18650 배터리 내부저항을 ESP8266으로 측정하자

 1. 인간은 끊임없이 편의성을 추구하는 동물

 18650배터리의 내부저항을 수동으로 측정을 하였지만, 한두번 정도는 할 수 있어도 수십번 하려니 고충이었다. 무엇인가 편리함을 추구하기 위하여 다시금 머리를 굴렸다. 18650 배터리의 내부저항을 측정하기 위해서는 전압 측정이 필수이다. 이전에 ESP8266으로 20V 전압을 측정하는 방법에 대하여 글을 적었지만 이번에는 4.2V를 위하여 다시금 정리한다.

[ ESP8266으로 20V 저항을 측정하는 방법 ]

2. ESP8266 의  ADC (Analog to Digital Converter) Pin

 ESP8266에는 A0라는 단 한개의 ADC Pin이 존재한다. 

(두개 이상의 ADC Pin이 필요하다면 ESP32를 사용하면 된다. 일전에 내 블로그에 소개한 3채널 오실로스코프가 ESP32를 사용하였다) 

ESP8266의 A0 Pin은 최대 1V를 입력받도록 설계되어 있다. 물론 나는 ESP8266 그대로 사용하는 것이 아니라 Wemos D1 mini 의 제품으로 사용한다.  제조사의 홈페이지에는 아래와 같이 핀 설명을 하고 있다.

A0 Pin에 대해서는 max 3.3V라고 표시하고 있다. 어찌된 일이냐 하면 아래의 회도로들 보면 알 수 있다. (붉은색 테두리)

A0 핀으로 입력된 내용은 220KΩ와 100KΩ 두개의 저항으로 분압되어 ADC에 연결되는 형태이다.  3.3V가 A0에 입력되었다고 할떄 분압공식에 의거하여

ADC에 걸리는 전압 = 3.3V X ( 100 / (220 + 100) )

                          = 1.03125V

A0 Pin의 정밀도는 10bits 이며 전압을 인가하고 값을 읽으면 0V 일때 0, 분압이 없는 상태에서  1.0V 일때 1024의 값이 나온다고 할 수 있다. 다만 위의 분압 공식으로 유추해 보면 대략 3.25V부터 1024값이 나온다. 실제로 측정해보니 0V일때 20, 3.06V 부터 1024의 값이 나왔다.  이는 사용된 220K와 100K의 저항값의 오차에서 발생할 수도 있고, 측정핀에 존재하는 저항이 있을 수도 있다. 다양한 원인에 근거하지만 핵심은 3.3V 이전에 1024값이 나온다는 것이다. 3.06V는 내가 사용한 모듈에서만 그런 것이며, 제품별로 결과가 다를 수 있다. 같은 제품이더라도 모듈에 따라서 다를 수 있다.  핵심은 Wemos D1 mini의 A0 Pin으로 3V 이상 측정하려고 한다면 분압을 해야 한다는 것이다.

3. 18650 배터리 전압

 일전에 소개한 글에서 배터리의 내부저항을 측정하기 위해서는 전압 측정이 필요하다고 했다. 18650 배터리의 만충전압은 4.2V가 대부분 이지만 4.35V도 있다. 이에 따라 4.35V 입력시 A0 Pin에 들어가는 전압이 최대 3.25V가 되도록 분압해야 한다.

위와 같이 전압을 배분하면 배터리의 전압이 4.35V 일때 

4.35V X 220 / (100 + 220)  = 2.990V 의 전압이 A0에 입력된다.  사실 오른쪽 저항값이 전체 저항값의 약 75%만 차지하게 설계하면 문제없다. 보유한 저항이 있다는 가정하에 25K + 75K로 구성하면 된다는 이야기 이다. (물론 50K + 150K도 마찬가지 이다.) 사실 저항을 병렬, 직렬 해서 구성하면 저항값을 못 맞출 것도 없기는 하다. 보유한 저항에 맞춰서 구성하자.

일단 100K, 220K로 구성하는 경우

V = (A0에서 읽은 값) X  (100KΩ + 220KΩ) / 220KΩ   * 3.3V / 1024 

V = (A0에서 읽은 값) X  0.004692082111

만약 A0에서 읽은 값이 512 라고 하면 2.4024V라는 값이 수학적으로 계산이된다. 다만 저항의 정확도 및 배선 사이에서 생기는 저항을 고려한다면 한번쯤은 실측해서 보정을 해주는 것이 좋다. 

다만 아무리 계산을 열심히 해 놓아도 현실적으로 보유한 저항을 적당히 쓰기 위해서는 결국 100K 저항 3개, 43K 저항 1개를 사용하여 100K + 243K의 형태로 구성하였다.

[ 요렇게 준비했다 ]

위에서 적은 공식을 다시 적으면 

V = (A0에서 읽은 값) X  (100KΩ + 243KΩ) / 243KΩ   * 3.3V / 1024 

V = (A0에서 읽은 값) X  0.0045532988185318

납땜해서 실측한 값과 계산된 값을 비교해 보니 아래와 같았다. 

-

전압이 올라갈수록 실제 값과 차이가 커지는 것으로 보아 위의 공식에서 계산한 상수가 문제이다. 

엑셀의 힘을 이용하여 새로운 계산식을 도출했다.  추세선이라는 기능을 이용하면 편리하다. 아래의 그림에서 파란색 선은 실제 측정한값, 검정색은 추세선인데 거의 동일하게 위치해서 두개를 분리하여 보기란 힘들다. (즉 추세선이 잘 만들어 졌다.) 일반적으로 ADC 값은 전압에 따라서 선형 그래프를 보인다. 

이제 세로운 수식이 만들어 졌다.
V =  (A0에서 읽은 값) X  0.0052 - 0.0832
손으로 약간의 보정을 해서 아래의 수식으로 마무리했다.
V =  (A0에서 읽은 값) X  0.00522 - 0.0771
저항값으로 계산한 수식과 엑셀 추세선의 차이는 기울기가 좀 더 커졌고, Y 절편이 생겼다. 

4. 회로도 및 구현 내용

 무척 간단해서 약 20포인트 납땜이 필요한 회로이다. 

