론이라는 것이 이렇게까지 사용될 수 있는 것도 배터리 기술의 발전 덕분이라고 해도 과언이 아닐 정도로 배터리는 중요한 부품입니다.


드론을 추천해줄때 드론의 가격을 이야기하기가 애매한 것도 추가배터리 구입까지 생각해야 하기 때문이죠.


드론의 배터리는 충전시간에 비해 비행시간이 엄청 짧기 때문에 추가배터리를 구입하지 않으면 드론을 제대로 즐길 수가 없으니까요. 예를들어 완구용 미니드론 같은 경우는 충전시간 60분 정도에 비행시간은 5분 정도밖에 되지 않습니다.


가끔 지식인 같은곳에서 질문에 답변을 해드리다보면 "추가 배터리는 몇개나 구입해야 해요?" 라고 물어보시는 분들이 계시는데요. 그러면 저는 비행시간과 충전시간을 알려드립니다. 본인이 배터리가 몇개 있으면 얼마나 날릴 수 있겠다는 것을 판단할 수 있도록 말이죠 ㅎㅎ



 

완구용 배터리야 뭐, 3~4,000원 정도밖에 하지 않으니 배터리 추가구매가 그렇게 부담이 되진 않겠지만 촬영용 센서드론의 경우 배터리 하나에 20만원이 넘어가는 것도 있습니다 ㅠㅠ 배터리 가격이 어지간한 센서드론 가격이죠.


그렇다고 20만원씩 하는 센서드론 배터리는 비행시간이 엄청 길어지느냐하면 또 그렇지도 않습니다. 그래봐야 20~30분 정도죠. 그러니 구매하는데 아무래도 신경이 쓰일 수 밖에 없습니다. 특히 여행지 같은데 가서 날릴 목적으로 구입을 하시는 분들은 배터리를 최대한 많이 구입해야 하는데 그렇게 되면 얇아지는 지갑과 그에 따른 마누라의 등짝 스매싱을 감당할 자신이 없으니까요.



 

이렇게 많은 드로너들의 고민거리이자 골칫거리인 배터리.


지금부터 자세히 알아보도록 하겠습니다^^ 



1. 드론에 사용하는 배터리


결론부터 간단히 말씀드리면 드론에는 리튬폴리머 배터리가 쓰입니다. 줄여서 리포(Li-po) 배터리라고 부르기도 하죠.


과거에는 다른종류의 배터리가 쓰이기도 하였다고 하지만 현재는 대부분이 리포 배터리를 사용하고 습니다.


배터리에도 많은 종류가 있죠.


한번 쓰고 버리는 건전지에 사용하는 1차전지인 망간전지나 알칼리전지도 있고, 충전하여 다시 쓸 수 있는 2차 전지인 니켈-카드뮴(Ni-Cd)전지, 니켈수소(Ni-MH)전지, 납축전지, 리튬이온 전지, 리튬폴리머 전지 등등...


그 중 드론에 쓰이는 리튬폴리머 전지는 최근 휴대용 기기들에 많이 사용되고 있는 종류로 리튬이온 배터리 다음세대로 나온 배터리입니다. 리튬이온 배터리는 전해액으로 인한 폭발 위험이 크다는 단점이 있었기 때문에 이를 보완하려 개발된 것이죠. 


리튬폴리머 배터리는 전해질을 젤 타입으로 만들어서 폭발의 위험을 줄이고 얇고 다양한 모양으로 제작이 가능하여 휴대폰 같은데도 흔히 쓰이는 배터리가 되었습니다. 다만 리튬이온배터리에 비해 용량이 작고 수명이 짧은 단점이 있다고 하네요. 또한 리튬이온 배터리에 비해서 덜 위험할 뿐이지 리튬폴리머 배터리도 폭발위험이 있어 관리를 잘 해주어야 하고요.



 

특히 과충전에 의한 화재 위험이 있으니 주심하라는 경고문구는 드론을 한번이라도 구입해보신 분들은 보신적이 있으실 것 입니다. 또한 해외 직구를 할때도 배터리가 포함된 RTF, BNF 형태의 제품은 배터리가 포함되지 않은 ARF, PNP 제품에 비해 배송기간이 상당히 느려지게 되는데 이 또한 배터리가 위험물로 구분되기 때문이라고 하죠.



2. 배터리 스펙읽기


드론을 구성하는 모든 부품들이 그렇듯이 배터리에 대해서도 자세히 알기 위해서는 스펙을 볼 줄 알아야 합니다. 배터리 스펙을 볼 때 알아야 하는 것은 딱 세가지입니다.


전압 : V(볼트) 단위로 표기되는 수치입니다.

용량 : mAh(밀리암페어하우어) 단위로 표기되는 수치입니다.

방전율 : C단위로 표기되는 수치입니다.


