By Lauren Nagel
시중에는 수백 종류의 드론 배터리가 있어 제작하려는 드론에 적합한 제품을 선택하기 어려울 수 있습니다. 가장 큰 어려움 중 하나는 용량, 방전율, 셀 구성 등 배터리에 표시된 수많은 성능 지표를 해석하는 것입니다.
드론에 적합한 배터리를 선택하면 성능을 향상할 뿐만 아니라 배터리 수명도 늘릴 수 있습니다. 모터와 프로펠러처럼 배터리도 결국 수명이 다하지만, 올바른 제품을 선택하고 안전하게 사용하면 수명을 연장할 수 있습니다.
이 글에서는 다음 내용을 다룹니다:
- LiPo 배터리란 무엇인가
- LiPo 배터리 안전
- LiPo 배터리 읽는 방법
- LiPo 배터리 용량
- 배터리 전압 정격
- LiPo 셀 구성
- 방전율 / C 정격
- 드론에 적합한 LiPo 배터리 선택 방법
- 예시 - 최대 비행시간을 위한 적합한 배터리 선택
그림 1: Otus 쿼드콥터 드론에 사용된 LiPo 배터리 팩
LiPo 배터리란 무엇인가
드론에 가장 흔히 사용되는 배터리는 리튬 폴리머(LiPo) 배터리입니다. LiPo 배터리는 폴리머 전해질로 분리된 리튬 기반의 양극과 음극으로 구성됩니다.
LiPo 배터리는 액체 전해질 대신 고체 폴리머 전해질 성분을 사용한다는 점에서 다른 리튬 이온(Li-ion) 배터리와 다릅니다. 일반적인 폴리머 전해질로는 건식, 다공성 또는 젤 형태가 있으며, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 등이 있습니다.
LiPo 배터리의 작동 원리는 다른 리튬 이온 배터리와 동일합니다. 전자가 배터리의 음극에서 양극으로 이동할 때 화학 에너지가 전기 에너지로 변환되어 전류가 발생합니다. 양극에는 리튬 금속 산화물(리튬 코발트 산화물(LiCoO2) 등)이 포함되어 리튬 이온을 제공하고, 음극에는 리튬 탄소(흑연 등)가 포함되어 있습니다.
음극과 양극은 전해질로 분리되어 있으며, 전해질은 음극과 반응하여 전자를 생성하고 셀 내부에 전하 구배를 형성합니다. 음극이 음전하를 띠게 되면 전자는 도선을 따라 양극으로 이동합니다. 따라서 전체 시스템은 전기화학적 산화환원 반응(환원/산화)을 거칩니다. 음극은 전자를 잃고 산화되며, 양극은 전자를 얻어 환원됩니다.
그림 2: LiPo 배터리 산화환원 반응
리튬 기반 배터리는 니켈-카드뮴 또는 니켈 수소 배터리에 비해 에너지 밀도가 높아 더 적은 무게로 더 많은 에너지를 공급할 수 있습니다. LiPo 배터리는 에너지 밀도 면에서 리튬 이온 배터리에 필적하지만, 누출 가능성이 낮아 특히 인기가 많습니다.
LiPo 배터리의 에너지 밀도는 무게 대비 140~200+ Wh/kg, 부피 대비 250~350+ Wh/L 범위입니다. 드론 제작 시 배터리가 프레임에 맞도록 부피당 에너지 밀도를 고려해야 하지만, 성능 계산에는 무게 대비 에너지 밀도가 더 중요합니다. 밀도가 높을수록 비용도 비싸지므로 예산이 제한 요인이 될 수 있습니다.
그림 3: 일반 배터리 유형의 부피 및 무게 대비 상대적 에너지 밀도(이미지: Open Impulse)
드론용으로 곧 LiPo 배터리에 필적할 기술로 주목받는 것은 Sion Power의 Licerion 배터리입니다. 이 배터리는 최대 500 Wh/kg 및 1000 Wh/L의 에너지 밀도를 자랑합니다. 또한 다른 리튬 이온 배터리에 비해 액체 전해질 부피가 50% 적습니다. 특히 고고도 가상 위성(HAPS) 및 고고도 장기 체류(HALE) 드론과 같은 무인 항공용으로 특별히 설계되었습니다.