회로도는 이미 납땜한 후에 그렸다. 워낙 간단해서 회로도 그리기 전에 작업을 하였고 블로그에 기록하여 위하여 회로도를 그렸다. 

[ 나름 산뜻 전면부 ]

[ 얼기 설기 후면부 ]

[ ESP8266 아래에 저항 3개가 숨어 있다 ]

위의 사진에서 보이는 배터리 홀더는 지난번 블로그에 소개한 그것을 사용하였다.

[ 18650 배터리 홀더 만들기 ]

또한 시멘트 저항이 4개 포함되어 있는 것을 알 수 있다. 이 회로는 향후 18650 배터리 방전 회로로 병행하여 이용할 계획이어서, 저항의 경우 8Ω 짜리 시멘트 저항을 4개 병렬 연결하였다.  4V의 전압을 인가하는 경우 시멘트 저항 1개당 0.5A가 걸리는 구조이다. 즉 최대 2A의 방전 능력을 가진다.  굳이 시멘트 저항을 여러개 병렬 연결하는 이유는, 단일 저항으로 2A의 전류를 흘려 보내면 생각보다 많이 뜨겁다. 4개로 분산해서 발열을 시키는 형태이다. 이정도로 연결해도 2A 전류가 흐를때 생각보다 뜨겁다. 

 회로에서 사용한 MOSFET은 55NF06인데, Data sheet 상에는 연속으로 50A가 가능하다고 기록되어 있지만 내가 알리에서 구매한 것들은 실제 그렇지는 않다. 방열판 없이는 개당 0.5A 정도가 적당하며 방열판이 있어야 개당 2A 정도가 가능하다. 그 이상의 전류를 흘려 보내면 손으로 잡을 수 없을 정도로 뜨거워진다.  작은 방열판이라도 각각 붙여줘야 하겠지만  MOSFET 가격이 방열판보다 싼 형태라 그냥 4개의 MOSFET을 병렬로 연결하였다. 

 회로도 및 구현한 사진에는 1개의 MOSFET만 보이지만 후에 3개를 추가하여 4개 병렬 연결하였다. 하나씩 추가 하면서 발열 상태를 체크하였는데 총 3개인 경우에도 발열이 부담되었고, 4개를 연결하니 안정적인 온도가 되었다. 

[ 4개 병렬 MOSFET ]

MOSFET을 똑바로 세워서 붙여 놓으니 살짝 열이 발생해서 위의 사진처럼 구부려서 부채 모양으로 전개했더니 열 발생이 거의 없었다. (처음부터 간격을 벌려서 납땜할껄 그랬다.)

"이렇게 계산한 내부 저항값은 참조용이며, 정확한 계산이라고 할 수 없다. "

5. 소스코드

 일단 시리얼 포트로 정보를 출력하였다. OLED를 붙여도 되겠지만(심지어 기판에는 OLED 올려 놓을 자리도 비워 놓았다. ) 일단은 시리얼 포트를 이용하기로 하였다.

소스코드 자체에 크게 어려운 부분이 없기 때문에 일부만 발췌하여 표기한다. (18650 배터리 방전 및 용량 체크 기능을 만들 예정이어서 그때 완성된 코드를 공개할 예정이다.)

void setup() {

  Serial.begin(115200);           // 시리얼 통신 속도 설정

  pinMode(MOSFET_PIN, OUTPUT);    // Mosfet control pin

  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);    // Turn Off

  checkBattery();

}

float getVolt()

{

  float tmpValue = 0.0;

  // 측정 오차를 최대한 줄이기 위하여 CHK_CNT 만큼 측정해서 값을 나누어 사용한다.

  for (int i = 0; i < CHK_CNT; i++) {

    tmpValue += analogRead(A0);

    delay(5);

  }

  tmpValue /= CHK_CNT;

  g_fSensorValue = tmpValue;

  g_fVolt = tmpValue * 0.00522 - 0.0791;

  sprintf(g_strPrintBuf, "Volt = %.4f", g_fVolt);

  Serial.println(g_strPrintBuf);

  return g_fVolt;

}

void checkBattery()

{

  float onValue  = 0.0;   // 저항이 연결했을때 전압

  float offValue = 0.0;   // 저항이 연결되지 않았을때 전압

  float resistValue = 0.0;// 배터리 내부 저항

  float current = 0.0;    // 전류값

  digitalWrite(MOSFET_PIN, HIGH); // Turn On

  delay(500);

  onValue = getVolt();

  digitalWrite(MOSFET_PIN, LOW); // Turn off

  delay(1500);

  offValue = getVolt();

  current = offValue / 2.05;  // 전류값 측정

  // 1000은 밀리옴으로 변환하기 위한 값

  resistValue = (offValue - onValue) * 1000 / current;

  sprintf(g_strPrintBuf, "내부저항 = %.4f", resistValue);

  Serial.println(g_strPrintBuf);

}

소스코드의 핵심을 소개하자면 MOSFET을 켜고 전기를 흘려보낸 다음에 전압을 측정하고, 다시 MOSFET을 끄고 전압을 측정한다. 그뒤에 전압 차이를 전류로 나누면 내부 저항값이다. 

계산 과정이 궁금하다면 아래의 링크를 확인하자.

[ 18650 배터리 내부저항을 측정하자 ]

- 2023-02-06

소스코드를 일부 수정하였다. 

전류측정값을 고정으로 사용하였는데, 현재 전압에 의거하여 사용하도록 변경하였다.

18650 배터리 전압으로 충전상태를 가늠하자

 1.  18650 배터리 전압 분포

 거의 대부분이 4.2V가 만충이며 2.6V가 CutOff 전압이다. 사실상 2.6V 이하로 내려가면 셀이 망가질 수 있기 때문에 3.0V 이하로 내려가도록 방전 시스템을 설계하지 않는다. 18650배터리는 한번이라도 완전방전이 되면 사용 불가능하다.

이상적인 배터리라면 전압의 변동없이 전기 용량을 모두 사용하면 좋겠지만 불가능하다. 만충 상태와 다 사용한 상태의 전압 차이가 존재하며 이를 이용하여 전압측정으로 충전량을 계산해 보려고 한다. 물론 이 방법은 절대 어림계산 방식이며 정확도는 정말 떨어진다. 하지만 많은 시스템(전동공구, 무선 선풍기 등등의 18650 배터리를 사용하는 충전 기계)에 배터리 잔량을 표시하는 방법이 아이러니하게도 이 방법을 사용한다.  이 방법이 가장 간단하기 때문이다. 

