1. DCB184
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| [ DCB184 / DCB205 ] |
디월트 정품 배터리중 20V 5Ah 배터리의 이름이다. 인터넷 검색으로 아무리 살펴보아도 현시점에서 배송비를 포함하면 8만원 정도가 최저가로 구매 가능한 범위이다. 물론 중고나 개인판매등을 제외하고 메이저 쇼핑몰에서 검색한 결과이다. 배터리팩 하나에 8만이라고 하면 상당히 부담되는 것도 사실이다. 사실 베어툴 하나에 10만원짜리도 있으니 배터리 1개 = 베어툴 1개 로 생각할 수도 있다.
2. 호환 배터리
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| [ 대륙산 배터리 ] |
3. 호환 배터리들의 용량에 대한 불편한 진실
위에 이미지로 소개한 정품 & 호환 배터리는 모두 18650 배터리가 10개 들어간다(다만 디월트의 파워스택 계열은 18650배터리를 사용하지 않는다). 2개씩 병렬로 연결한 다섯 뭉치를 직렬로 연결하였다. 용량계산에 있어서 직렬은 배터리 1개와 동일하며, 병렬로 연결하면 2배가 된다. 현재 유통되는 18650의 1개 최대 배터리 용량은 3500mAh이다. 즉 5개를 직렬로 연결하면 21V (20V MAX라 정품배터리는 표현)의 3.5Ah 배터리 팩이 된다. 총 10개의 18650 배터리를 이용한다면 21V 7Ah 정도가 현재 기술의 한계이다. (이 조건을 만족할 수 있는 배터리는 LGDBMJ11865이다 )
호환배터리들 중에서 18650배터리가 10개 들어가는 크기의 것들 표면 붙어 있는 스티커에 9Ah, 8Ah등의 말도 안되는 용량은 전혀 믿을 것이 못되며, 9Ah라 붙어 있지만 3Ah 수준의 호환 배터리도 즐비하다. 스티커는 스티커 일뿐 믿을 것이 못된다. 물론 정품배터리라면 믿어야 하겠지만.. 9Ah를 가지는 21V 배터리 팩이라면 적어도 18650 배터리가 15개는 들어가야 한다.
4. 배터리 고민
호환배터리팩은 뚜껑을 열어보기 전까지 용량 확인이 불가능 한데, 심지어 뚜껑을 열어봐도 알수 없을 수 있다. 일전에 중국에서 로봇 청소기 배터리팩을 살때, 특별히 LG의 HG2배터리가 들어간 것으로 구매를 했다. 배터리팩을 뜯어 보니 마치 HG2가 4개 들어간 듯 했으나, 이상하게 여겨서 18650 배터리의 껍데기를 벗겨보니, 그 안에 또다른 배터리를 감싸고 있었다. 즉 실제 용량을 체크해보기 전까지는 알 수 없다. 또다른 경험으로는 SDI의 30Q를 구매 했는데, 프린팅 자체가 살짝 조잡해 보였고, 실제 용량을 체크해보니 10알 모두가 2000mAh 언저리였다. 사실 내부저항도 너무 커서 중방전 배터리가 맞는가도 의심스러웠다. 실제로 이 배터리로 21V 배터리 팩을 만든적이 있었는데, 배터리 셀이 나가서 분리해 버린 적이 있다.
일단 전동공구에서 사용하려면 20A 출력이 안정적으로 나와야 된다. 보통 전동공구들이 5A 이하의 수준에서 동작하는 것으로 보이지만, 부하가 걸리기 시작하면 10A는 충분히 넘어선다. 만약 10A 출력으로 배터리팩을 만들면, 멀지 않은 미래에 배터리팩을 다시 뜯게 될 것이다.
사용전력에 대해서 아래의 제품으로 예를 들겠다.
