리튬이온 밧테리 충전기 / 밧테리의 특성

 

 

 

이 충전기는 가장기본적인 회로인데 입력전압만 잘 조절하면 1cell~8cell까지도 충전이 가능합니다.

 

예를들면 1cell 용이 필요하면 입력전압 DC6볼트 정도로 해두고

가변저항 R4를 조절해서 최대충전전압 4.0~4.2볼트로 조절하면 최대충전전압까지 충전을 완료할수 있습니다.

이때 위험을 방지하기 위해서 배터리는 보호회로는 필수입니다.(저전압(2.8v~3.0v)차단..4.2v이상은 차단)

 

리튬폴리머, 인산철 배터리도 R4 가변저항으로 원하는 충전전압만 잘맞추면 충전이 잘됩니다.

7 CELL 배터리에 경우 29.4V가 만충전 전압이기 때문에 입력전압을 35V로 하고 가변저항으로 전압을 조절하면

아주 좋은 충전기를 만들수 있으며 

LM317은 열이발생하기 때문에 방열처리를 잘해주고 다이오우드 1N4001은 1N4007로 바꾸면

충전전류를 높이며 열도 많이 발생않고 좋습니다.

 

MPS2222A는 2N3904로 2N1815로 적당히 대체해주면 됩니다. 

좀 복잡해서 만들어보기 힘들면 중국에서 수입된 충전기를 저렴한 가격에 구입하는것도 좋은 방법입니다.

 

참고하세요..  http://www.batterypack.co.kr

 

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1. 전기에 관한 기초 개념

 

1) 전 류 :

전기회로에서 에너지가 전송되려면 전하(electric charge)의 이동이 있어야 한다.
전하의 이동은 전류를 형성한다. 전류는 회로의 어느 단면을 단위시간에 통과하는 전하의 양으로
정의되며,MKS 단위는 암페아(ampere)이다.
일정한 율로 t초간에 Q 쿨롱의 전하가 이동하였다면, 이때 전류 I는 다음과 같다.
I = Q/V [amp] 또는 Q=I t [coulomb]
전류의 방향은 관례상 정전하가 이동하는 방향으로 정하고 있다.

 

2) 전위차, 전압 :

단위 정전하가 회로의 두 점 사이를 이동할 때 얻든지 또는 잃는 에너지를 두 점간의
전위차(electric potential difference) 또는 전압(voltage)이라고 하며, MKS 단위는 볼트(volt)이다.
따라서 Q 쿨롱의 전하가 전위차가 일정한 두 점간을 이동할 때 얻는 또는 잃는 에너지를 W 주울이라고 하면

그 두 점간의 전위차 V는 다음과 같다.

V = W/Q [volt], W = V Q = V I t [joule]

 

3) 전력 :

단위시간에 변환 또는 전송되는 에너지를 전력(POWER)이라 하며, MKS 단위는 와트(watt)이다.
따라서 에너지가 수수되는 시간적 율이 일정할 때에는

P = W/t [watt] 또는 [joule/sec], P = V I

 

4) 전기 소자

 

* 저항 :

이것은 두 단자간의 전압이 단자간을 흐르는 전류에 비례하는 소자이며,

이 비례계수를 저항이라고 하며 MKS 단위는 옴(ohm)이다. 전압-전류 관계를 옴의 법칙(ohm's law)이라 한다.

i = v/V = GV [amp], V = I R [V]

 

* 인덕턴스 :

파라데이 법칙에 의하면 한 회로에 있어서 자속 쇄교수가 변하면 그 시간적 변화율에 비례하는 기전력이 유기되며

이것을 유기기전력이라 한다.

