장수배터리를 만들어보자 - 제1편 (연구 및 재료 조달편)

- 방전률이 높은 리튬 배터리를 이용하는 작업은 화재, 폭발의 위험이 있습니다. 충분한 지식을 가지고 있더라도, 잠깐의 부주의로 화재, 부상, 사망 사고등이 발생할 수 있습니다. 사고는 본인의 책임입니다. 

0. 서론

 시골 어머니의 전동 휠체어 배터리가 말썽이었다. 편도 3km 정도도 왕복을 못할 정도로 배터리의 상태가 나쁘게 되었다. 전동 휠체어는 두번째 구매였는데, 이번 버전은 배터리 수명이 이전 버전보다 짧았다. 

[ 전동 휠체어 ]

배터리를 교체하기 위하여 1차적으로 분해하였고, 크기를 조사하였다.

[ 세상 좋다. 핸드폰으로 크기 측정 가능 ]

사실 핸드폰으로 재는 것은 비 추천이다. 1cm 정도의 오차가 생길 수 있다. 일반적으로 전동 휠체어에 사용되는 배터리는 일반 납산배터리는 아니며, 딥사이클용 배터리가 사용된다.  물론 요즘에는 또다른 트랜드가 생겼다. 

1. 장수배터리란?

 어감으로 느낄때 오래쓰는 배터리 정도로 생각된다. 국내에서는 해당 이름은 제품이름으로 등록되어 있다. 

[ 장수배터리 50A ]

생김새는 일반 납산 배터리 비슷하게 생겼지만, 실제 구성은 전혀 다르다. 리튬인산철(이하 LFP) 기반의 배터리이다.  납산 배터리의 최대 사이클(충방전)이 300회 정도라면, LFP 배터리는 3000회 정도로 훨씬더 오래 사용이 가능하다.  또한 LFP 배터리는 에너지 밀집도가 납산 배터리보다 높다. 같은 부피라면 LFP 배터리에 전기를 두배 정도 더 담을수 있다고 생각하면 된다. LFP 배터리의 단점은 당연히 가격이다. 대략적으로 계산하면 LFP 배터리는 10배 더 오래 쓸 수 있지만 가격이 4배 더 비싸다. 

LFP 배터리(4개 직렬연결시)는 만충전압이 14.4V로 납산배터리와 동일하며 사실상 자동차배터리로도 사용가능하다. 

이 장수배터리라는 것을 구매하여 어머님 전동차의 배터리를 교체할 계획이었으나, 안타깝게도 적당한 크기의 제품이 없었다. 20cm X 16cm의 바닥에 올려져야 하는데, 배터리를 받치는 프레임이 가운데 비어 있어서 크기가 작으면 프레임 중간을 가로 지르도록 용접을해야 하며, 크기가 크면 프레임 프레임 자체를 잘라서 다른 조각으로 이어 붙어야 하는 상황이었다.  배터리가 큰 경우가 작업량이 훨씬더 많은 상황이었다.  높이도 마냥 높은 것을 넣을 공간이 아니라는 것은 알았지만, 설치시에 보니 실제 배터리보다 4cm 정도 높아지니 커버를 씌우는데 문제가 생기긴 했다. 

선택지는 아래의 가지 였다.

- 크기가 작은 LFP 배터리를 사서 용접을 몇 포인트 해서 교체한다.

- 크기가 큰 LFP 배터리를 구매하고, 전동차 프레임을 잘라내고 다른 소재로 이어 붙여서 장착한다.

- 필요한 크기의 LFP 배터리를 제작한다.

내 수준에서 용접은 정말 손방인터라 결국 LFP 배터리를 제작하기로 결정했다.

2. LFP 배터리 셀

LFP 배터리 셀은 종류가 원기둥 모양과, 직육면체 모양이 있다. (사실 만들기 나름 아닌가? 필요하면 삼각기둥 모양으로도 만들듯 하다.) 