추가 읽을거리: 드론 및 UAV 유형
LiPo 배터리 안전
LiPo 배터리는 내부 화학 구조로 인해 구형 기술보다 화재 및 부풀어 오름의 위험이 더 큽니다. 배터리를 한계치 이상으로 작동하면 산소 원자가 축적되고 산화리튬(Li2O)이 쌓여 내부 저항이 커질 수 있습니다. 내부 저항이 커지면 열이 더 많이 발생하고 열 폭주 사이클이 시작됩니다.
배터리 팩이 부풀기 시작하면 배터리가 수리할 수 없을 정도로 손상되었거나 수명이 다했다는 좋은 신호입니다. 이 시점 이후에도 계속 사용하면 온도가 더욱 상승하고 화재로 이어질 수 있습니다.
일반적인 LiPo 배터리의 공칭 전압 또는 평균 전압은 셀당 3.7 V이며 최대 전압은 셀당 4.2 V입니다. 셀이 완전히 충전되면 잠시 4.2 V을 유지하다가 배터리 수명의 대부분 동안 3.7 V으로 떨어집니다. 셀 전압이 3.2 V 미만으로 떨어지면 배터리 내부 저항이 증가하여 열이 발생하고 부풀어 오르며 손상을 입히므로 배터리를 방전하는 것은 위험합니다.
그림 4: 화재가 발생한 LiPo 배터리(출처:alishanmao)
이를 방지하기 위해 많은 모터 제조업체는 제어 장치에 저전압 차단(LVC) 기능을 추가하여 보통 3.2~3.4 V 범위의 특정 임계값 이후에는 충전을 중단하도록 했습니다. LiPo 배터리를 과충전하는 것도 똑같이 위험하며 과열 및 심지어 폭발을 초래할 수 있습니다.
리튬 이온 배터리 화재는 B급 가연성 액체 화재로 분류되므로 ABC 또는 BC형 소화기를 사용하여 진화해야 합니다. 이 소화기는 화학 반응이 계속되는 것을 막고 결국 불을 끕니다.
LiPo 배터리 안전에 대한 더 많은 팁을 보려면 The Drone Girl의 “모든 LiPo 배터리 사용자가 알아야 할 15가지” 기사를 확인해 보세요.
LiPo 배터리 읽는 방법
LiPo 배터리에는 배터리 용량, 전압, 셀 구성 및 방전율을 포함한 몇 가지 중요한 정보가 표시되어 있습니다(그림 15): 
그림 5: 일반적인 LiPo 배터리 라벨
LiPo 배터리 용량
배터리 용량은 mAh 또는 Ah로 표시되며 비행시간을 추정하는 데 사용할 수 있습니다(이에 대해서는 나중에 더 자세히 다룹니다). 배터리 용량은 더 구체적으로 배터리가 공급할 수 있는 전류 또는 전력의 시간으로 정의됩니다. 일반적인 단위는 암페어시(Ah)와 와트시(Wh)입니다. 배터리 용량이 1 Ah이면 1시간 동안 1 A의 전류를 끌어쓸 수 있습니다. 용량이 1 Wh이면 배터리는 1시간 동안 1 W의 전력을 공급합니다.
배터리 전압 정격
배터리 전압 정격을 통해 모터 속도와 전류를 결정할 수 있습니다. 모터는 RPM/V 단위의 Kv로 정격되므로 배터리가 공급할 수 있는 전압이 모터의 회전 속도를 결정합니다.
추가 읽을거리: 브러시리스 모터 Kv 계산 방법
전압 정격이 너무 낮거나 끌어쓰는 전류가 너무 높으면 회로가 손상되거나 화재가 발생할 수 있으므로 배터리 전압을 신중하게 선택해야 합니다. 드론이 끌어쓸 최대 전류를 결정하려면 추진력 테스트 스탠드에 모터와 프로펠러를 장착하고 최대 스로틀로 작동합니다. 100% 스로틀에서 기록된 전류는 모터가 끌어쓸 최대 전류를 알려주므로, 이 값에 모터 수를 곱해 드론의 총 전류 소모량을 구합니다. 과열을 방지하려면 배터리는 최소 이 정도의 전류를 공급할 수 있어야 합니다.