한 회로의 전류와 이로 인하여 생기는 자속의 쇄교수가 다음과 같은 관계가 있다.

l = L i [weber-turn]

여기서 L은 기울기이며, 회로의 인덕턴스라 하며, MKS 단위는 헨리(henry)이다.

i = 1/L o vdt [amp], v = L di/dt [V]

 

* 커패시턴스 :

절연체를 두고 대립하고 있는 두 도체간에 전위차가 존재하면 전위가 높은 도체에 정전하,

전위가 낮은 도체에 같은 량의 부전하가 축적된다.
이때 축적되는 전하와 전위차간에 다음 관계식이 성립한다.

q = C v [coulomb], i = C dv/dt , v = 1/C o idt

여기서 C는 기울기이며, MKS 단위는 패러드(farad)이다.

 

2. 용량 산출방법

전기기초 부분에서 용량은 커패시턴스로 표시되어 있으며, 다음과 같다.
용량 = 전류(A)*초(sec) [coulomb]

전지에서는 용량을 시간 단위 초(sec)에서 시간(hour)로 바꾼 것이다.

즉, 전지 용량 = 전류(A)*시간(hr)

 

소형 전지에서는 전지용량을 일반적으로 [mAh]으로 표시하는데,

이것은 몇 [mA]로 몇시간 작동하는가를 나타내는 것이다.

일반인이 사용기기에 맞는 전지를 선정하기 위한 일례를 들어 설명한다.
A라는 휴대기기가 있는데, 작동전류는 50mA로 10시간이상 구동한다.
작동 전압은 7.2V 이다.

그러면 Li-ion 2차전지의 작동전압이 3.6V(or 3.7V)이므로 Cell을 2개 직렬 연결하면 7.2V가 된다.

전지용량은 50mA*10hr = 500mAh가 나오게 된다.
따라서 전지용량이 500mAh 이상의 전지를 구하여 사용하면 된다.

 

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니켈 카드뮴(Ni-Cd)

 

최근까지 가장 보편화되어 있는 충전지입니다.

니켈과 카드뮴의 활물질로 구성되어지며 약 500회의 충방전이 가능합니다.

 

장 점 :

전지의 내부저항이 작고 방전률이 뛰어나며 열악한 조건(저온, 과방전, 과충전)등에 잘 견딥니다.

단 점 :

흔히 "메모리 효과"라는 현상 때문에완전히 방전하지 않고 충전을 하면 용량이 줄어드는 현상이 발생합니다.

현재 많은 전문가들에 의하면 걱정할 수준의 상태는 많이 개선 되었습니다.
또 카드뮴 성분의 유해한 성분이 환경이나 인체에 미치는 영향이 커서 세계적으로 점점 감소추세에 있습니다.

적용기기 :

가전제품, 소방기기, RC, 후레쉬, 휴대용 무선장비, 비상 의료장비, 방송용 비디오 사진기, 전동공구, 면도기 등

폭넓은 범위의 전자제품에 적용이 가능합니다.

 

알카라인 전지

 

일회성 전지에 비해 재충전으로 재활용이 가능한 전지이기도 하며

표준형(일회용) 알카라인과 재충전용 알카라인이 있습니다.

 

장 점 : 반복 재활용 시 일회용 전지에 비해 경제적입니다.

단 점 : 다른 충전지에 비해 사이클 수가 적어 비효율적이며 최초 방전 후 재충전시

          용량이 최초용량에 비하여 점점 줄어들며 일반 알카라인 전지의 충전시 폭발의 위험이 있습니다.

적용기기 : 휴대용 라디오, 소형기기, 조명, 잦은 충전이 필요없는 소형가전 등에 적합합니다.

 

니켈 수소(Ni-Mh)

 

니켈 카드뮴 전지에 비해 단위 부피당 에너지 밀도가 2배나 되어

소형 포터블기기의 경량화 소형화에 많은 기여를 하고 있으며 최근 수요가 급속히 증가하는 전지입니다.
니켈과 수소 흡장합금으로 이루어 졌으며 약 500회이상의 충방전이 가능합니다.

 

장 점 : 니켈 카드뮴 전지에 비하여 2배의 용량을 가지므로 한 번의 충전으로 긴 사용시간을 가지며

          또한 "메모리 효과"의 개선으로 인해 주기적인 완전 충방전의 필요성이 상당히 줄어들었습니다.
          특히 유해물질이 적어 환경 친화적입니다.