2. 이상적인 18650 배터리의 전압

 이상적인(즉 가장 이루어지기를 바라는 형태) SOC(State Of Charge)와 전압의 상태는 아래의 차트이다.

3.6V ~ 3.7V 사이에서 약 80%정도 방전이 전압 변동없이 이루어 지는 형태이다.  위의 그림정도로 방전이 이루어진다면 정말 안정적인 배터리가 될 것이다. 물론 이런 상태라면 전압 측정으로 용량 계산이 거의 불가능하다고 볼 수 있다. 리튬이온의 경우는 위의 차트는 실제 상황에서 불가능하고, 리튬인산철의 경우 좀더 비슷한 차트를 보인다.

3. 현실의 18650 배터리 전압 및 용량 가늠

 다행이도 현실의 배터리는 이상적인 배터리와 좀 다르다.

위의 표에서 검정색선 (0.2C) 정도를 살펴보면 된다. 이상적인 배터리의 SOC와 비교하여 전압 변화가 더 크다. 위의 차트에 근거하여 표를 만들면 대략 아래와 같다.

배터리 전압을 체크하여 위의 표에서 찾아서 충전 상태를 가늠할 수 있다.  충전 용량을 가늠하는 것이 아니라 대략 몇 %가 충전되어 있는 가를 가늠하는 것이다. 만약 용량이 2000mAh인 배터리에서 50% 라면 대략 1000mAh정도 용량이 충전되어 있음을 가늠할 수 있다.

물론 모든 18650 배터리가 위의 표에 부합되는 것은 아니며, 일반적인 것으로 이해하면 된다.

실제 SDI의 35E 배터리는 아래의 차트로 동작한다. 

위의 차트에서 주목해야 할 것은 10A 이상을 지속적으로 방전하는 경우 원래 용량의 절반 정도에서 방전이 완료된다는 것이다. 즉 완만하게 방전하면 배터리 자체의 용량을 다 쓰지만 급격하게 방전하면 실제 용량을 다 사용하지 못한다는 점이다.

AWG 및 허용전류를 알아보자

 1. AWG

 American Wire Gauge의 줄임말이다. 전선의 굵기를 나타내는 단위이며, 이름에서 알 수 있듯이 미국에서 시작된 단위이다. 물론 전세계에 걸쳐서 사용하기는 하지만 전세계 표준은 아니다. (1857년에 북미에서 시작되었다고 하는데, 그때 그 장소에 살아보지 못해서 잘 모르겠다.)  동선의 지름(결국 단면적)과 관련된 단위이며 AWG0 과 AWG36을 정해놓고 그 가운데 구간을 세분해서 사용한다.  단면적에 관련하여 전선 굵기를 표현할때 SQ라는 용어를 쓰기도 하는데, 스퀘어라고 읽는다. (실제로 Square의 줄임말)

1SQ = 1mm X 1mm = 1mm²
2SQ = 2mm X 2mm = 4mm²

2. 허용전류

 보통 사용하는 전선의 종류가 AWG16 ~ AWG28을 사용하는데, 사실 어떤 직업이냐에 따라서 사용하는 전선의 굵기가 차이가 난다. 내 경우 AWG24를 제일 많이 사용한다. 랜케이블이 여기에 속하는데, 내가 포설하러 다니는 사람은 아니고 집에서 빵판에 납땜할때 제일 많이 사용할 뿐이다. 

 당연히 전선의 굵을수록 허용전류가 높으며, 가늘수록 낮은데 매번 찾아보기가 껄끄러워 정리하였다.  아래 표는 wikipedia.org 에서 찾은 정보를 일부 발췌한 내용이다. 전선 제조사마다 허용전류에 대하여 편차가 있기 때문에 위키의 정보를 기록한다. 

[ 표가 잘 안보이면 탭해서 확대 가능 ]

위키에서 가져온 정보인데 여기 저기 빈 공간이 보인다. 이는 내가 입력안한 것이 아니라 위키 페이지에서 빠진 정보이다. 대략 해당 셀의 위 아래 정보를 보고 유추하면 된다. 

사실상 내 경우 허용전류때문에 이 표를 보게 된다.  예를 들어 5A의 전류가 흐르는 전선이 필요하다면 위의 표에서 10A 짜리를 찾아서 그 정도의 전선을 사용한다.  이 경우 18AWG 정도면 된다. 물론 상시 5A인 경우이고 만약 상시적으로 2A가 흐리고 피크때 5A라 한다면 24AWG도 사용 가능하다.  랜케이블인 경우 3.5A의 최대 전기가 가능하다. 즉 MCU 관련하여 납땜할때는 아무 무리가 없는 전선이라는 이야기 이다. 

24AWG 전선에 5A를 계속 흘리면 전선이 뜨거워 지는 것을 알게 될 것이다. 이러한 경우 화재의 위험이 있으니 이렇게 설계하면 안된다. 특히 캠핑카의 경우 처음 설치 당시 충분한 허용전류를 고려하여 배선하겠지만, 전열기가 계속 추가되고 나면 허용전류를 넘게 되고 이러한 상태가 지속되면 전선의 온도가 올라가며, 피복이 녹게된다. 만약 피복 근처에 발화점이 낮은 물질이 있다면 이때 화재가 발생할 수도 있고, 그게 아니더라도 피복이 녹은 상태에서 쇼트가 나면 화재로 이어진다. (대부분의 캠핑카 화재는 이 문제로 알고 있다. ) 허용전류에 맞게 전선을 선택하는 것도 맞지만,  출력쪽에 퓨즈 정도는 넣어서 특정 전류 이상 흐르지 못하게 하는 안전장치도 필수이다.  