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| [ DCV501 ] |
DCV501은 디월트의 무선청소기중 하나로 제품소개에 디월트의 5Ah 배터리를 사용하는 경우 22분간 사용 가능하다고 명시하고 있다. 이 정보를 근거로 하여 부하(Current)가 얼마나 걸리는 제품인지 가늠해 보자.
일단 22분은 22 / 60 = 0.366666 시간
5Ah 배터리가 5A의 부하로 1시간 갈때 청소기의 부하(현재 모름)은 0.3666시간 감
5 : 1 = X : 0.36666
X = 5 / 0.36666 = 13.6366
결국 청소기에 걸리는 부하는 13.6A 이다. 보통 청소기에 걸리는 부하는 전동 공구류들에 비해서 들쑥날쑥하지는 않다. 그리고 BLDC 전동 공구류는 부하가 더 적다. 이 청소기는 BLDC가 아닌 것으로 알고 있다. (아무리 여기 저기 뒤져 보아도 BLDC 라는 이야기가 안 보여서 추측할 뿐이다. )
다른 전동 공구류는 사용환경에 따라서 크게 다른데, 샌딩기정도를 예를들면 5Ah 배터리로 약 40분 정도 사용,가능하다고 한다. 위의 계산식을 이용하면 샌딩기의 경우 약 7.5A 부하가 걸리는 셈이다.
이 두개의 정보에 근거하여 유추해 보면 배터리팩은 10A이상의 연속방전이 이루어져야 한다. 안전을 위해서는 20A 이상의 연속 방전이 가능한 설계이어야 한다. 만약 10A 정도로 설계를 하면 배터리팩에서 열도 심하게 나겠지만, 배터리 성능이 급격하게 떨어질 수 있다.
물론 방전 능력 부분에서 더 높은 방전 능력은 좋다. 40A 정도로 설계하고 10A 정도를 사용한다면 배티러에서 발열도 거의 없을 것이다.
주의 !! 배터리에서 발열이 없다는 이야기이지 배터리팩에서 발열이 없다는 이야기가 아니다. 배터리는 발열이 없을지라도, 내부에 연결된 전선의 종류나 커넥터 부분의 상태등을 봐야한다. 설마 배터리의 +, - 에 연결하는 전선을 22AWG를 사용하였다면, 전선에서 열이 날 것이다.
여튼 이번 배터리팩은 HG2 배터리를 사용하기로 하고 20개를 주문했다. 배터리 구매는 이 블로그 이전 글에서 소개했지만 알리의 Litokara Official store에서 구매했다. 이 가게는 다른 것은 몰라도 용량은 거의 비슷하게 나온다. 방전 능력을 체크하기 위해서는 내부저항이 정확하게 측정되어야 하는데, 내가 가진 측정 장비는 정확한 것이 아니여서 신뢰도가 좀 낮다.
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| [ HG2 16850 ] |
Litokara Store에서 파는 제품은 SDI, LG에서 생산한 제품은 아닌것 같다. 같은 생산라인에서 만들어진 OEM인지는 잘 모르겠으나 프린팅된 글자는 SDI, LG 제품과 다르다. 이점은 참고해서 구매를 하자. (국내 배터리가 좋은 것은 알겠는데, 살 방법이 없음..ㅠㅠ)
아래 18650 배터리를 구매한 링크를 적어본다. HG2 배터리는 30Q, 35E 배터리보다 좀더 비싸다. 6Ah 배터리팩을 만드는 경우 30Q 배터리도 5S2P 연결이기 때문에 최대 30A 방전 능력이 있다. (물론 배터리 제조사가 발표한 스펙에 의거한 내용이다. )
5. 케이스 고민
어차피 호환 배터리 관련된 케이스를 구매하는 것이긴 하는데, 종류가 생각보다 많았다. 사실 정품 배터리팩을 뜯어본 적이 없는 내 입장에서 내부 구조를 알수 없기에, 호환 배터리팩과 정품배터리팩의 차이를 알 수가 없었다. 구글링을 통하여 정품배터리 분해한 사진을 몇장 구해 보았고, 확인된 내용은 배터리팩 내부에 충방전 보호회로가 없다는 것이었다. 즉 정품 디월트배터리들은 충방전할때 배터리팩을 보호해주는 것은 '충전기'이다는 결론이다. 또한 셀밸런싱 회도로 안보였다. 이것도 충전기가 처리해 주는 모양이다. 알리 사이트에서 이 물건 저물건 보다가 DCB200 배터리 케이스를 발견하였다.