단 점 : 니켈 카드뮴 전지에 비하여 가격이 비싸며 급속충전시 열이 발생하고,

          자가 방전율이 니켈카드뮴에 비해 1.5배 정도 높았지만 현재 거의 같은 수준에 도달해 있습니다.

적용기기 : 캠코더, 셀룰러폰, 노트북, MP3, MP3CDP, MINI CASSETTE, 디지털 카메라 등

               휴대용 장치에 폭넓게 사용가능합니다.

 

밀폐형 납산(SLA)

 

대개 전지의 무게가 문제가 되지 않으며, 저렴한 가격으로 사용하는 곳에 이용되며

충전배터리 중에 가장 낮은 에너지 밀도를 갖고 있습니다.

 

장 점 : 가격이 싸고 자가 방전의 주기가 적으며, 메모리현상이 없어 장기적인 보관이 용이합니다.

단 점 : 상대적으로 에너지 밀도가 매우 낮아서 작은 기기에 사용하기 부적합 하며,

           완전 충방전에 매우약하며 폐기시 납성분으로 인해 환경에 유해합니다.

적용기기 : 휠체어, ups unit, 비상조명, 이동 가능한 캠코더나 셀룰러폰 등에 사용됩니다.

 

리튬 이온(Li-ion)

 

높은 에너지 저장 밀도와 가벼운 중량으로 빠르게 시장을 잠식해 가고 있습니다.
현재 더 고밀도의 에너지 저장기술이 개발중이며 휴대형 기기들의 소형화를 한층 발전시키는데 크게 일조하고 있으며,

그 형태로는 코크(coke)형과 그래파이트(graphite)형으로 구분됩니다.

 

장 점 : 높은 전압과 용량을 자랑하며 에너지 저장 밀도가 매우 높아서 주로 장시간 사용을 요하는 휴대용 기기나

          첨단 기기 등에 이용되고 있습니다.

단 점 : 충전시 구성물질중 하나인 리튬 메탈의 불안전성으로 인해 온도가 급상승 하는 현상이 발견되기도 했으며

          임의 조작이나 분해시 폭발의 위험성을 가지고 있어 취급에 각별한 주의가 요구됩니다.

          또한 현재 가장 비싼 전지이기도 합니다.

적용기기 : 휴대용 셀룰러폰, 노트북 등에 사용됩니다.

 

리튬 폴리머(Li-polymer)

 

고체 전해물질을 이용하여 기존의 액체 전해물질을 사용하는 전지에 비해 안전성을 높이고

구조의 단순화, 비용의 절감 등을 꾀하고 있으며

니켈 카드뮴 전지 대비 3배 이상의 에너지 저장밀도를 가지게 되며 방전율도 매우 낮습니다.

현재 활발히 상용화 되어 가고 있는 전지입니다.

 

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참고사항

 

방전에 있어서 보통5-6분 레이스를 가정했을 때 20암페어 정도를 모터가 소비하고 있습니다.
외국의 오벌 레이스경기에서는 최대 25amp까지 방전되는 사례도 있습니다.
물론 기어비에 따라 약간의 차이가 있을 수 있지만 중요한 것은 배터리 사용 후 방전에 관한 것입니다.
주행이 끝나고 몇 암페어에 몇 볼트컷오프가 적당한지를 질문해오는 유저가 많습니다.
만약 주행 중 리타이어 했을 때 아직 배터리의 잔량이 많이 남아있어
이것을 15-30amp로 방전할 것인지 낮은 전류로 방전할 것인지는 배터리에 있어서 매우 중요합니다.
경주가 끝난 후에는 전용방전기나 전구 저항 등을 이용하여 6셀 팩을 5-5.4 볼트까지 방전시켜주도록 합니다.
배터리 방전 시에는 팬 등으로 배터리의 열을 식히켜주면 배터리의 수명을 연장시킬 수 있습니다.
유저가 별도의 방전기를 소유하고 있지 않다면 차가 느리게 주행할 때까지 방전하면 거의 비슷한 효과를 얻을 수 있습니다.
배터리의 열이 식으면 메모리 부스터에 배터리를 연결하여 배터리를 안정화시켜주도록 합니다.
각사에서 발매되고 있는 LED가 달린 메모리부스터 등으로 방전하면 각셀의 전압이 0.8-0.9V로 조정되어