위의 표에 표시된 허용 전류는 지속적으로 전기를 보낼때 가능한 범위이다. 하지만 10초 미만으로 보낸다면 대략 두배 이상의 전기를 흘려 보내도 되며, 1초 이하일때에는 약 20배의 전류도 가능하다. 이부분을 응용하면 모터류가 기동시 큰 전류를 필요로 하게 되는데 기동전류에 대한 전선 굵기를 고려하는 것이 아니라 최대 부하일때 전류를 고려하여 전선 굵기를 정하면 된다.  예를들어 무선 전동 공구류에 자주 사용되는 775, 785, 795 모터의 경우 기동시 최대 10A 정도가 걸릴 수 있다. 하지만 보통 무부하일때 1.5A 정도이며 최대 부하인 경우 5A 정도의 전류가 흐른다. 이런 경우 18AWG를 사용해도 큰 무리가 없다. 아.. 요즘에는 무선 전동공구에는 BLDC 모터가 사용되니 775도 한물 가나 보다. BLDC 모터는 동일 토크 대비 전력소비가 적어서 전공 공구류에는 좋을듯 하다. 

보통 전선의 온도가 올라가면 저항값이 올라가게 되어 전류를 보내는 능력이 떨어진다고 이해하고 있었는데, 위키의 테이블을 보니 가느다란 전선은 온도가 올라갈 수록 전도율이 떨어지나 어느 정도 전선의 굵기가 되면 오히려 올라가는 것을 볼 수 있다. 물론 전도율이 마냥 올라가는 것은 아니며 특정 임계값 이후에는 급격이 떨어진다.  

포맥스로 만드는 18650 배터리 홀더

 1. 18650 배터리 홀더

 배터리를 끼워서 사용할 수 있는 도구를 말한다.  나도 처음에는 구매해서 사용하였다.  알리에서 찾아보면, 대략 두종류가 존재하며 가격이나 품질의 차이 정도로 이해하면 된다.

[ 약 300원에 구매 가능 ]

 하지만 이 제품의 단점은 10A의 전기를 흘려 보내는 데는 한계가 있다.  홀더에 이미 존재하는 전선의 굵기가 워낙 가늘어서 3A도 못 흘려 보낸다. 대략 MCU하나 정도 돌리는 경우는 충분하지만 몇 A의 전기가 흘려보내는 경우에는 전선의 발열이 심하다. 전선을 보강해 보았지만, 보강하는 것도 쉽지가 않다. 홀더내 쇠붙이는 납이 안 붙는 재질이라서 어찌 어찌 하다보면 홀더의 플라스틱 부분이 녹아 버린다. (물론 개당 가격을 2000원 정도로 올리면 10A도 충분히 흘려 보낼수 있는 배터리 홀더가 구매 가능하다. 심지어 납땜없이 여러 홀더를 결합할 수 있는 제품도 있다. )

 또하나의 단점은 18650 배터리의 길이는 65mm인데 홀더를 사용하는 경우 90mm 정도의 공간이 필요하며 MCU의 배터리로 사용하기에는 너무 많은 공간을 차지한다. 그래서 필자는 MCU용으로 사용할때는 굉장히 경량화된 버전을 만들어서 사용하기도 하였다. 

[ 클립으로 제작 - 기판에 딱 맞는 크기 ]

만드는 과정에 대해서는 아래의 링크에서 확인이 가능하다. 

[ 클립 2개로 만드는 18650 배터리 홀더 ]

2. 최대 5A 가능하도록 제작 (10A도 되긴 하겠지만... ) 

 18650 배터리 방전 장치를 만드는 초기 단계에서 배터리 홀더를 하나 새롭게 만들어야 하는 상황이 되었다. 알리에서 찾으려 한다면 찾을 수도 있겠지만 만드는 과정을 더 즐기는 내 입장에서는 하나 만들어 보기로 했다. 

준비물은 아래와 같다. 

[ 준비물 ]

항상 사용하는 포맥스를 잘라서 준비했다. 밑면, 옆면은 3mm를 사용했고, 배터리의 양극과 음극 접촉 부분에 해당하는 곳은 5mm를 사용했다. 양극과 음극 접촉 부분이 두꺼운 소재를 사용한 이유는 그 부분이 가장 힘을 받는 곳이기 때문이다. 

전선은 위의 그림에서 보이지는 않지만 10A 정도까지는 무난히 흘려 보낼 수 있는 전선을 사용하였다. 보통 이런 상황에서는 18AWG 전선을 사용하며 내 경우 굴러다니는 PC 파워 케이블의 외피를 제거하여 사용한다. 

그외에 양극용 접시머리 피스 하나, 음극용 스프링이 하나가 필요하다. 스프링이 가장 구하기 껄끄러운 소재일 수도 있다. 나는 다른 곳에 사용하려고 사진에 포함된 스프링을 20개 정도 산 적이 있고 이를 사용했다. 어디선가 떼어 놓은 스프링이 있다면 감사하게 사용하면 된다.

먼저 양극과 음극의 접촉 부분을 먼저 만든다.

사실 위의 두장의 사진이 핵심이다.  양극은 피스를 찔러넣고 나서 피스를 줄로 살짝 갈아낸 다음(납땜이 용이 하도록..) 전선을 감아서 걸치고 나서 납땜했다. 음극은 좀더 어려운 난이도 이다. 스프링은 끝부분을 펴서 동글동글 말린 부분과 직각이 되도록 만들면 되는데, 이 소재가 정말 납이 안 붙는 소재이다. 줄로 갈고 납을 붙여 볼려고도 했으나 안되어서 전선끼리 연결할때 사용하는 커넥터로 전선과 연결하였다.  

[ wire connector ]

 어찌 어찌해서 양극과 음극 접촉 부분을 만들고, 나머지 소재를 붙이면 끝이다.

붙이는 과정이 어려운 것은 아니고, 뭐. 대략 내 블로그의 [ 포맥스를 수직으로 붙이는 방법 ] 에 따라서 잘 붙이면 된다.  다만 양극과 음극 접촉 부분에 툭 삐져나오는 부분이 있어서 간격을 벌려서 한번더 포맥스를 붙였다. 

마지막으로 포맥스의 튀어 나온 부분들을 칼로 잘 다듬으면 끝이다. 

이 배터리 홀더를 활용하는 내용은 또다른 글로 소개할 예정이다. 