먼저 전압을 보면 드론에 쓰이는 리포배터리의 경우 전압 수는 1셀당 3.7V짜리를 기본으로 씁니다. (우리가 흔히 쓰는 건전지 기준전압이 1.5V 이듯이...) 완충하면 4.2V정도까지 올라가기도 하고 방전 시 3.3V까지 낮아지기도 하지만 기준전압은 3.7V이므로 배터리 스펙을 표기할때는 3.7V로 표기하죠.


그리고 더 높은 전압을 요구하는 기체들은 배터리를 직렬로 연결하여(건전지 여러개 끼우듯이) 요구되는 전압에 맞게 공급을 해주기 때문에 배터리에 3.7V / 7.4V / 11.1V / 14.8V / 18.5V 등으로 전압을 표기해 놓습니다. 


따라서 전압값을 알면 배터리가 몇 셀짜리로 직렬연결되어 있는지도 알 수 있습니다. 아예 전압을 표기하지 않고 배터리 셀의 연결방식으로 표현하는 경우도 있습니다.


셀 연결방식은 S(serial 직렬), P(parallel 병렬)로 표기를 하는데 전압은 직렬로 연결 할 경우에 높아지는 것이죠. 그러니 1s, 2s, 3s, 4s 등으로 전압 표기를 대신하는 경우도 있다는 것입니다. 1s면 3.7V인 것이고 2s면 7.4V인 것이고... 이런식으로요.


P단위는 병렬로 연결하는 경우에 쓰는데 레저용 센서드론이나 레이싱드론은 병렬로 연결하는 경우가 거의 없으니 신경 안쓰셔도 됩니다. 간단하게 설명만 드리면 병렬연결은 배터리 용량이 합산됩니다. 용량 1,500mAh짜리 배터리 2셀을 2p로 연결하면 총 용량은 3,000mAh가 되는 것이지요.


용량은 배터리가 방전될때까지 얼마나 오랜시간 전류를 출력할 수 있는지를 나타내는 수치죠. 용량이 증가하면 당연히 비행시간이 증가하지만 배터리 크기가 커지고 무게가 증가하기 때문에 무작정 높은 용량의 배터리를 쓰는 것이 좋은건 아니겠죠 ㅎㅎ 모터출력과 기체 무게의 밸런스를 고려하여 들어올릴 수 있는 최적의 배터리 용량을 골라야 하는 것입니다. 시중에 나와 있는 드론들은 그렇게 해당기종의 모터와 무게를 고려한 배터리로 판매하고 있는 것이구요. (그렇다보니 같은 셀 수를 쓰는 기종의 비행시간도 거의 대동소이 합니다) 


방전율 C값은 배터리가 얼마나 고성능인지를 나타내는 수치라고 생각하시면 됩니다. 방전율과 용량을 곱한 값이 그 배터리가 공급할 수 있는 최대 출력이 되기 때문인데요.


예를들어 14.8V (4S) 1,600mAh 95C의 배터리가 있다고 하면 최대 1,600 X 95 = 152,000mA (152A)의 출력을 낼 수 있는 것이죠. 레이싱 하시는 분들은 아시겠지만 브러시리스 모터를 사용하는 일반적인 쿼드콥터 레이싱드론에는 ESC가 4개가 쓰입니다. 각 ESC의 요구 전력이 20A라고 했을때 ESC를 통해 모터를 움직이는데 80A의 전력이 요구되는 것이죠. 그러면 위의 배터리를 사용하면 완충 상태에서는 충분히 ESC의 최대 요구전력만큼 공급해줄 수 있습니다. (물론 ESC뿐 아니라 카메라, FC, 부저, LED 등에도 전력이 소요되지만 ESC를 통해 모터에 전달되는 전력량에 비하면 적은양이니 무시하고 생각합시다)


(FC, ESC 등 무슨말인지 모르시겠나요? → [드론 DIY 기초 - 부품구성 바로가기] )


하지만 비행을 하면서 잔여 배터리가 절반(800mAh)으로 떨어졌다고 가정해봅시다. 그러면  배터리 출력은 800 X 95 = 76,000mA(76A)가 됩니다. 즉, 남은 배터리 용량이 절반으로만 떨어져도 ESC에 최대 전력공급이 어려워지고 모터의 최대출력을 점점 낼 수 없게 되죠. 그리고 드론 무게를 들어올리기 위한 최소 출력에도 미치지 못할 경우 더이상 날 수 없게 되는 것입니다.



