→원통형 리튬이온 배터리는 공칭 전압이 3.7v인 배터리가 주를 이루고 있습니다 (그외 리튬전지의 경우 공칭전압이 3.6v~3.8v사이 제품이 판매되어 나오고는 있으나 보호회로가 없는 원통형 리튬이온 배터리의 거의 대부분은 3.7v 제품이라고 보시면 됩니다. 아래는 배터리 속에 포함된 배터리 보호 회로의 모습입니다.
※공칭전압이란? 충전 및 방전 상황에 따라 전압이 변하는 경우에 정해놓은 대표전압 또는 기준전압을 말합니다. 배터리의 경우 공칭전압은 보통 만충전압과 방전 중지 전압의 대략적인 중간 값으로 정합니다. 18650 리튬이온 배터리의 경우 만충전압이 4.2v 이며, 중지 전압은 3.0v 정도 입니다.(제조사에 따라 0.1~0.2v 차이가 있음). 만약, 3.0v 이하로 지속적으로 방전을 시킬 경우, 약 2.5v 정도까지 방전 되면 더 이상 재충전이 불가한 상태가 됩니다.따라서 배터리 보호회로는 과충전 방지와 과방전 방지 기능을 넣은 것으로서, 과방전 방지 기능을 통해 3.0v이하로 전압이 떨어지면 자동으로 출력을 차단하는 기능입니다.과충전의 경우 4.2v 만충전압을 넘어 지속적으로 충전이 되면 폭발할 위험성이 있습니다.또한 +, - 두 극을 합선 시킬 시 역시 불꽃이 튀면서 화재 및 폭발의 위험성이 있으니 리튬이온 배터리의 경우 꼭 사용상의 주의가 필요합니다. 또한, 과충전보호회로가 달린 배터리라 하더라도, 확률은 크지 않지만 보호회로가 망가지거나 불량이 될 경우, 화재의 위험성이 있으므로, 장시간 자리를 비운 상태에서는 충전을 삼가는 것이 좋습니다.
이미지 : [대전시 소방본부 제공=연합뉴스]
리튬이온 배터리의 보관은 직사광선을 피하고, 습기 없는 곳에서 사용과 보관하여야 하며, 여름철 차량내 방치 금지이며, 장시간 보관 시 80%수준 충전된상태(공칭전압의 조금 상회하는 정도)로 충전하여 보관하는 것이 좋으며 약 3개월 정도마다 한 번씩은 충전해주면 오래 사용할 수 있습니다. 리튬이온배터리는 메모리 효과가 없는 배터리 이므로 절대 완전 방전까지 사용하지 말고 그때 그때 충전해 주는 것이 좋습니다.( 메모리 효과 : 니켈 계열 배터리의 경우 충전된 전기를 모두 소진하기 전에 다시 충전하게 되면 다 사용하지 못한 지점으로 용량의 한계를 기억해 버리는 현상을 말하며, 이런 유형의 배터리는 <완전충전↔완전방전> 형태로 사용하는 것이 좋습니다)
이미지 출처 : Devicemart.co.kr
배터리의 폐기는 절대 구멍을 내어 버리는 것은 금물이며 배터리를 소진 시킨 후 소금물에 담그거나 하여 완전 방전을 시켜, 반드시 배터리 전용 수거함으로 배출시켜야 합니다.
배터리의 이름인 18650의 이름은 : 직경mm + 높이mm + 0(원통형)을 나열한 것으로 18650이라는 이름으로 하여금 이 배터리는 '직경18mm, 높이 65mm, 원통형'의 배터리라는 것을 알 수 있습니다.
※ 주의! : 18650과 같은 리튬배터리는 직접적인 합선(쇼트)이나 회로내에서의 합선 등에 의해 불꽃과 소폭발의 가능성이 있는 제품이므로 다루실 때 충분한 주의와 사전지식이 필요하니 주의하시기 바랍니다.
【배터리와충전】 18650 BMSPCM 리튬배터리 +TP4056 충전모듈 1S2P 2S1P 개념에 대하여 정리
최근 18650 배터리는 강력하고 충분한 전류용량과 착한 가격 등으로 인해 크고 작은 공작회로나, 무선으로 작동되는 기기의 전원으로 많이 각광받고 있는 배터리인데요. 하지만, 18650의 주요 성분은 리튬이온으로 구성되어 있고, 이는 과충전이나 과방전이 되면 화재, 폭발, 사용불능 등의 문제가 있기 때문에 관련 보호회로 등의 모듈을 장착하여 안전하게 사용할 수 있도록 하는 것이 중요합니다. 하지만 PCM, BMS, 1S 2P, 2S 2P, 직병렬 사용시의 조합이나 구성 등의 개념이 정리되어 있지 않으면 직접 DIY하기에는 어려운 부분이 있어 개념적인 정리를 도와드릴까 합니다.