배터리의 파워나 용량 면에서 효과를 볼 수 있습니다.
배터리의 메모리 현상의 억제와 다음 사용 전까지의 배터리를 안정화시켜 최대한의 출력을 보장하게 됩니다.
그러므로 니카드 배터리는 직렬방전보다 사용 후 만이라도 낱 셀 방전을 하는 편이 좋습니다.
하지만 이것을 관리하기에는 많은 신경을 써야하므로 배터리의 메모리효과가 축적될 시기에 한 번씩 행하여 주어도

큰 영향이 없습니다.
가능한 3-5회사용후 실시하도록 합니다.

 

<메모리 효과와 방전 >

 

메모리 효과란 남아버린 전력의 전지내부에 메모리 되어 후의 충전에 그만큼의 전류를 충전할 수 없게 되는 것입니다.

즉 배터리의 효율저하라고 할 수 있습니다.
메모리 효과에 대해서 조금 더 구체적으로 설명하면 진정한 메모리효과의 예는 통신 위성 상에 탑재되어 있는

니켈카드뮴전지를 규칙 있게 충 방전했을 때 추가 충전된 분의 에너지밖에 없게 되는 것으로

미국NASA에서 처음 발견하였습니다.

니카드 배터리를 충전 후 방전하여 사용할 때 배터리의 전압이 충분히 저하되지 않은 상태에서 방전을 중지하고

다시 충 방전을 하면 이전에 방전을 중지한 부근의 전압에서 전압의 하강세가 보통 때보다 낮게 나타납니다.
방전을 매회 같은 시점에서 중지한다면 이 현상은 더욱 심해집니다.
이후에 이 방전시점보다 더 오랫동안 방전을 한다면 매회방전을 중지한 부근에서 전압거동이 일어나게 됩니다.

이같이 배터리의 방전경력을 기억해두어 그 시기가 넘어가면 전압이 다운되어버리는 현상이

메모리 효과라고 불리워지고 있습니다.

일반 니카드전지를 사용하는데 있어서 사용자가 느낄 수 없다면 문제가 되지 않지만

세밀한 사용을 하는 경우 어느 정도의 영향을 받을수 있습니다.

이 메모리 효과가 발생되는 이유에 있어서는 여러 가지 설이 있는데 아직까지는 명확하지 않습니다.
일반적으로 고차 니켈 활물질의 생성(NiOOH등)과 충 방전 시에 방전이 불가한 활물질의 축적,
전극에 사용되고 있는 니켈과 카드뮴 사이에 합금이 생성(Ni5Cd21)때문이라는 설이 주장되어지고 있습니다.

RC에서 사용되어지는 충전기중 이후 플렉스 모드라고 하는 원기회복이라는 기능을 추가시킨 것은

메모리효과에 대응하기 위한 것임을 참고 하시기 바랍니다.

 

어떤 사람은 방전이 나쁘다고 말하는 이도 있으나

니카드 배터리의 방전은 메모리효과가 있어 반드시 필요합니다.

니켈수소전지의 경우에는 메모리 효과가 없어 배터리관리가 더욱 쉬워지게 되었습니다.
니켈메탈수소특성상 니켈카드뮴과 같이 전력을 계속하여 축적시키지 않기 때문입니다.

하지만 배터리의 성능을 오랫동안 유지하려면 사용 후 배터리의 잔량이 20-40%를 유지시켜주는 것이 필수입니다.
결국 풀로 사용했을 경우 약간의 충전상태로 보관해야한다는 말입니다.
방전특성은 5A정도로 방전컷오프(0.8-0.9V)한 후 충전했을 때 더욱 높은 파워를 가질 수 있습니다.