배터리에서 끌어쓸 수 있는 최대 전류를 결정하는 또 다른 방법은 Ah 용량에 C 정격을 곱하는 것입니다. 5800 mAh/5.8 Ah 및 25C 연속 정격 배터리의 경우 안전하게 끌어쓸 수 있는 최대 전류는 145 A(5.8 x 25 = 145)입니다.
LiPo 셀 구성
셀 구성은 때때로 라벨에 표시되며 배터리 내 LiPo 셀의 수와 배치를 설명합니다. LiPo 셀 하나는 공칭 전압이 3.7 V이며 여러 LiPo 셀을 직렬로 연결할 수 있다는 점을 기억하십시오. 4S 배터리는 네 개의 LiPo 셀이 직렬(S)로 연결되어 14.8 V 배터리(4 x 3.7 V = 14.8 V)를 제공합니다. 배터리에는 4S2P와 같은 코드가 있을 수도 있는데, 이는 네 개의 셀이 직렬로 연결되고 두 개의 셀 세트가 병렬(P)로 연결되어 총 여덟 개의 LiPo 셀로 구성되어 있음을 의미합니다.
방전율/ C 정격
방전율 또는 C 정격은 배터리가 안전하게 방전될 수 있는 속도를 측정한 값입니다. C 정격이 25이고 용량이 5800 mAh/5.8 Ah인 배터리는 배터리 용량의 25배인 25 x 5.8 = 145 Ah로 안전하게 방전할 수 있습니다. 해당 비율로 연속 전력을 공급하면 5.8 Ah 배터리는 2.4분((5.8 / 145) x 60 = 2.4) 만에 방전될 수 있습니다. 배터리에는 갑작스러운 상승이나 보정 중에 과열되지 않고 짧은 시간 동안 정격 출력을 초과할 수 있는 범위 또는 '피크' 방전율이 있을 수도 있습니다. 높은 C 정격은 갑작스러운 속도 향상이 필요한 드론 레이싱과 같은 응용 분야에 적합하며, 배터리가 필요한 전류를 매우 빠르게 공급할 수 있기 때문입니다.
드론에 적합한 LiPo 배터리 선택 방법
드론에 가장 적합한 배터리는 사용 목적에 가장 잘 맞는 제품입니다. 비행시간이 가장 중요한 경우 무게를 줄이고 배터리 용량을 최대화해야 하며(식 1), 이는 에너지 밀도와 무게에 따라 달라집니다(식 2).
여기서:
E = 용량
σ = 에너지 밀도
M = 무게(g)
전력과 속도가 가장 중요한 경우, 과열 없이 많은 전류를 빠르게 공급할 수 있는 배터리가 필요하므로 높은 전압과 C 정격을 찾아야 합니다.
각 배터리 변수가 성능에 미치는 영향은 다음과 같습니다:
배터리 용량
- 용량 증가 → 비행시간 증가 → 무게 증가
- 배터리 용량을 늘리면 비행시간이 늘어나지만, 배터리 무게가 증가함에 따라수익은 점차 감소합니다(그림 6)
- 여러 배터리를 테스트하면 최대 유효 용량을 찾을 수 있습니다
추가 읽을거리: 드론의 비행시간 및 양력 용량 늘리는 방법
그림 6: 드론 비행시간 대 배터리 용량
전압
- 전압이 높은 배터리는 모터를 더 높은 RPM으로 회전시키므로 원하는 회전 속도 범위에 맞는 전압을 찾으십시오
- 전압이 높은 배터리는 효율이 좋은 경향이 있지만 더 무겁기도 하므로, 추력 테스트의 효율 수치를 참고하여 균형을 찾으십시오
방전율/ C 정격
- 사용 목적에 따라 정격을 선택하십시오 - 고속 및 빠른 전류 공급 대 지속적인 저전력
- 방전율이 너무 낮으면 드론의 출력이 부족하고 성능이 저하됩니다
- 방전율이 너무 높으면 불필요한 무게를 추가로 부담하게 됩니다
전류 소모량
- 앞서 언급한 방법을 사용하여 모터의 전류 소모량을 결정하십시오
- 과열을 방지하려면 배터리는 드론이 끌어쓸 전류만큼 또는 그 이상을 공급할 수 있어야 합니다
예시 - 최대 비행시간을 위한 적합한 배터리 선택
적합한 배터리를 선택하는 과정을 보여주기 위해 농업용 드론을 제작하는 예시를 사용하겠습니다. 이 드론은 긴 비행시간이 필요하지만 빠른 순간 출력이 필요하지는 않습니다. 결정을 내리는 데 참고하기 위해 추진 시스템에 대해 수집한 데이터를 사용하겠습니다.
