드론 배터리를 만드는 방법

대부분의 조종사는 필요한 드론 배터리가 존재하지 않을 때까지 배터리가 어떻게 제조되는지 전혀 고민하지 않는다. 셀 수가 맞지 않거나, 형상이 프레임에 들어맞지 않거나, 커넥터가 전원 분배 보드에 장착된 것과 일치하지 않거나, 대량 구매 시 가격이 정당화되기 어려울 때 비로소 자체 조립을 고려하게 된다. 이는 충분히 합리적인 선택이 될 수 있으나, 화학 실험이 아니라 신중한 조립 작업으로 접근해야 한다.

드론 배터리 제작은 네 가지 결정으로 요약된다: 어떤 셀을 사용할 것인지, 셀을 어떻게 배열할 것인지, 어떻게 연결할 것인지, 그리고 팩을 어떻게 보호할 것인지. 나머지는 모두 실행 단계다. 다음 내용은 실제 작업 순서에 따라 위 네 가지 결정을 차례로 설명하고, 테스트 및 문서화 절차를 더해 한 시즌 동안 팩이 견딜 수 있는지를 판단하는 기준도 함께 제시한다.

1. 드론 배터리의 세 구성 요소를 이해하기

드론 배터리는 외관보다 단순하다. 세 가지 구성 요소가 있으며, 이 모두가 중요하다.

• 에너지 저장을 담당하는 셀. 전압, 용량, 방전 등급은 모두 셀에서 결정된다.
• 셀을 안전한 한계 내에서 관리하고 보호하는 관리 또는 보호 보드이며, 스마트 팩의 경우 비행 제어기로 상태를 보고함
• 기계적 측면: 연결부, 배선, 커넥터, 그리고 모든 부품을 고정해 공중에서 흔들림으로 인해 분리되지 않도록 하는 외부 포장재

이 세 가지 요소 중 하나라도 누락되면 팩이 실패하게 되며, 일반적으로 공중에서 발생함. 초보자들은 셀 선택은 과도하게 계획하지만 나머지 두 요소는 부족하게 계획하는 경향이 있음

2. 무엇보다 먼저 셀 종류를 선택하세요

드론 배터리 시장은 두 가지 주요 계열이 지배하고 있으며, 각각 다른 용도에 특화되어 있음

• 파우치 셀(LiPo 및 LiHV)은 익숙한 부드러운 형태의 팩임. 높은 방전율과 전력 대비 가벼운 무게, 거의 모든 크기로 제공되는 장점 때문에 여전히 FPV 드론과 카메라 드론에서 주로 사용됨. 그러나 물리적 보호가 필요하며, 완전 충전 상태로 장기간 보관하는 것을 선호하지 않음
• 원통형 리튬이온 셀(18650, 21700 등 유사 규격)은 킬로그램당 더 높은 에너지 밀도, 낮은 방전율, 훨씬 긴 사이클 수명을 제공함. 장시간 비행이 요구되는 플랫폼과 매핑용 드론은 일반적으로 이 셀을 사용함

라벨에 인상 깊게 표시된 방전 등급도 셀이 최대 전류를 공급할 때 전압 강하가 발생하면 무의미하다. 모터가 실제로 소비하는 전류에 맞는 지속 방전 등급을 선택한 후 여유 용량을 추가해야 한다.

3. 우선 전압과 용량을 산정하라

무엇을 구매하기 전에 반드시 적어두어야 할 부분이다.

• 직렬 연결된 셀은 전압을 더한다. 단일 리튬폴리머 셀의 정격 전압은 3.7V이며, 완전 충전 시 4.2V이다. 따라서 6S 팩의 정격 전압은 22.2V이고, 완전 충전 시 전압은 25.2V이다.
• 병렬 연결된 셀은 용량과 전류 공급 능력을 더한다. 2500mAh 셀 두 개를 병렬로 구성하면 총 용량은 5000mAh가 된다.
• 와트시는 실제 에너지를 나타내며, 전압에 암페어시를 곱한 값이다. 6S 5000mAh 팩의 에너지는 대략 111Wh(22.2V × 5Ah)이다.

그다음 무게를 확인하라. 모든 배터리 팩은 비행 시간과 항공기 조작성 사이에서 타협을 요구하며, 기체 설계 무게보다 무거운 팩은 추가 용량으로 얻는 비행 시간 이득보다 더 많은 비행 시간 손실을 초래한다.