 

 

기존의 니켈수소전지는 내부저항 값이 크기 때문에 급속방전을 하면 효율이 떨어지는 경향이 있었습니다.

이번 Panasonic 스톡메탈배터리와 산요3000HV배터리는 전압폭을 크게 향상시켜

펀치는 니카드 용량은 3000이라는 등식을 성립시켰습니다.

 

Team Much-More 에서는 파나소닉3000배터리의 충 방전에 관하여 연구한 바

배터리의 성능을 더욱 높게 이끌어낼 수 있는 충방전 방법을 얻어내었습니다.

 

일단 충전에 관해서는 일반적으로 R/C에서 사용되는 리니어 델타피크충전기라면 충전 OK입니다.

니켈수소의 경우는 배터리 특성상 오버충전하지 않아도 배터리의 충전량 저장을 완벽히 할 수 있습니다.

 

대부분의 충전기들은 니카드 배터리의 출력을 최대로 하기 위하여 충전을 멈추는 델타피크시점을 높게 설정해놓아

니카드 배터리를 과충전하여 사용하도록 되어 있습니다.

 

이러한 충전기에서도 3000배터리를 충전하는 데에는 큰 문제가 없으나

3000배터리 자체가 고열에 약한 특성을 가지고 있어 배터리의 안정화 및 수명을 위해서는

고가형 충전기로 충전하는 편이 더욱 안정적인 충전이 가능합니다.

 

델타피크를 조정할 수 없는 충전기일 경우 가장 이상적인 충전방법은 Voltmeter를 연결할 것을 권장합니다.

충전이 거의 끝나갈 무렵까지 Voltmeter 전압을 관찰 합니다.

 

전압이 상승하는 것이 멈췄다면 그때 사용자는 충전을 멈춰야합니다.

니켈수소 배터리를 과충전하면 배터리에 손상을 입힐 수 있음을 경고합니다.

 

팀머치모어에서는 모든 배터리의 출력증대를 위한 재핑 작업을 실시하고 있는데

이것은 지금까지 해오던 재핑 작업보다 5%이상의 전압상승효과와 내부저항감소, 용량 향상을 가져오며

초과정밀 비교테스트에 의한 매치드 선택에 의하여 배터리가 가지고 있는 최대한의 파워를 이끌어내고 있습니다.

 

세계의 R/C 메이커들은 전압상승프로그램을 가지고 자사의 배터리를 홍보하고 있지만

그 내부적인 노하우등은 공개하고 있지 않고 있는 실정입니다.

 

3000배터리의 충전에 관해서는 여러 가지 여론이 있지만

자사에서의 테스트결과 델타피크 검출전압이 0.2mV가 되는 전재 하에 7A까지의 충전이 가능하며

배터리의 충 방전 사이클 횟수는 5A충전 20A방전세팅으로 533회까지의 사이클링이 가능한 결과를 얻을 수 있었습니다.

 

일반적인 충전기라면 4A의 충전전류를 설정하여 충전하고 배터리가 25℃에서 방전하면 가장 높은 평균방전전압을 얻게 됩니다.

이것의 결과는 물론 펀치력을 최대로 이끌어 낼수 있다는 말과 동일합니다.

 

온도센서를 이용하는 경우 42~45도로 설정합니다.

온도로 충전이 끊긴 경우에는 충전되는데 40분 정도의 시간이 소요되었는지도 체크하여 충전여부를 판단합니다.

기본 권장 사용량은 일주일에 2회 정도이며 하루에는 2회로 제한합니다.

 

니켈수소의 특징 중 한가지는 사이클링 후 6~12시간 이후 재차 사이클링할 때 평균전압이 오른다는 점입니다.

하지만 평소에 이렇게 관리하기는 어려운 일이므로 장기간 사용하지 않을 때는 40%정도의 충전을,

꾸준히 사용하고 있다면 사용하고 Dr.3K로 이퀄라이징 한 후 다음 사용때까지 그대로 보관하는 것을 권합니다.

 

 

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