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| [ DCV200 ] |
이 제품은 배터리를 제외한 모든 소재가 다 들어가 있다. 구매 가격은 $4 ~ $5 정도 이지만 내가 구매한 스토어는 배송비가 존재했다. 배송비가 아까워서 3개 주문했다. 이 제품을 구매하는 경우 18650 배터리만 있으면 배터리팩 제작이 가능하다. 물론 좀더 편의를 위해서는 스폿용접기가 필요하긴 하다. 물론 납땜으로 불가능한 것은 아니지만 18650 배터리에 전선을 붙이는 작업이 생각보다 스킬이 필요하다.
아래에 케이스를 구매한 링크를 적어본다. 가장 싼 것은 아닐 수도 있고 판매자가 물건을 뺄수도 있지만, 알리의 경우 이 케이스를 파는 사이트는 정말 많다.
6. 제작 과정
스폿 용접기를 가지고 있다면 제작 과정은 상당히 쉽다. 니켈플레이트까지 준비된 세트라서 먼가 자를 것도 없고 위치 잘 잡고 스폿하면 되기 때문이다.
일단 배터리 부터 잘 줄을 세우자.
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| [ 방향 조심!! ] |
위의 사진처럼 배터리를 끼울수 있는 플라스틱 부품이 있는데, 위쪽의 모양을 주시하면서 교차하도록 배터리를 끼우면 된다. 배터리 탈착 버튼이 있는 쪽을 오른쪽으로 할때 마이너스쪽이 보여야 한다.
그다음 스폿 작업을 하기 전에 끼워진 배터리들을 고정해야 한다. 그냥 끼워 놓은 상태에서는 이리 저리 움직여서 스폿하기 힘들다. 처음에는 고무줄로 고정해보고, 잘 안되어서 나무를 대고 클램프로 고정을 해보기도 했지만 자꾸 배터리가 움직였다. 결론은 절연 테이프가 대박이다.
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| [ 테이프로 꽁꽁 ] |
그냥 두세바퀴 감아주면 끝이다.
스폿용접을 할때 배터리의 양극 부분에는 절연지를 붙이고 스폿을 한다. 18650배터리의 양극 쪽에는 음극도 가까이 있는데, 스폿중 니켈 플레이트가 가열되면서 기존의 절연체(비닐)을 녹여서 합선이 되기도 하고, 과다 전류 사용으로 역시 니켈 플레이트 가열로 합선이 발생하기도 한다. 이런 경우 불꽃쇼를 볼 수 있다. 이러한 이유로 절연지를 붙인다.
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| [ 절연지는 필수? ] |
물론 절연지가 필수는 아니다. 좋은 스폿 용접기를 사용하고 있다면 스폿중에 니켈 플레이트가 심하게 가열될 일도 없고, 최대 부하 (Current)가 높지 않은 경우라면 역시나 열이 발생할 일은 없다. 중국산 호환배터리팩도 뜯어보니 절연지를 사용하지 않았다.
스폿 직전에 니켈플레이트 조각들의 납땜위치를 사포로 살살 긁어놓아 주면 편리하긴 한데, 처음 만드는 사람인 경우 납땜 위치를 알 수 없기 때문에 일단 생각하기로 한다. (스폿하고 나서 사포로 긁어줘도 상관없기 때문이다.)
니켈 플레이이트를 대고 스폿하는 작업은 상당히 주의를 요한다. 아무 생각없이 니켈 플레이트를 18650 배터리 위에 놓다가 불꽃쇼를 보게 될 수도 있다.