[ 직육면체 모양의 LFP 배터리 셀 ]

[ 원기둥 모양의 LFP 배터리 셀 ]

14.4V 를 만들기 위해서는 4개를 직렬로 연결해야 하며, 총 80Ah로 만들기 위하여 다시 병렬로 4개를 연결하기로 결정하였다. 4 X 4 = 16개가 필요하며, 이를 2개 (원래 전동 휠체어가 12V 배터리가 2개 들어간다) 만들기 위하여 32개를 구매하였다.  배터리 1셀당 대략 가격은 1만원정도 한다.  구매 링크는 아래에 기재한다.

[ 배터리셀 구매 링크 ]

* 아.. 내가 이렇게 알리를 광고해주는데 커미션 좀 받으면 좋겠다. 

32개를 동시에 주문하면 관세를 내야 하기 때문에, 16개씩 따로 따로 주문했다. 주문후 2주 정도에 집에 안전하게 도착했다.  수령후에 각 셀들의 전압을 측정해 보았으며, 각 셀은 3.14 ~ 3.16V로 거의 일정하였다. 

3. BMS (Battery Management System)

처음에는 BMS를 사용하지 않고 배터리팩을 만들려고 했었다. 배터리셀을 먼저 구입하여 4S4P 연결 방식으로 연결한 다음에 충전을 걸어 보았다.  배송당시 각 셀들의 전압이 3.16V정도로 일정했다. 4개의 직렬연결을 했기 때문에 전압은 12.64V 이었다. 이렇게 연결한 상태에서 14.4V를 걸어서 충전해보았다. 충전은 10A로 대략 30분 정도한 다음에 각 셀의 전압을 측정해 보았다.

 결과가 너무 안타까웠다. 중간에 걸쳐있는 셀 대비 끝자락들의 셀이 전압이 상대적으로 높았다. 가장 높은셀이 3.7V 정도였고, 가장 낮은 셀이 3.4V 정도였다. 

결국 충전시에 셀 밸런싱이 필요하다고 생각하게 되었고 BMS를 구입하게 되었다.

[ BMS ]

이것은 BMS는 LFP 배터리 4셀을 위한 녀석이다.  

내가 구입한 링크는 아래와 같다.

[ 4S LFP용 BMS 구매링크 ]

구매링크를 따라가서 무조건 구매하는 것은 아주 좋지않은 생각이다. 자신의 상황에 따라서 성능을 잘 살펴야 하며, 내가 구매당시 세일중이었을떄 확률도 크기 때문에, 구매하기전에는 열심히 따져봐서 구매하는 것을 추천한다. 

이 물건의 가장 맘에 드는 부분은 평상시 150A를 흘려 보낼 수 있으며 순간 최대로 300A를 보낼 수 있는 부분이다. 물론 판매자가 기록해 놓은 글이기 때문에 성능을 확실하게 믿지는 못하지만, 대략 50A는 충분히 Current로 내보낼수 있는 형태로 보였다. 내가 가지고 있는 장비로는 허용전류가 측정 불가능하며, 전동휠체어는 이론상 15A 이하로 부하가 걸리는 것으로 추정된다. 

4. 기타 부자재

단순히 배터리셀과 BMS 만으로 배터리팩을 만들수 있는 것은 아니다. 케이스를 만들 소재, 최소 30A를 보낼수 있는 전선이 1미터 정도 필요하다.  전선의 경우에는 8AWG 정도면 될듯 한데 내 경우 가지고 있는 것이 없어서 네X버에서 차량용 접지선을 구매하였다. (이유는 전선의 끝자락에 링터미널이 필요했는데 마침 이게 용도에 맞는 터라 2개를 구매했다.

그외에 뭐 땜납, 절연 테이프, 로프(?) 등이 필요하다. 대략 집에서 굴러다니는 것들이라서 이번에 구매한 것은 아니다. 

만드는 과정은 아래의 링크를 확인해 보자.