예를 들어, 리튬이온전지의 한 종류로 가장 많이 사용하는 것 중이 18650이라는 것이 있습니다. - 18650 자체가 이름인데, 가로(직경) 18mm X 높이(길이) 650mm 여서 18650이라는 이름이 붙여졌습니다. (충전 보호회로 높이 없는 모듈 길이) 마찬가지로 최근에 출시되고 있는 모듈중에 하나로 길이가 3cm 짧은 18350이 있습니다.
18650과 18350 사이즈 비교
- 18650의 경우 보통 완충 전압이 4.2V에 3000mA 정도의 용량을 가지는데, 베터리를 직렬로 연결하면 전압(V-볼트)만 연결한 만큼 높아집니다.(전류 용량은 그대로) 이렇게 18650 두 개를 직렬로 연결한 것을 2S라 하고 S는 직렬(Serial)을 의미합니다. 4.2V+4.2V= 8.4V가 됩니다.
- 18650 배터리를 병렬로 연결하면 전류(A-암페어)가 연결한 만큼 높아집니다.(전압은 그대로) 이렇게 18650 두 개를 병렬로 연결한 것을 2P로 표시하고 P는 병렬(Parallel)을 의미합니다. 용량이 3000mA(= 3A)배터리라면 3A+3A= 6A 암페어가 됩니다.
- 예를 들어, 3S10P 라고 되어 있으면, 3개를 직렬(S)로 연결한 것을 10개 병렬로 연결해(전기적으로) 놓은 묶음을 말합니다. 이때의 배터리팩의 용량은 12.6V 전압(4.2x3)에, 전류 30A (3Ax10) 가 됩니다.
( 일반적으로 사용되는 18650 3.6~3.7V 스펙 배터리를 기준으로 설명 드립니다. 실제 출력은 3.7V 이상 나올 수 있으며, 보통 완충을 위한 전압은 4.2V 정도를 사용합니다.)
일반적으로 18650 충전을 위해서는 3.7V 보다 높은 4.2V(완충전압) 정도의 전압으로 충전하게 됩니다. 하지만 충전시 이 전압(4.2v) 이상을 넘어서는 전압이 유입 되지 않토록 과충전 보호기능이 필요하게 됩니다.
또한 리튬이온 배터리 특성상 2.5V 이하로 방전이 되면 배터리 기능이 현저히 저하되어 일반적인 성능을 기대할 수 없게 되는데요, 이를 위해 출력(방전) 전압이 2.5V 이하가 되면 출력을 차단하는 과방전 방지 기능이 필요하게 되죠.
이 두가지의 주요 기능이 들어 있는 회로를 PCM회로 라고 합니다.
아래 사진에 보이는 것 처럼, 위 사진속의 보호회로 있는 18650 배터리에 이런 PCM회로가 들어가 있습니다.
그리고 위의 PCM 보호회로가 없는 18650을 DIY회로에 직접 연결해서 사용할 수 있는 PCM내장형 18650소켓도 이렇게 판매되고 있어요. 하나는 3.7V 입출력(충방전)이 되는 PCM 1S2P 2구 소켓 이고, 하나는 7.4V 입출력(충방전)이 되는 PCM 2S1P용 2구 소켓입니다. (현재 옥션 등에도 판매중 http://itempage3.auction.co.kr/DetailView.aspx?ItemNo=A544086734&frm3=V2 ) 1S2P , 2S1P 에서 S는 Serial(직렬 연결), P는 Parallel(병렬)을 의미 합니다.
그리고 아래와 같은 여러셀을 위한 DIY용 PCM(BMS)도 있습니다.
일반적으로 판매하고 있는 제품 중에 저가형(PCM)의 경우 BMS도 같이 병기해서 판매하고 있지만, PCM기능이 주요 기능이며, BMS기능이 제대로(충실히) 적용 되지 않을 수도 있습니다.
[ 2. BMS ] (Battery Management System) 의 약자로서 주요 기능은 아래와 같아요.
- 병렬로 연결된 배터리 들의 전압과 충전상태를 체크해서 배터리 셀당 충전이나 방전이 고르게 이루어 지도록 해주는 기능이 핵심 기능인데요. ( 충방전 밸런스 기능)
- 이와 함께 보통, 과충전 과방전 과전류 등의 보호 기능도 들어 있는데요, 과전류 또는 단락시(합선) 연결을 차단하는 등의 일반적인 기능을 말합니다.