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| [ 방향을 꼭 확인 !! ] |
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| [ 방향을 꼭 확인 2 !! ] |
스폿 용접이 끝나면 납땜을 해야 한다. 총 납땜 포인트는 6곳 인데 이중 4곳은 셀밸런싱을 위한 포인트이다.
처음 이 제품을 샀을때 가장 난감한 부분이 셀밸런싱 케이블을 어떻게 연결해야 할까 고민하였다. 힌트는 PCB에 있었다.
PCB에서 총 8가닥의 전선이 나오는데, 굵은 선을 빼고 가느다란선 6개를 잘 살펴보면 -, B4, B2, B1, B3, + 의 순서로 PCB에 프린팅이 되어 있다. 가느다란 선 -와 +는 배터리 잔량 체크 하는 부분에 이미 연결되어 있었다. 일반적으로 BMS를 연결하는 순서는 0V, 4.2V, 8.4V, 12.6V, 16.8V, 21V의 순서이다. 특별히 이 PCB는 그 순서를 지키지 않아도 될꺼 같았다. 이유는 셀밸런싱 회로 자체가 PCB에 없고(충전기쪽에 있고) 방전 보호회로도 없어 보였기 때문이다.
일반적인 표기법에 따라 B1은 4.2V 위치에, B2는 8.4V 위치에, B3은 12.6V 위치에, B4는 16.8V 위치에 연결하면 된다. 각 전압의 위치를 잘 모르겠으면 테스터기로 찍어서 찾으면 된다.
일단 납땜하기 전에 전선들의 자리를 잡아 보았다.
이 제품의 경우 노란색 전선이 가장 길었는데, 위치가 딱 맞는다. B1 포인트가 PCB에서 가장 멀기 때문이다.
그림으로 그려서 좀더 정확한 위치를 표현하면 아래와 같다.
(흰색전선은 배경때문에 회색으로 그렸다. )
위의 이미지는 셀 밸런싱을 위한 케이블의 위치를 나타낸 것이며 0V와 21V 의 케이블은 표시하지 않았다. 실제 내경우 납땜은 0V, 4.2V, 8.4V, 12.6V, 16.8V, 21V 순으로 했다.
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| [ 납땜 완료 - 위에서 ] |
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| [ 납땜 완료 - 오른쪽에서 ] |
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| [ 납땜 완료 - 왼쪽에서 ] |
여기까지 작업했다면 거의 끝난것이나 마찬가지이다.
플라스틱 케이스는 틀리게 조립할 수 없다. 맞는 방향으로만 결합할 수 있고, 그외의 방향으로는 절대 결합 할 수 없기 때문이다.
일단 뚜껑을 덮고 잔량 측정 버튼을 눌렀다. (물론 그전에도 중간 중간 눌러 보기는 했다.)
막상 만들고 나니 옆면이 횡하니 많이 아쉬워 보였다. 판매되는 호환배터리는 횡한 부분에 스티커가 붙어 있다. (그넘들 참.. 스티커라도 대충 찍어서 같이 팔지....)
집에 있는 라벨프린터기를 써서, 몇글자 프린팅해서 붙였다. 제작 과정에 소개한 소재(HG2 18650)들은 6Ah 배터리 팩인데, 맨 마지막 라벨프린터기로 붙여놓은 것은 5Ah이다. 이는 배터리팩을 두개 만들었고 그중 하나가 5Ah이다.
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| [ 절대 쌍둥이 아님 !! ] |
7. 테스트 및 결론
일단 결론 부터 말하자면 성공이다.
- 1차 충전 테스트
디월트의 정품 충전기 DCB115를 사용하였다. 사실 처음에는 충전이 안되는 상황이었다. (정확하게는 풀 충전 상태라 안되는게 정상이다.)