4. 셀을 연결하기 전에 서로 호환되는지 반드시 확인하라

공장에서 함께 출하된 셀은 유사하지만 완전히 동일하지는 않다. 동일한 모델의 새 셀을 동일한 배치에서 사용하라. 모델을 혼합하지 말고, 절대 새 셀과 이미 사용된 셀을 혼합하지 말라.

조립 전에 각 셀을 두 가지 항목에 대해 측정하라:

• 용량 — 가장 유사한 셀끼리 그룹화하기 위함
• 내부 저항 — 부하 하에서 팩의 동작 특성에 용량보다 더 큰 영향을 미침

셀을 분류하고, 가진 셀 중 가장 균일한 그룹으로 각 팩을 구성하라. 팩의 강도는 그 안에서 가장 약한 셀에 의해 결정되며, 하나의 고저항 셀이 전체 팩의 균형을 무너뜨릴 수 있다.

5. 점 용접기로 셀 연결하기

열은 리튬 셀을 손상시킨다. 셀 단자에 직접 납땜하면 열이 씰과 내부 구조로 전달되어, 종종 팩이 이미 사용 중일 때까지 손상이 드러나지 않는다. 니켈 스트립을 이용한 점 용접은 밀리초 단위로 동일한 작업을 훨씬 적은 열로 수행하므로, 상업용 팩은 이 방식으로 제작된다.

접합부의 내구성을 결정하는 네 가지 요소:

• 피크 전류가 아니라 평균 전류를 기준으로 니켈 스트립의 크기를 결정하세요. 왜냐하면 너무 작은 스트립은 저항과 열, 전압 강하를 증가시키기 때문입니다.
• 용접 패턴을 고르게 유지하여 전류가 접점 전체에 골고루 퍼지도록 하세요.
• 주 전선에는 적절한 와이어 게이지를 사용하고, 항공기 프레임이 허용하는 한 최대한 짧게 유지하세요.
• 배터리 팩에서 전선이 빠져나가는 지점을 지지하세요. 납땜 접합부를 파손시키는 것은 전류가 아니라 진동입니다.

6. 보호 및 균형 조정 추가

보호 장치가 없는 셀 그룹은 스스로를 손상시킬 수 있으므로, 완전한 배터리 관리 시스템(BMS)이든 별도의 보호 회로가 있는 균형 보드이든, 제작하는 모든 팩에는 반드시 보호 장치를 적용해야 합니다. 최소한 다음 사항들이 필요합니다:

• 사용 화학 성분에 맞춘 과충전 및 과방전 차단 설정
• 최대 전류 소비량보다 높은 정격의 과전류 및 단락 보호 — 비행 중 작동하지 않도록 하기 위함
• 수백 번의 충방전 사이클 동안 팩의 전압을 균일하게 유지하기 위한 셀 균형 조정
• 고부하 작동 또는 고온 환경에서 비행할 팩에는 온도 감지 기능이 필수적입니다.

스마트 팩은 더 멀리 비행하며, 셀 전압, 사이클 수, 건강 상태를 비행 제어기로 보고합니다. 이 기능 덕분에 항공기가 셀 고장 직전에 사용자에게 경고할 수 있습니다. 이러한 데이터와 이를 뒷받침하는 테스트가 상용 팩 가격이 내부 셀 가격보다 높은 주된 이유입니다.

7. 항공기 프레임에서 생존하도록 제작하세요

자체 제작 팩이 실무에서 실패하는 지점은 전기적 문제가 아니라 기계적 문제입니다.

• 셀을 스페이서나 홀더로 고정하여 서로 마찰되지 않도록 하세요
• 팩과 프레임의 전도성 부품 사이에 절연재를 설치하세요
• 테이프와 열수축 튜브로 팩을 감싸 진동 중 이동을 방지하세요
• 사용 전류에 적합한 커넥터를 사용하고, 이미 드론에 장착된 커넥터와 호환되도록 하세요
• 드론이 실외에서 비행할 경우 팩을 습기로부터 보호하고, 밸런스 리드 주변의 포장재를 완전히 유지하세요

중량 및 무게 중심 조정은 마지막으로 확인해야 합니다. 팩 위치 변화로 인해 무게 중심이 이동하면 드론 비행 특성이 달라지고, 비행 제어기는 이에 대해 제한된 대응만 가능합니다.