 

즉, 드론을 날릴때는 완전 방전때까지 배터리를 쓰는 일은 거의 없게 되는 것이죠. 배터리가 바닥나기 전에 출력이 점점 낮아지고 드론 무게를 들어올릴 수 없는 상태가 되어도 배터리는 조금 남아 있게 되는 것입니다. (센서드론 같은 경우는 배터리가 1/4정도 남은 시점에서 자동으로 "리턴홈" 기능을 발동시키는 기종이 많죠)


물론 그런 상태에서 드론을 끄지 않고 놔두면 완전방전을 시킬수도 있겠지만 일부러 그렇게 하는 사람은 없을 것이고, 또 그렇게 하는 것이 배터리 수명에도 좋지 않습니다. 


배터리 수명에 대한 이야기가 나온김에 배터리 관리 방법에 대해서도 설명을 해버려야겠군요 ㅎㅎ  



3. 배터리 관리시 주의사항


배터리 전압에 대해서 설명할때 기준전압은 셀 당 3.7V이지만 완충하면 4.2V까지도 올라가고, 방전되면 3.3V까지도 낮아진다고 말씀을 드렸습니다. 하지만 이렇게 기준전압보다 높거나 낮은 상태로 오래 지속되면 배터리가 부풀어 오르거나 영영 못쓰게 될 수 있습니다. 약 3.5V ~ 3.85V 정도를 항상 유지해주는 것이 배터리 수명유지에 도움이 된다고 전문가들은 말하죠.


그러면 어떻게 관리해줘야 우리 귀여운 애완드론의 중요한 단백질원(?)인 배터리의 생명연장의 꿈을 이루어줄 수 있을까요?


일단 가장 쉽게 생각할 수 있는 것은 충전시점입니다. 완충하여 셀당 4.2V에 육박하는 전압인 상태로 보관을 하게 되면 앞서 말씀드린대로 배터리가 주인 아재의 늘어진 뱃살처럼 부풀어 오를수가 있습니다. 주인 아재는 다이어트라는 최후의 보루가 있지만 배터리는 한번 부풀면 다이어트가 되지 않으니까요 ㅠㅠ 


그러니 충전은 "비행하기 전날" 하는게 좋다는 것이죠.


물론 비행직전에 하는 것이 가장 좋긴 합니다. 하지만 완구용 미니드론은 몰라도 4셀짜리씩 되는 센서드론의 경우는 충전시간만 몇시간씩 걸리는 것도 있는데, 그렇다고 비행시간과 딱 맞추어서 충전을 할 수는 없는 노릇이니까요 ㅎㅎ


적어도 전날, 전전날 정도에 충전을 해놓아서 완충 상태로 보관되는 시간을 줄이는 것이 우리가 할 수 있는 최소한의 노력인 것이죠.


그리고 비행할때도 배터리가 1/4 이하로 떨어지기 전에 비행을 완료하는게 좋겠죠. (보통 30% 정도 남기라고 많이들 이야기합니다만... 30% 남았는지 어쩐지를 어찌 알것이여 ㅠㅠ 그냥 센서드론의 경우 자동 리턴홈 될때까지만 날립시다? ㅎㅎ)


그런데 말이죠...


우리가 이렇게 관리를 위해 노력을 해도 배터리 수명이 짧아지는 경우가 있습니다 ㅠㅠ


바로 셀들간에 충전 밸런싱이 맞지 않는 경우인데요.


드론 배터리는 3.7V를 최소 셀 단위로하여 여러셀을 직렬연결하여 사용한다고 했습니다. 그런데 우리가 흔히 사용하는 충전기가 과충전 방지를 위해 완충되면 충전을 차단하는 기능을 가지고 있긴 해도, 모든 셀들이 똑같이 완충되었는지를 알 정도로 똑똑하지는 못합니다 ㅠㅠ 


즉, 완충 시 총 전압은 완충전압과 동일할지라도 각 셀들의 전압은 제각각일 수도 있다는 것이죠. 그 중에는 4.2V를 넘어서 셀이 파괴되어 부풀어버릴 위험도 있다는 것입니다.


이런 위험을 방지하기 위해서 나온 것이 "셀 밸런서" 또는 "밸런스 차저"(charger 입니다. 찰지다는게 아니구요;; 넵 ㅈㅅ..) 입니다.



 

밸런스 충전기는 말 그대로 각 셀별로 전압을 체크해가면서 똑똑하게 셀들에게 골고루 전기를 먹여주는 역할을 합니다. 드론을 날리고 난 다음에도 밸런스 충전기에 꽂아보면 어떤 셀이 더 많이 방전되었는지 체크도 할 수 있고요. 또 "스토리지 모드" 라는 것으로 보관에 최적화된 배터리량만 남기도록 충전을 해주기도 합니다.


그러니 배터리를 20~30개씩 가지고 계신 레이서분들은 밸런스 충전기는 거의 필수라고 할 수 있죠.


센서드론들은 고가의 기종같은 경우 인텔리젼트 배터리라고 해서 밸런싱 충전을 해주도록 세트로 판매하는 경우가 많으니 크게 신경쓸 필요는 없구요.