- 소형 체인쏘로 1차 방전 테스트
배터리도 사용해 볼 겸, 동작이 잘 하나 테스트 해보겸 가지고 있던 소형 체인쏘로 동작을 테스트 해보았다. 이 체인쏘는 마키다 배터리를 사용할 수 있는 제품이다. 실제로 마키다에서 판매하는 물건은 아니다. 디월트배터리 -> 마키다 배터리로 바꿀수 있는 젠더를 사용하였다.
이 젠더만 있으면 디월트의 배터리를 디월드 전동 공구와 마키다 전동 공구 모두에 사용할 수 있다. 동작은 잘 하였다. 배터리를 사용하려고 시끄러운 소음을 참으며 체인쏘를 동작시켰으나 5분 정도도 동작 못하고 포기했다. (실내에서는 너무 시끄럽다.)
- 2차 충전 테스트
체인쏘에서 분리해서 다시 충전기에 걸었다. 상황은 똑같다. 디월트 충전기의 경우 충전중이면 빨간불이 깜빡 거리는데, 배터리를 연결해도 계속 빨간 불이 켜져 있었다. 이때 참 고민 많이 했다. 배터리팩이 제대로 만들어진 것이 맞는지 아니면 충전기가 정상동작 하는 것이 맞는지 등등...
- 2차 방전 테스트
일전에 LED등을 만들어 놓은 것이 생각났다. 배터리팩에서 +, - 선 따서 LED등에 연결해 놓고 30분간 다른 일을 했다. 20W 정도의 소비전력을 가지는 등이니 대략 30분 정도 켜 놓으면 0.5Ah정도 사용한다고 볼 수 있다. 물론 이 시간 동안 배터리팩은 잘 동작했다.
- 3차 충전 테스트
다시 DCB115에 충전을 걸었더니, 빨간불이 깜빡거리기 시작했다. 안도의 한숨을 쉬었다.
충전 시작 조건이 따로 있는 듯 하다. 즉 특정 전압 아래로 내려가지 전까지는 충전을 하지 않고 기다렸다가 기준 이하가 되면 충전을 하는 것 같다. 예를들면 20.5V 이상인 경우에는 만충이 아니더라도 충전을 하지 않고 있다가, 이 기준 이하로 떨어지면 충전을 시작하는 것이 아닌가 생각된다. (어차피 내가 충전 회로를 설계한 것이 아니기 때문에 그냥 짐작이다.)
8. 마지막으로
내가 배터리팩을 만드는 이유는 현재 내가 사용하는 전동공구들이 보쉬의 12V 시스템인데 20V 전동 공구들을 사용해야할 일들이 생겨나고 있기 때문이다. 20V 배터리로 보쉬, 마키다, 디월트 3개를 고려하였는데, 중고시장에 풀려있는 전동공구들은 디월트가 가장 많아서 디월트 배터리팩을 만들게 되었다. 나는 전동공구를 사기전에 배터리팩 부터 고민하였다. 정품기준으로 디월트배터리팩이 가장 비싼데 직접 만드는 경우에는 3개 회사 배터리팩의 제작 비용은 거의 차이가 없다. (사실 가장 핵심은 18650 배터리 10개를 얼마에 사냐가 관건이다.)
사실 아무 용도가 없는 상태로 배터리팩을 만들리는 만무하고, 처음 시작을 마눌님을 위하는 척 DCV501(디월트 무선 청소기)를 사주면서 이러한 시스템을 구성하였다.
"마눌님 청소기 배터리 빼서 여기서 충전하면 되요~"
청소기에서 배터리를 탈착하는 법, 배터리를 충전하는법 등등을 한번씩 가르쳐 주었다. 사실 나를 위하여 준비한 배터리 및 충전기 이지만 마눌님을 위하는 척 잘.. 넘겼다.
- 방전률이 높은 18650 배터리를 이용하는 작업은 화재, 폭발의 위험이 있습니다. 충분한 지식을 가지고 있더라도, 잠깐의 부주의로 사고가 발생할 수 있습니다. 사고는 본인의 책임입니다.
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