8. 비행하기 전에 모든 배터리 팩을 테스트하세요

새로운 팩은 하늘에서가 아니라 작업장에서 신뢰를 얻습니다.

• 조립 후 셀 단위로 내부 저항을 점검하세요. 이상치는 불량 용접 또는 불량 셀을 의미합니다
• 완전 방전 테스트를 수행하고 공급된 용량을 정격 용량과 비교하세요
• 팩의 균형 상태를 확인하고 보호 회로 기판이 지정된 위치에서 정확히 차단되는지 확인하세요
• 초기 사이클 동안 부하 하에서 온도 변화를 주의 깊게 관찰하세요
• 초기 사이클은 부드럽게 진행하고, 안전하며 불연성인 장소에서 충전하세요

한 셀이라도 나머지 셀과 차이가 난다면 즉시 중단하여 문제를 해결하세요. 불균형 팩은 사용할수록 개선되지 않습니다.

9. 운송하거나 판매할 수 있는 제품을 파악하세요

자신을 위해 팩을 제작하는 것과 타인에게 판매하는 것은 매우 다른 프로젝트입니다. 상업적 거래나 운송을 통해 이동하는 리튬 계열 제품은 모두 위험물로 간주되며, 가정에서 조립한 팩은 어떠한 시험 이력도 없습니다. 작업대에서 제품으로 출하되는 팩의 최소 기준은 다음과 같습니다:

• UN 38.3 시험 결과. 운송 중인 모든 리튬 전지 및 배터리 유형은 이 시험을 통과해야 하며, 출하되는 팩에 대한 시험 요약서를 확보해야 한다.
• IEC 62133-2:2017 — 휴대용 밀봉 리튬 전지 및 배터리(셀을 팩으로 조립한 경우 포함)의 안전 기준.
• 운송을 위한 올바른 9류 표시 및 라벨링.
• 2023/1542(EU) 배터리 규정(2024년 2월부터 시행). 라벨링 의무는 2026년부터 단계적으로 적용되며, 이후 디지털 정보 제공 요구사항이 이어진다.

이 서류는 또한 직접 제작보다 구매하는 것이 실용적이라는 점을 입증하는 근거이기도 하다. 신뢰할 수 있는 공급업체는 팩과 함께 관련 문서를 바로 제공하며, 그 팩은 이미 시험을 완료한 상태이다.

자체 제작 팩을 망치는 실수들.

• 셀 단자에 직접 납땜하여 씰을 손상시키는 것.
• 동일 팩 내에서 서로 다른 모델, 로트 또는 사용 연수의 셀을 혼용하는 것.
• 밸런싱 기능이나 보호 회로 없이 팩을 제작하는 것.
• 피크 전류가 아닌 평균 전류를 기준으로 스트립 및 배선 규격을 선정하는 것.
• 배터리 팩과 전도성 프레임 사이의 절연 생략
• 벤치 테스트에서 충분히 검증되지 않은 새 팩을 곧바로 고강도 비행에 사용
• 문제가 의심되거나 부풀어 오른 팩을 실내에서 충전해 어떤 일이 일어나는지 관찰
• 테스트 문서가 전혀 없는 팩을 배송하거나 판매

마무리 생각

드론용 배터리 제작은 단일 기술이 아니라 일련의 절차다: 임무에 적합한 화학 성분을 선택하고, 직렬·병렬 계산을 수행하며, 셀을 정밀하게 매칭하고, 납땜 대신 용접으로 연결하며, 팩을 보호한 후 벤치를 떠나기 전 반드시 테스트한다. 이러한 단계를 차근히 거친 조종사는 항공기에 ‘거의 맞는’ 팩이 아니라, 항공기에 ‘정확히 맞는’ 팩을 얻게 된다.

실험 한 번보다는 신뢰할 수 있는 드론 기체 군을 구축하는 것이 목표라면, 판단 기준이 달라진다. 테스트 완료, 문서화, 재현 가능성이 입증된 팩은 그 가치를 충분히 지불할 만하다. 특히 대안이 배송 불가능한 팩이거나, 소중한 물건 위를 비행시키고 싶지 않은 팩이라면 더욱 그렇다.

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