BMS의 핵심기능인 밸런스 기능은 18650을 직렬로 연결했을 때 필요한 기능 이므로, 만약 18650 2셀(cell)을 병렬로(3.7V) 연결 사용해서 충방전 할 때는 크게 의미가 없는 기능입니다. 하지만, 모듈을 사용하면 안 되는 것은 아니며, 이럴때는 좀더 가격이 저렴한 PCM모듈 정도를 사용하면 됩니다.
- BMS의 밸런싱 기능에 대해 좀더 설명 드리면, 이 기능이 무조건 필요하다기 보다는, 병렬로 연결된 여러셀을 충방전 하면서 사용하다 보면, 충전이 고르게 되지 않을 경우 셀 중 1~2개는 방전이나 충전이 빨리 되거나 하여 수명이 일찍 다 되어 교체를 해주어야 하는 경우가 생길 수 있기 때문에 , 스폿 용접이나 패키징이 완전히 되어 있는 그래서 부분교체가 힘든 노트북 배터리 셀과 같은 배터리 팩에는 반드시 집어 넣게 됩니다.
- BMS는 연결되는 배터리 수량과 충전 용량(전류)에 따라 다양한 모듈이 나와 있으니 스팩을 확인하여 구매후 사용해야 합니다.
BMS 적용 배터리팩 제작 예시
참고로 같은 보드회사에서도 PCM 보드와 밸런싱 기능이 있는 BMS 보드를 판매하고 있는데요, 아래 사진에서 볼 수 있듯, 밸런싱용 부품이 더 들어가 있습니다.
연결은 똑같이 하면 됩니다.
그리고 그냥 전압만 맞추어 주면 되는 것이 아니라, 입력되는 전류도 과전류가 유입되지 않도록 제한되어 충전해 줄 수 있는 전용 충전기가 필요해요. 예를 들면, 두개 직렬 충전 8.4V BMS를 사용할 경우 아래와 같은 8.4V 출력의 아답터나 전용 모듈을 이용해야 안전합니다.
보통 3.7V 두개를 직렬 연결하면 7.4V 이지만, 개당 완충전압을 기준으로 해야 함으로 완충전압 4.2V 기준으로 두개 직렬 연결이면 8.4V이므로 리튬두개 2S 연결은 아래와 같은 8.4V의 전용 충전기가 필요합니다.
완충 목표 전압을 고정시키고 충전 전류를 오버하지 않고 되도록 일정하게 넣어준다고 보시면 됩니다.
18650 보호회로에 들어 있는 주요 기능과 같으며, 따라서 주로 비보호회로 18650 셀을 가지고 소규모 공작물을 만들 때 사용하게 됩니다. 즉, 주요 기능은 과충전, 과방전, 과전류 또는 단락시(합선) 연결을 차단하는 등의 기능이 있는 모듈입니다. 따라서, 여러개의 배터리에 충방전을 고르게 시켜주는 BMS와 같은 기능은 없습니다. 물론 보호회로가 있는 18650을 사용해도 무방하나 단가가 조금더 높아지겠지요.
또한 개당 용량(1A)이 크지 않아 18650셀 하나당 TP4056 하나만 연결해서 사용해야 문제가 생기지 않습니다.
따라서, 여러개의 셀을 사용할 때는 아래 처럼 TP4056 모듈을 각각 추가해 주어야 합니다.
또한 , 전자 키트나 공작물 DIY를 하다보면, 5V가 필요한 키트에 3.7V 18650 배터리 하나만 사용해서 작동도 되고 충전도 되게 하고 싶을 때가 생기는데요, 이럴 때는 아래처럼, 18650의 3.7V 출력을 5V 정격 출력으로 승압(전압 UP 업) 시켜주는 모듈을 사용해서 연결해 주면 됩니다.
18650 1개가 들어가는 소형 보조배터리를 뜯어 보면 딱, 이와 같은 구조로 되어 있어요.
TP4056 보호기능과 5V 전압 업 기능이 합쳐진 134N3P 이라는 이름의 아래와 같은 스텝업 모듈을 사용합니다.
134N3P 스텝 업 모듈
만약, PCM이나 BMS 모듈을 여기에 덧붙여 사용하게 되면 충방전 보호 과전류 방지 기능이 당연히 포함 되어 있으므로 TP4056은 추가적으로 사용할 필요 없게 됩니다. 만약 추가 연결하여 사용하게 되면 추가적인 열, 에너지 손실 등 오히려 효율이나 성능이 떨어질 수 있습니다.