- 2024-01-25 추가

이 배터리 홀더를 이용하여 내부저항 측정하는 장치를 만들었다.
아래의 링크로 확인이 가능하다.

[ 18650 배터리 내부저항을 ESP8266으로 측정하자 ]

테이블 바이스를 구매하다.

 1. 싼게 비지떡

 늘 알고 있는 이야기이다. 물건이라는 것은 재료, 제작에 있어서 어느 정도의 돈이 투자되어야 제대로된 물건을 만들 수 있다. 이렇게 만들어진 물건은 역시 어느 정도의 돈을 투자해야 구매가 가능해진다. 하지만 한정된 돈을 가지고 있기에 마냥 좋은 물건을 살 수 없고 현실과 타협해 적당한 품질의 물건을 적당한 가격으로 구매한다.  

[ 비지떡 ]

2. 시작은 작게

 일단은 가장 싼 모델을 검색했다. 크기, 조이는 힘등을 무시하고 가격적인 측면만 고려하니 대략 $3정도에 집까지 배송되어 왔다. 

[ 참 귀엽다 ]

일단 결론부터 말하자면 위에 사진에 있는 저 물건은 버리지는 않았지만 사용하지는 못하고 있다. 일단 구매해서 가장 아쉬운 점이 물리는 위치의 날(?)이 전혀 이빨이 맞지 않아서 줄로 갈아서 어느 정도 맞추었다. 사실상 납땜할 때 기판을 잡아주는 정도로 쓸려고 했지만 물림할 수 있는 너비가 너무 작았고, 더더욱이 책상에 고정을 해야하는데, 책상을 바꾸고 나서는 책상 두께가 너무 두꺼워져서 고정할 수 없게 되었다. 

 결국 사용은 포기하고 책상 서랍 어느 구석에 던져 버렸다. 

3. Stanley 83-069

 스탠리 브랜드는 그렇게 친숙하지는 않지만 4년전 정도에 Dewalt 체험관(아시아에서 처음 생겼고, 내부에는 Dewalt 제품이외에 Stanley 제품도 전시되어 있다.)에 가서 알게 되었다. 많은 것들이 전시되어 있고 직접 만져볼 수 있는 체험관인데 필자는 두번 방문하였고 언제나 좋은 경험을 했다고 생각한다. 그곳에서 인상 깊게 본 테이블 바이스가 있었는데, 그것이 바로 83-069 이었다. 

[ 83-069 ]

체험관에서는 이것 저것 다 테스트해 볼 수 있지만, 딱 한가지 아쉬운 것은 살 수는 없다. 구매는 다른 곳에서 해야 한다. 스탠리의 바이스를 보면서 비싸겟지 하면서 포기하고 살았다. 

그런데 수일전 당근에서 알람이 떳고 이 물건이 올라왔다. 가격이 만 오천원!!

이미 거래 예약중이었는데 이 뜻은 판매자가 물건을 싸게 올렸고 바로 구매자가 연결되었다는 이야기 이다. 너무나 아쉬운 나머지 웹 검색을 시작했다.  검색해 보니 2만원대에 구매가 가능하였다. 하늘의 뜻인가 ? 택배비가 아쉬워서 2개 동시에 주문했다. 

4. 개봉 및 테스트

퇴근해서 집에 돌아와 보니 현관문 앞에 덩그러니 서서 나를 기다리고 있었다.

택배 상자가 찢어져 있다는 이야기는 무게가 좀 나간다는 뜻이다. 가벼운 물건들은 택배 상자가 찢어져서 오는 경우는 거의 없다.  손상된 택배 상자를 보면서 오히려 더 마음이 놓였다. 이는 구매한 물건이 충분한 무게를 가진다는 뜻이고 알다시피 바이스는 무거워야 튼튼하다.

택배 상자를 뜯어 보니 2개가 나란히 또다른 박스에 들어가 있었다. 두개 모두 내가 사용할 것은 아니고 한개는 지인에게 선물할 계획이다. 

일단 책상에 고정하고 나무조각 하나 물려서 사진을 찍었다. 이 바이스는 항상 저 자리에 고정하는 용도가 아니라 필요시 잠깐 저 자리에 놓이게 된다. 

제품 소개에는 최대 3인치 (75mm) 의 물건을 고정한다고 기록되어 있었는데, 대충 재어 보니 70mm는 충분히 고정할 수 있다. 

내가 고민했던 부분중에 하나인데, 예전에 구매한 작은 바이스는 책상이 두꺼워서 바이스를 책상에 고정시키지 못했다. 새로 구매한 바이스는 50mm정도의 바닥판까지 충분히 고정할 수 있엇다. 

톱질할 때는 위의 사진처럼 고정하고 톱질을 한다. 위의 사진은 촬영용이긴 하다. 실제 톱질을 할때는 바닥에 쓰레기통을 놓고 톱질한다. 그래야 치우는 수고가 줄어들기 때문이다. 

5. 바이스 평가

내 입장에서 참 마음에 드는 바이스다. 이만 몇천원정도로 이만한 품질의 바이스를 쓸 수 있다니 '대박'이이다.  다만 구매 의사가 있는 사람들에게 도움이 되도록 아쉬운 점을 기록해 본다. 

 - 망치질을 하기에는 살짝 부담되는 강도이다. 상품 설명에 기재된 내용으로는 주조 알루미늄과 강철로된 재질이다. 하지만 통으로된 구조가 아니라 H빔 같은 구조라서 강도가 떨어지는 것은 사실이다. 사진을 보면 알겠지만 재료절약(?)을 위해서 곳곳이 비어 있는 형태라는 것이다.  망치질이 필요하다면 다른 바이스를 사자.

 - 멀티 앵글은 호불호가 갈린다.  수평방향으로 회전만 되는 바이스 대비 작업 방향에 대하여  큰 자유도를 제공하지만 안타깝게도 수평 작업만 하는 사람이라면 오히려 이 기능이 더 불편할 수 있다. 