드론의 총 무게를 관리 가능한 수준인 20kg으로 유지하면서 가능한 한 용량이 큰 배터리를 선택하고자 합니다. 다른 부품의 무게는 12.5kg이므로 배터리에 사용할 수 있는 무게는 7.5kg입니다.
드론이 대부분의 작업을 수행하는 호버링 상태를 유지하려면 총 196N의 추력이 필요하며, 이는 모터/프로펠러 조합당 약 50N에 해당합니다: (20)*(9.81) / 4 = ~49N. 설계상 드론이 호버링 추력의 최대 두 배까지 작동할 수 있도록 하므로, 추진 장치당 최대 100N이 필요합니다.
모터 제조업체에 따르면 모터의 최대 연속 전류는 100A입니다. 최대 용량으로 작동할 경우 모터 4개에 곱하면 배터리는 최소 400A의 연속 전류를 공급할 수 있어야 합니다.
그러나 모터의 추력 데이터를 살펴보면 호버링 추력의 두 배(100N)에서 각 모터는 약 27A만 끌어쓰는 것을 알 수 있습니다(그림 7). 모터 4개에 곱하면 드론은 대부분의 임무 동안 총 108A 이상을 끌어쓰지 않습니다.
그림 7: 전류 소모량 대 모터 추력
전압의 경우 모터 제조업체에서 제공한 데이터는 없었지만, 추진 테스트 결과를 살펴보면 작동 범위 내에서 모터가 45~49V를 소모했음을 알 수 있습니다(그림 8).
그림 8: 드론 작동 범위에서의 전압 대 추력
드론에 폭발적인 속도는 필요하지 않으므로, 최소 방전율 25C, 무게 7.5kg 미만의 14S / 51.8V 배터리를 찾을 것입니다.
다음은 이 설명에 부합하는 세 가지 후보입니다:
표의 예상 비행시간 값을 계산하기 위해 수정된 식 2를 사용했습니다. Ah를 47V로 곱하여 Wh로 변환했으며, 프로펠러 효율에는 10g/W의 고정값을 사용했습니다:
이러한 결과를 바탕으로 배터리 C가 가장 긴 비행시간(33분)을 제공하며, 무게 제한을 초과하지 않습니다. 이 배터리에서 인출할 수 있는 최대 전류는 550A(22Ah x 25C = 550)로, 모터의 최대 인출 전류를 초과합니다. 따라서 제작에는 배터리 C를 사용할 것입니다.
결론
드론에 적합한 배터리를 선택하면 성능, 비행시간 및 지속 시간을 향상하는 데 도움이 됩니다. 이 과정은 배터리 용량, 방전율, 전압과 같은 배터리의 다양한 특성을 이해하는 것에서 시작됩니다.
그런 다음 제작의 우선순위를 결정할 수 있습니다. 가능한 한 가장 긴 비행시간이 필요한가요, 아니면 강력한 순간 출력을 낼 수 있는 능력이 필요한가요? 이 모든 것은 드론을 어떻게 사용할 계획인지에 달려 있습니다.
마지막으로, 추진 시스템을 테스트하면 후보를 좁히고 작업에 가장 적합한 배터리 팩을 찾을 수 있습니다.
추가 읽을거리: 드론 제작 및 최적화 전자책: 비행시간, 페이로드 및 전반적인 효율성 향상 방법
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