태양전지 충전판을 이용해서 충전과 함께 5V 출력을 얻어 내는 회로는 아래와 같으니 참고해보세요.
아래 회로에서 tp4056은 과충전방지회로가 없는 타입을 사용했지만, 과충전방지회로가 있는 타입 또한 Out+, - 단자를 이용해서 같은 연결로 사용하면 됩니다.
시계를 예로 들면, 일반적인 아날로그 시계는 시침과 분침 초침 모두 시간이 이동 되는 진행하는 과정을 모두 목격할 수 있으며 연속적인 흐름을 나타낸다. 반면에 디지털 시계는 1시에서 2시로 넘어 갈때 중간 값을 나타내지 않고 바로 숫자값이 변한다. 분과 초도 마찬가지이다. 따라서 디지털은 불연속적인 값을 나타내는 특징의 차이가 있다.
- '불빛'을 예로 들면, 디지털에는 전등이 켜지거나 꺼져 있는 On 과 Off 만 존재한다.
하지만 아날로그 세계에서는 꺼져 있음에서 점점 밝아 져서 최대 밝기의 켜짐까지 그 중간 값들이 연속적으로 존재하는 것이다.
2. 아두이노를 다룰 때, 이런 연속적인 아날로그신호와 비연속적인 디지털신호에 대한 개념과 처리되는 방법에 대해 이해할 필요가 있다.
- 아두이노와 같은 마이크로프로세서 보드는 근본적으로 아날로그가 아닌, 디지털로 처리되어 지는 보드이다.
- 하지만, 전등을 켜고 끄기만 하는 것이 아니라, 그 사이값으로 밝기를 조절하거나, 모터에서도 멈춤과 최대속도 동작 뿐 아니라 그 사이값으로 속도 조절이 필요 한 경우들이 많이 있음을 알게 된다.
- 따라서 디지털 신호 처리 보드에서 아날로그 적인 동작을 하도록 처리를 해주는 제어가 필요한데, 이때 필요한 것이 PWM(Pulse width modulation) 이라는 개념이다.
3. PWM(Pulse width modulation) 이란?
: 디지털 신호인 펄스를 이용해, High 레벨의 신호 크기(진폭을)를 변화 시켜 아날로그에 해당되는 신호 레벨을 구현시켜 주는 변조 방식을 말한다. 아래 이미지를 보면, 아날로그 신호의 전압 값이 높을 때, 디지털 신호의 HIGH 레벨의 길이가 길고, 아날로그 신호의 값이 낮을 때 (High레벨)디지털 펄스 폭이 좁은 것을 알 수 있다.
4. 아두이노에서 아날로그 출력 처리는?
: 위에서 설명한 개념처럼 아두이노에서 아날로그 형태의 출력 값(신호)을 처리해 주기 위해 PWM 이라는 방식을 이용한다. 즉 LED가 점점 밝아지게 하거나 점점 어두워지도록 조절하려고 할 때, High(Low)레벨의 변화를 주는 PWM 출력을 이용한다. 동일 시간 대비 High레벨(출력전압)이 많을 수록 LED가 밝게 되고, High레벨이 적을 수록 LED를 어둡게 조절 할 수 있게 되는 것이다.
- 하지만, 모든 아두이노 포트가 이런 PWM 출력이 가능 한 것은 아니고, 일부 정해 놓았다.
아두이노의 디지털 포트 중(우노UNO보드 기준), 아날로그 형상인 '~' 물결 모양이 새겨진, ~3, ~5, ~6, ~9 , ~10, ~11 포트가 바로 PWM출력 기능이 있는 포트이다.
5. analogWrite() 함수 :
해당 포트에서 PWM 형태의 아날로그 출력을 사용하도록 해주는 아두이노 함수가 바로 analogWrite() 함수이다.
아두이노 우노에서는 기본(8bit)여서 2^8 인 256(0~255) 값으로 analogWrite() 함수의 옵션 값을 넣어 출력을 제어 할 수 있다.
[ 실습예제 ]
: 아두이노에 LED를 연결한 후, 점점 밝게 켜지게 하고, 최대밝기에 다다르면 다시 점점 어둡게 조절하라. 그리고 이 동작을 반복하도록 코딩하라.
- LED 연결 (PWM 출력기능이 있는 11번 포트에 LED+ 리드선을 직접 연결 하라)
- 옴의 법칙을 다루는 중요한 이유는 전압과 전류와 저항과의 관계를 이해하는 것이 중요하기 때문입니다.