-  바닥 고정용 손잡이, 앵글 고정용 손잡이가 너무 짧다.  이 제품은 손잡이가 3개나 있는데 그중 2개는 상대적으로 짧다보니, 필요한 강도까지 조이는데 힘이 들어가는 것이 살짝 아쉽다. 3Cm만 더 길게 만들었더라면 보다더 쉽게 조이고 풀 수 있을듯 하다. 물론 지금의 손잡이 길이로 불가능한 것은 아니다. 하지만 여성분들에게는 부담이 될지도 모르겟다. 뭐 적당한 직경의 짧은 파이프 하나 있으면 이것도 해결될 일이긴 하다. 

 

* 언제나 새로운 도구는 마음을 설레게 한다. 역시 돈은 쓰는 맛이 최고다. ㅠㅠ

18650 배터리 내부저항을 측정하자

 1. 테스터기

  다들 집에 하나 둘 쯤은 있는 기계이다.   가격이 크게 비싼 것도 아니고, 이 글을 읽는 사람들이라면 당연히 가지고 있을 것이다.  테스터기는 기본이 전압, 전류를 측정할 수 있는데 그외에 부가적으로 저항값 측정, 캐퍼시터(콘덴서)의 용량측정, 진동수 측정등이 가능한 모델들이 있다. 사실 이 모든 기능을 다 하는 테스터기라고 해도 $20 정도면 충분히 구매가 가능하다.

[ 오천원 짜리 ]

 물론 고가의 장비일수록 정밀도가 높아지는 것은 사실이지만 대략 이만원 선에서 타협을 하자. 수십만원을 들일바에야 차라리 그돈으로 오실로스코프를 사자. 

원래대로라면 '테스터' 라고 불려야 맞는 물건인데 '테스터기'라고 불리는 사연은 나도 잘 모르겠다. '초가집' 이나 '역전앞' 과 같은 사연으로 이해하면 되려나;;;

2. 내부저항이란?

 배터리의 방전 능력을 가늠하는 지수이다.  내부저항이 높으면 방전능력이 낮은 것이고 내부 저항이 낮으면 방전 능력이 높은 것이다. 내부저항은 항상 일정한 것이 아니며 배터리의 성능이 떨어질수록 높아진다. 즉 새 배터리의 내부저항이 50mΩ 정도일때, 충방전을 수백번 거치고 나면 90mΩ이 될 수 있다는 이야기이다. 또한 18650배터리의 경우 1년 마다 20%정도의 효율이 떨어지는 것으로 알고 있다.

1년뒤 = 100 X 0.8 = 80% , 2년뒤 = 80 X 0.8 = 64%

위의 내용으로 유추해 보면 대략 18650은 2년 정도 사용하면 절반 정도의 효율이 되는 것을 알 수 있다. 

LG, SDI의 경우 내부저항값에 대하여 스펙으로 정리해 놓았다. 아래의 링크에서 내부저항 값은 확인 할 수 있다.  고방전 배터리인 경우 대부분 30mΩ 이하이다.

[ 18650 배터리 스펙 ]

LG, SDI에서 생산하는 18650은 대부분 내부 저항이 100mΩ 이하이다.

3. 시도는 좋았으나...  

 LG, SDI의 정품셀 수급이 국내에서 불가능해진 지금 상황에서는 중국 알리에서 셀들을 구매하고있는데, 워낙 못 믿을 상황이라 내부저항 측정이 필요하고, 다른 제품들을 뜯어서 나온 배터리도 확인해 봐야 할 상황이어서 측정해 보려 하였다. 

[ 음? ]

위의 그림과 같이 연결하여 먼저 전압을 측정해보았고, 동일한 연결 방식으로 저항을 측정해 보았다. 결과는 0mΩ.   음? 뭐지? 저항값을 측정할 수 있는 테스터기가 두개라서 다른 기계로 측정을 해도 동일하였다. 

4. 폭풍검색 및 준비물

 잘 모르는 것이 있으면 구글신에게 물어 보면 된다. 이리 저리 검색을 해보니 측정 방법이 문제가 있다는 것을 알게 되었다.  준비물으 크게 필요한 것은 아니며 내 경우 이미 보유하고 있는 항목들이다.

- 준비물 (2 종류? )

[ 멀티 테스터 ]

[ 5W 5Ω 정도의 시멘트 저항 1개 ]

시멘트 저항이 딱 맞게 없으면 직렬, 병렬등으로 연결하여 대충 5 ~ 8Ω 정도로 맞추면 된다. 

5. 실제 측정

원리는 간단하다. V=IR (옴의 법칙) 을 이용하면 된다. 

[ 위키 - 옴의 법칙 ]

먼저 테스터기로 저항을 측정하자. 병렬이든 직렬이던 한개던 저항은 정확하게 측정되어야 한다. 테스터기로 몇번 찍어보고 평균값을 구하거나 아니면 가장 여러번 나온 값으로 정하면된다. (통계학적으로 최다빈도의 값을 선택하는 것도 평균값 만큼 유용하다.)

내 경우 맞는 시멘트 저항이 없어서 47Ω 짜리 4개가 있어서 이것을 병렬로 연결했고 측정 결과는 11.5Ω 이었다. 

두번째로 측정할 것은 무부하 상태의 18650 배터리 전압이고 측정해보니 4.016 이었다.
V = IR 공식에 입거하여 4.016 = I X 11.5
I = 0.3492A 가 나왔다. (이미 알겠지만 전압에 따라서 전류가 달라진다. 저항값은 고정이니)

세번째로 아래의 그림과 같이 부하를 걸고 전압을 측정하는 것이다. 

위의 연결을 하면 당연히 배터리를 사용하는 형태이고 전압이 지속적으로 내려간다. 따라서 연결하고 있는 시간을 최대한 적게 해서 측정하자.  한가지 팁이라 하면 미리 저항과 테스터기는 연결해 두고 + 극 쪽은 배터리까지 연결해둔 다음에,  -쪽 저항 부분을 18650에 살짝 가져다 대면서 측정하면 된다.

이때 전압이 3.966V 가 나왔다.

전체 전압은 분압된 전압들의 합과 동일하다. 키르히호프공식이라고 하는데 아래의 링크에서 확인이 가능하다.