저가의 센서드론을 사용하시는 분들이나 완구용 드론 2s 이상짜리 배터리를 쓰시는 분들은 충전기 구입이 좀 망설여질 수도 있겠죠 ㅠㅠ 그래도 가능한 써주는게 좋습니다. (단호!) 과충전방지 장치가 있다고 해도 셀 밸런싱이 틀어지면 폭발이나 화재발생으로 이어질 수 있으니까요.


물론 사고방지는 우리가 드론을 구입할때 경고문구로 나와 있는것처럼 충전해놓고 주무시거나 외출하지 마시고, 반드시 사람이 있는 곳에서 하는 것이 가장 안전한 방법이긴 하지만요^^



4. 배터리 호환성


마지막으로 배터리의 호환성에 대해서 보겠습니다.


특히 완구드론을 구입하시는 분들이 가장 궁금해하시는 부분이 아닐까 싶네요 ㅎㅎ


센서드론은 어차피 해당 기종의 전용 배터리를 쓸테니 상관이 없을 것이고... 레이싱 하는 분들이야 뭐... DIY 전문가들이니까^^ 조립할때 자신이 많이 가지고 있는 배터리에 맞춰서 조립하면 호환이 되는 것이니까요 ㅎㅎ


완구드론을 구입할때 배터리 호환성도 중요한 요소가 됩니다. 앞서 말씀드렸듯이 완구드론도 충전시간 50분에 비행시간 5분 정도이니 추가배터리를 많이 구입하게 되니까 다른 완구드론을 또 살때 배터리까지 공유할 수 있으면 좋으니까요 ㅎㅎ


배터리 호환성을 볼때는 딱 세가지만 보시면 됩니다.


① 전압


스펙상에서는 전압만 보시면 됩니다. 당연한 이야기지만 전압은 반드시 딱 맞아야 호환이 됩니다. 3.7V짜리 1s 배터리를 쓰는 드론에는 1s배터리만 맞는 것이고 7.4V짜리 2s 배터리를 쓰는 드론에는 2s 배터리만 사용해야하죠.


방전율은 크게 신경쓰지 않으셔도 됩니다. 특히 방전율은 배터리의 성능이라고 말씀드렸으니 신경을 쓰시는 분들이 계신데 어차피 1s짜리 미니드론은 용량이 100~300정도 되는 배터리를 쓰기 때문에 출력이 거기서 거기입니다. 또한 완구용 브러시 모터는 ESC도 필요 없고 전력소모도 크지 않으니까요. 20C 30C든 별로 신경 안쓰셔도 됩니다^^ (뭐, 그래도 높은게 좋긴 하겠죠? ㅎㅎ)


② 모양, 크기, 무게


스펙에서 용량은 안봐도 되는지 의문을 가지는 분들도 계셨을지 모르겠네요.


용량은 크게 신경쓰지 않으셔도 됩니다. 비슷하거나 약간 큰 것은 호환이 될 것 입니다.


다만 용량이 너무 크면 배터리 부피가 크니까 배터리 자리에 안들어갈 위험은 있겠죠. 아니면 무게가 차이나서 날기 버거워 할 수도 있구요. (미니드론은 무게 몇 g차이에도 비행감이 달라집니다 ㅠㅠ)


또한 미니드론이라도 배터리 모양이 길고 가늘게 생긴것이 있고, 짧고 굵게 생긴것이 있고, 그렇게 다양합니다. 모양이 배터리 자리에 들어갈 수 있는 것 이어야 호환이 되겠죠? ㅎㅎ


③ 커넥터


결정적으로 배터리가 드론 본체에 전력을 공급해주는 선에 달린 커넥터 모양이 같아야 합니다. 드론에 붙어 있는 암컷과 배터리에 붙어 있는 숫컷이 끼워져야 전기를 공급해줄 수 있으니까요(당연한 이야기죠) 


물론 전압만 맞다면 커넥터 모양이 다른 것은 떼어버리고 맞는 것으로 교체해도 상관은 없습니다만... 완구용 드론을 구입하신 분들은 초보자인 경우가 많으니까 납땜 같은거 못하시는 분들이 많을 것 같아서요^^;; 그냥 커넥터 모양 같은걸로 삽시다 ㅎㅎ 


많이 쓰이는 드론 배터리의 커넥터 모양을 모아 봤습니다 ㅎㅎ 구입하실때 참고하시구요.



 

그럼 여기까지! 배터리에 대한 초보자가이드를 마치겠습니다^^


긴 글 읽어주셔서 감사합니다~


다음에도 더 유익한 내용으로 찾아뵙겠습니다~ 안비하셔요^^ 

  • 등록된 댓글이 없습니다.