- 코딩도 물론 중요하지만, 아두이노를 다루고자 할때, 전자 부품과 회로에 대한 이해도 매우 중요합니다.
- 전기라는 것은 마이너스(-) 전자 알갱이가 플러스(+) 전자 영역을 향해 이동하는 과정에서 발생하며, 흔히 전기(전류)의 흐름을 +플러스 에서 (-)마이너스로 흐른다고 정의하고 있지만, 실제로는 (-)전자가 마이너스에서 (+)로 즉 반대방향으로 이동 하고 있습니다.
- 옴의 법칙은 전류(I)와 전압(V)과 저항(R)과의 상관 관계를 수학적으로 정의한 법칙을 말합니다.
- 전류와 전압과 저항이라는 것을 I, V, R 의 '기호'로서 함축적으로 표시하고 있으며, 각 요소별 물리적인 양을 나타기 위해 표시하고 있는 A(암페어), V(볼트), Ω (옴) 들을 '단위'라고 합니다. 단위는 표시 할때는 'A'라고 하지만 읽을 때는 발견자의 이름을 딴 '암페어'라고 읽어야 합니다. 전압과 저항도 마찬가지 입니다. 무게를 나타낼 때 100g 라고 표시하지만, 읽을 때는 '100 그램' 이라고 읽는 것과 같은 이치입니다.
옴의 법칙 Ohm's Law
- 옴의 법칙의 핵심은 저항(R)이 일정할 때, 전류(I)와 전압(V)은 서로 비례관계에 있으며, 전압이 일정할 때, 전류와 저항은 반비례관계가 되고, 전류가 일정할 때 전압과 저항은 비례관계가 되는 것입니다.
[ 아래는 옴의 법칙을 설명함에 있어 LED와 저항을 사용하는데 참고 하기 위한 LED동작 스펙입니다. ]
- 위 이미지와 같은 회로를 구성하여 옴의 법칙을 이용한 이론적인 계산값과 아래 이미지처럼 실제 측정한 값이 유사함을 알 수 있습니다. 약간의 오차가 있는 것은, 건전지 자체의 실제 출력이 정확한 9V가 아니며, 건전지 및 LED의 내부저항 값은 비록 작지만 계산에서 제외 되었으며, 계측기 자체의 미세한 오차 등이 결합되어 차이가 나는 것으로 이해하시면 됩니다 .
9V 전지에 100옴 저항과 LED 직렬 연결한 회로의 전류를 측정
- 전압이 (9V) 일정한 상태에서, 100옴의 저항 대신 1KΩ의 저항을 달아, 저항 값을 10배로 키우게 되면, 흐르는 전류도 정확히 10배로 감소하여, 저항과 전류가 반비례 관계임을 확인 할 수 있습니다.
- 또한 저항 값을 줄일 수록 LED가 밝아지며, 저항 값을 키울 수록 LED가 어두워지게 되는데, 저항 값을 너무 줄이게 되면(위 회로에서 100옴 이하) 과전류로 인해 LED가 타버리게 되고, 저항값을 너무 키우게 되면, LED의 불빛이 들어오지 않게 됩니다. 따라서 LED를 동작시킬 수 있는 적정전류(20mA)와 허용 최대전류(50mA) 범위 내에서 전류가 공급되도록 저항값을 조절 하면 됩니다. 일반적으로 200옴~500옴 사이의 값을 사용하며, 아래 처럼 통상 330옴 혹은 220옴을 많이 사용하고 있습니다.
- 그런데, 만약 위 이미지 처럼 공급 전압(9V)에 비해 너무 작은 저항(47옴)을 연결하게 되면, 흐르게 되는 전류가 115mA로서, 허용 한계치를 넘은 LED의 손상이 예상되며, 저항 또한 발생되는 과 소비전력으로 인해 파괴가 될 것입니다.
위 이미지에 소비 전력을 구하는 공식을 P=IV = I x I x R 을 참고 해보면 0.622W의 전력값이 나오는데, 일반적으로 사용하는 저항의 규격인 1/4W (0.25W)를 훨씬 초과하기 때문에 저항도 타거나 하여 문제가 발생하게 됩니다.
- 따라서 옴의 법칙을 이용하여 적절한 용량값을 계산하여 사용한다면, 안정적인 회로 구성을 할 수 있게 됩니다.
같은 저항값이라도 견딜수 있는 전력이 다르다(1/8W, 1/4W, 1/2W, 1W, 2W, 3W 등등)