[ 위키 - 키르히호프의 공식 ]

4.016V = 4.011V (시멘트저항에 걸린 전압) + 배터리 내부에 걸린전압
즉 배터리 내부에 걸린 전압은 4.016 - 3.966 = 0.05V
또다시 옴의 법칙을 이용하면
V = IR 
0.05V = 0.3492A X ?Ω

강하된 전압 = 아까 계산된 전류  X 모르는 저항값
0.05V / 0.3492A = ?Ω
?Ω = 0.143
즉 143mΩ 이다.

6. 끝으로

새 배터리 입장에서 143mΩ 은 생각보다 너무 큰 수치이다.  의심스러운 부분이 여러가지 이지만 일단 시멘트 저항의 정확한 저항값이 측정되었는지 의심스럽다.  이론상 47Ω 저항을 4개 병렬 연결하면 11.75Ω이 나와야 하는데 11.5Ω이면 살짝 의심스럽다.  시멘트 저항 몇개 종류를 따로 주문해 놓은 것이 있는데 이 저항이 배송되면 다시 테스트 해 봐야 겠다. 

"이렇게 계산한 내부 저항값은 참조용이며, 정확한 계산이라고 할 수 없다. "

- 2023-01-30 추가
매번 수동으로 측정하기는 번거로워서 ESP8266을 이용하여 측정 장치를 하나 만들었다. 
아래의 링크에서 확인이 가능하다.

[ ESP8266으로 18650 배터리 내부저항을 측정하자 ]

편의점 일회용 보조 배터리의 불편한 진실

 1. 일회용 보조 배터리

 휴대폰 충전을 위한 일회용 보조 배터리가 있다는 사실을 최근에 알게 되었다. 세상의 변화에 적응 하려고 노력중이지만 그래도 못 따라가나 보다. 대부분의 편의점에서 일회용 보조 배터리를 판매하며, 비슷한 가격으로 판매되고 있다. 대략 4000원 부근으로 판매된다. 적지 않은 사람들이 사용한 경험이 있으며, 내 마눌님도 사용해봤다고 한다.

[ CU의 일회용 보조 배터리 ]

편의점에서 판매하는 일회용 보조 배터리중에서 가장 미려한(?) 외관을 자랑하는 것은 CU에서 판매하는 것이며 가격도 제일 비싼것으로 알고 있다. 핑크색은 8핀 커넥터이며 민트색은 C타입 커넥터 이다. 난 아이폰 사용자이기 때문에 남자라도 핑크색을 선택해야 했다. 

2. 일단 분해

 CU의 홈페이지에 표시된 상품 설명에는 분리 수거가 쉽다고 되어 있다. 대체 무엇을 분리수거 해야 하는지 분해해 보기로 했다. (물론 쉽지는 않았다.)

[ 위쪽 분리하고 ~ ]

보조 배터리가 앞뒤가 있는 것은 아니지만, 8핀 커넥터가 아래쪽을 보면 한쪽면에 일자 드라이버를 꼽아 넣을 수 있는 홈이 있다. 아마도 분해를 위해서 만든 홈일듯 하다. 위의 사진처럼 일자 드라이버를 꼽고 살짝 비틀면 위쪽 조각이 빠진다.

[ 아래쪽 분리하면 ~ ]

몸체 부분은 큰 홈이 있는 것은 아니지만, 일자 드라이버가 살짝 걸칠수 있는 정도의 유격이 있기 때문에 역시 사이에 끼고서 드라이버를 비틀면 분리되기 시작한다. 이쪽 저쪽 끼우고 비틀면 분리가 된다. 

[ 일단 3등분으로 분리 ]

요기 까지 분리하니 어떤 구조인지 알게 되었다. 18650 배터리 한개, 방전 보호 회로 + Step up 회로 + 8핀 커넥터 비스무리한 PCB 정도로 구성되어 있다. 18650은 용접되어 있는 것은 아니고 홀더에 끼워져 있는 형태 이다.

[ 음. 나름 허접? ]

아마도 상품 설명쪽에 분리수거가 쉽다고 한 것은 이걸 말하는 것 같다. 즉 18650 배터리를 케이스에서 빼기가 쉽다? (그런데 뚜껑 따는데 까지는 손으로 안되자나..ㅠㅠ ) 솔찌기 누가 이렇게 분해해서 배터리를 빼서 분리 수거를 하겠는가? 그냥 통채로 쓰레기통에 버리지. 사실 인성 나쁜 사람은 길바닥에 그냥 버릴듯도 싶다. 

[ 요건 18650 맞기는 한데.. ]

[ 18650 배터리란? ]

이 제품에 들어간 18650 배터리는 최악의 하급이었다. 메이저 브랜드의 경우 제조사, 배터리 종류, 생산월 정도는 배터리 외부에 프린팅이 되어 있는데, 이 배터리는 아무것도 없었다. 즉 소속 불명의 엄청나게 하급 배터리로 판단된다. 

분해후에 역순으로 조립하면 원래 상태로 돌아 간다. 또한 18650 배터리가 들어간 제품인 만큼 이 배터리를 충전해서 다시 꼽고 케이스를 조립하면 재사용이 가능하다.  다만 기판 상황을 보면 부주의 해서 뚝하고 뿌러질듯 하다. 즉. 아무리 18650을 따로 충전해서 써도 천년만년 쓸 수 있는 물건이 아니라는 이야기 이다.

3. 제품생산가

 심심해서 계산해 보는 내용이다.  절대적이지 않으며 거의 소설에 가까운 내용이니 즐기면서 읽어 보자.

- Step UP + 방전 + 8핀 커넥터가 포함된 회로 (200원)
  

  PCB의 앞뒷면을 보면 몇개의 소자들이 보인다.  비슷한 기능을 하는 PCB를 알리에서 찾아 보았다. 

[ 18650 충방전 회로 ]

회로의 복잡도면에서 일회용 보조배터리가 다소 복잡하나 사용된 소자등을 고려하면 두개가 비슷한 제작 원가라 생각된다.  알리에서 위 이미지의 18650 충방전 보호회로를 구매한다면 개당 $0.16이다. 

- 케이스 : 100원 

플라스틱 케이스이며, 크기가 크지 않기 때문에 이정도 가격을 책정했다.