[ 장수배터리를 만들어 보자 - 제작편 ]

- 방전률이 높은 리튬 배터리를 이용하는 작업은 화재, 폭발의 위험이 있습니다. 충분한 지식을 가지고 있더라도, 잠깐의 부주의로 화재, 부상, 사망 사고등이 발생할 수 있습니다. 사고는 본인의 책임입니다. 

탁상드릴(Bench Top Drill Press)을 위한 퀵 릴리즈 클램프를 만들어 보자 - 2편 (제작편)

0. 설계도 확인

일단 설계도를 한번더 확인해보자. 크게 3파트로 나뉘어져 있다. 

위의 그림에서 본다면 1번(하얀색), 2번(초록색), 3번(빨간색)으로 구별된다.
설계 관련된 내용은 아래의 링크(1편)을 참조하자.

1편 (설계편)

1. 1번 파츠 만들기

1번 파트는 처음부터 3조각을 붙이는 것으로 설계했다. 직쏘 같은 것으로 자른다면 1개 조각으로 가능하겠지만, 가공의 편리성을 위하여 3조각을 붙이는 방식으로 설계했다.

각 조각을 일단 아래와 같이 준비한다. 

같은 소재로 3조각을 준비하여도 되지만, 힘을 받는 다리 부분이라서 좌우 조각은 대나무를 이용했다. 특별히 대나무를 산것은 아니고, 길거리에 버려진 부서진 행거(대나무로 되어 있었슴)를 주서다가 분리해 놓은 것이 있어서 사용하였다.

약 30mm 부분은 8mm 전산볼트가 지나갈 자리이기때문에 미리 구멍을 뚫어 놓는다. 붙여 놓으면 대략 120mm 정도 깊이로 구멍을 가공해야 하기 때문에 작업이 어려울수 있으니 미리 가공을 한다. 아래의 그림 참조

[ 구멍 참조 ]

구멍 가공이 다 되었으면 목공용 접착제를 이용하여 3조각을 붙인다.

가운데 조각이 좌우 조각과 비교하여 살짝 두꺼워서 작품이 그렇게 이쁘게 나오지는 않았다. 어쩔수 없이 붙이고 나서 샌딩을 해서 높이를 맞추었다.

[ 사포로 갈아냈음. ㅠㅠ ]

혹시나 목공용접착제로 붙인 부분이 힘을 받으면서 떨어질까 걱정되서 좌우 조각과 가운데 조각을 고정시키는 피스 2개를 찔러 넣었다.

[ 위 : 피스구멍, 아래 : 전산볼트용 구멍 ]

1번 파츠에 대한 이후의 작업은 2번,3번 파츠를 만들고 나서 작업했지만, 어차피 작업 순서는 크게 차이가 없기 때문에 먼저해도 상관없다.

사실 위의 사진만 봐서는 와셔나, 스프링이 왜 저 위치에 고정되어 있는지 알 수 없을 것이다. 와셔 위치는 2번 파츠의 노브 볼트가 접촉되는 부분이며, 스프링의 위치 역시 1,2번 파츠가 만나는 부분이다. 

[ 오늘의 희생자 ]

다 만들고 사용해보니, 고정시킬때 살짝 미끄러운 느낌이 들어서 코팅장갑을 잘라서 다리 부분에 붙였다. 나름 미끄러지지 않고 좋다.

[ 희생은 헛되지 않았다. ]

2.  2번 파츠 만들기

2번 파츠 역시 2개의 조각을 붙여서 만든다.  1번 파츠가 여러 조각을 붙인 이유는 모양새 때문이라 하면, 2번 파츠는 두께를 위해서 붙였다. (두께를 30mm쯤으로 만들기 위해서..)

너비는 1번 파츠와 같게 만들면 된다. 길이는 1번 파츠보다 30mm 정도 짧으면 된다. 1번 파츠의 와셔 위치 및 스프링 위치에 맞추어 8mm구멍, 스프링위치의 중앙에 3mm 구멍을 뚫었다.  스프링쪽은 위치 확인용이다. 