- 제품에 포함된 개발 비용 : 100원

PCB 회로는 사실상 난이도가 없는 형태이고 이미 공개된 회로라 배치만 잘 하면 될것 같다. 케이스는 3D 모델링이 필요한데 역시나 간단한 모양이기 때문에 사실 하루도 안걸린다.  크게 인심써서 제품 개발을 위하여 사용한 비용을 1억원으로 산정하였고(음. 나한테 천만원만 줘도 설계해 주겠다. 쩝.) 100만개 판다는 가정으로 제품 개당 100원으로 산정하였다. 물론 플라스틱 케이스는 단순 모델링만 필요한 것은 아니며, 제품 생산을 위한 금형도 제작해야 한다.

- 배터리 : 1000원

배터리 가격이 가장 가변적일듯 하다. 낱개로 구입시 중국에서 우리집까지 배송료를 포함하여 2000원 정도 이내로 도달 한다.  무게가 무거울수록 배송료가 크게 올라간다. 

LitoKala라는 브랜드의 경우 LG, SDI 보다는 못하지만 중국 브랜드로 치면 살짝 이름있는 브랜드 이다.  위의 사진에 포함된 배터리는 일회용 보조배터리에 들어간 배터리 대비 용량이 약 2배이며, Current가 10A가 되는 중방전 이상의 배터리이다. 내가 구입시 개당 $1.9 정도이다. 일회용 보조배터리에 들어간 18650을 보면 일반방전에 1500mAh정도이기에 가격은 $1 이하이다. 

* PCB + 케이스 가격을 추측하는데 사용한 것은 아래의 제품이다. 

이 제품은 약 1000원이면 살 수 있다. 충전이 가능하기 때문에 일회용 보조배터리 보다 훨씬더 다기능이다.  이 제품도 대량 구매 한다면 700원이면 가능할듯 하다.

[ 합계 ]

200 + 100 + 100 + 1000 = 1400원

이 제품 생산가에 유통비 + 마진을 해도 2500원이면 넘쳐날듯 하다. 하지만 실제로는 4400원에 판매한다.

사실 제품 생산가도 정말 후하게 줘서 계산한 내용이다. 현실은 천원 미만일 것이다. 

4. 배터리 용량

 제품의 포장지에 있는 내용을 보면 배터리 용량은 1500mAh이다. 내가 사용하는 아이폰 계열은 대략 3000mAh 정도이다. 단순한 계산으로는 마치 이 배터리 2개면 아이폰을 완충할 수 있을 것 같은 느낌이지만 현실은 그렇지 않다.  충전중에 폰이 켜져 있기 때문에 지속적으로 사용되는 전기가 있다. 또한 변환 효율 이라는 것이 있다.  

안타깝게도 18650배터리는 공칭 3.6V -> 충전은 5V -> 아이폰 내부 저장은 3.6V 의 순서로 전압이 변경된다. 3.6V -> 5V 과정에 일부 전기가 손실된다. 만약 변환 효율이 90%라면 10%의 전기가 열로 버려진다. 다시 5V를 내부 저장용 3.6V로 변환시에도 효율이 존재한다. 두번의 전압 변경이 이루어 지는데 둘다 90%의 효율이라면 1500 X 0.9 X 0.9 = 1215 mAh 인 것이다. 18650 배터리는 자연방전도 있다. 즉 충전후에 사용하지 않더라도 전기가 조금씩 사라진다는 것이다. 유통기간이 길면 길수록 전기가 사라져서 실제 구매할때는 1200mAh 정도가 될 수도 있다는 뜻이다. 결국 1000mAh 정도가 모바일폰 내부의 배터리에 충전된다고 보면된다. 충전중 폰을 사용하는 것을 고려한다면 결국 아이폰은 이 일회용 보조배터리가 4개가 있어야 완충할 수 있다는 이야기 이다. 

[ 용량 테스트 중 ]

이 일회용 보조배터리에서 꺼낸 18650 배터리를 충전해보니 1300mAh의 용량도 안되었다. 

5.  불편한 진실 요약

- 원가 대비 너무나도 비싼 가격. 솔찌기 근처에 다이소가 있다면 그곳으로 달려가라 . 그곳에 가면 4 ~ 5000원에 카드형 보조배터리를 판매한다. 전기 용량도 훨씬더 많고, 심지어 재사용이 쉽다. 다이소 보조배터리 제품에 따라서 케이블이 함께 동봉된 제품도 있다. 

- 재사용을 위해서는 18650 배터리 충전시스템 필요. 이에 따라 보통 사람들은 재사용 불가. 지구를 절대 사랑할 수 없다.

- 분리수거 안함. 분리를 위해서는 도구가 필요한데 이 보조배터리 특성상 외부에서 급하게 사용하는 것인데 어느 누가 분리수거를 위해서 분해해서 버리겠는가? 그냥 처음 보는 쓰레기통에 버리겠지. 18650을 보통 쓰레기 처럼 버린다면 지구는 더욱더 아파할 것이다.

- 구매당시 실제 전기 용량이 얼마일지 알 수가 없음.  만약 제조일에서 6개월이 지났다면 실제 용량의 50% 이하가 될 수도 있다.

- 충전속도가 어마 무시하게 느림.  배터리도 일반 방전이지만, Step Up 회로도 소형이어서 실제로는 Current가 0.5A 정도가 한계일듯 하다. 

* Current가 0.5A라는 것을 쉽게 비유하자면 핸드폰의 기본 충전기로 충전하는 속도의 절반 또는 1/4 이하라는 이야기이다. 

6. 결론 

근처에 다이소가 있다면 편의점 보다는 다이소가서 보조 배터리를 구매하는 것이 유리하다. 다이소 마저도 없다면 그냥 편의점에서 고속 충전하는 것을 추천한다. 한 10분만 고속 충전해도 일회용 보조배터리 보다 더 많이 충전될 것이다.  그럼에도 불구하고 정말 구매해서 사용해야 겠다면 사용한 후에 통째로 쓰레기통에 버리지 말자. 귀찮더라도 분해해서 배터리는 따로 분리 배출하자.  지구는 다음 세대로부터 빌려쓰는 것이니까.

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 세상은 늘 변한다. 적응하지 못하면 뒷방 노인네 취급을 받게 된다. 하루에 한개라도 배우고 익혀야 시대에 맞추어 갈 수 있다.