8mm 구멍쪽으로는 전산볼트 + 노브를 이용하여 조이거나 풀 예정이어서 아래의 사진과 같이 너트를 하나 찔러 넣는다. 너트가 있는 면은 실제 사용할때는 보이지 않는 면이다.

또한 1번 파츠와 2번 파츠를 결합하기 위하여 2번파츠 좌우에 연결용 조각을 피스로 고정시켰다. 

[ 1, 2번 파츠를 연결한 모습 ]

1, 2번 파츠의 연결은 8mm 전산볼트를 가로질러서 끼우고 좌우에 너트 2개를 이용하여 고정하였다.

[ 스프링의 위치 확인 ]

스프링의 역활은 뒤쪽에서 간격을 벌려서 앞쪽이 들어 올려지게 만든다. (스프링이 없다면 앞쪽이 밑으로 쳐지게 되어 사용하기 불편해진다.)

[ 앞쪽이 쳐진 상태 ]

3. 3번 파츠 만들기

역시나 두께를 위하여 동일한 크기로 두개 준비한다.

[ 15mm 합판 ]

[ 양생중 ]

목공용 접착제를 이용하여 잘 붙이고, 중심의 위치를 표시한다.

가운데 구멍이 45mm 정도 이어야 하기때문에 대략 적인 그림을 그려 보았다. 어차피 홀쏘를 사용할 것이라서 원을 그리는 것이 큰 의미가 있는 것은 아니지만, 대략적인 형태를 짐작하기 위하여 연필로 대충 그려 보았다.

3번 파츠는 위의 사진과 같이 꼭 절반을 잘라낼 필요는 있는 것은 아니지만, 드릴 프레스에 결합, 해체가 용이하도록 반을 가르고 8mm 구멍을 냈다.  한쪽에는 Insert nut를 꼽아서 다른쪽에서 조일수 있도록 만들었다. 

[ Insert Nut (번데기 너트) ]

반대편은 아래의 사진과 같이 8mm 볼트에 노브를 달았다. 

4. 마지막 결합

1번 파츠와 2번 파츠는 피스 방식으로 연결했다.  3번 파츠는 먼저 연결한 파츠에 목공용 접착제로 붙인다.  

다만 3번 파츠와의 연결은 나머지 파츠와의 높이를 고려해야 한다. 드릴 프레스와 결합 했을때의 상황을 고려하여 같은 높이에서 접착하는 것이 아니라 3번 파츠 보다 나머지 파츠들이 아래쪽에 위치하도록 붙여야 하는 경우가 있을 수 있다.  위의 사진에서 보면 '단차필요'라고 적은 부분과 관련이 있다. 또한 단차가 큰 경우에는 3번 파츠와 나머지 파츠들의 결합력이 떨어질 수 있기 때문에 '보강재'를 추가로 붙일 필요가 있다. 

5. 실제 사용

실제 사용하는 형태는 아래의 사진을 참조하자.

실제 사용하면서 첫번째 문제점이 2번 파츠 상단의 고정용 노브의 크기가 너무 작아서, 고정할때 손가락이 너무 아팠다. 이걸 보안하기 위하여 노브를 좀더 크게 만들어서 고정하였다. 손가락은 편해지긴 했지만 '퀵 릴리즈' 라는 이름에 살짝 걸맞지 않은 느낌이다. 고정용 노브에 대해서는 향후 기계공학적(먼가 거창하네.....)으로 개선할 예정이다. 

- 2024-04-22 추가

2번 파츠 상단의 노브를 퀵릴리즈 컨셉에 맞게끔 다시 만들려고 하였으나, 일종의 귀차니즘 때문에 아직도 못 만들었다. 다만 노브를 크게 만들어도 고정을 하기 위해서는 그리 편안하지 않았기에, 급한데로 중간 단계의 개조를 진행하였다.

노브에 구멍을 4향으로 뚫어서 필요시에 핸들을 꼽아서 돌리는 구조이다. 말로 설명하기 어려우니 아래의 사진 2장을 참조하자.

[ 4개 구멍 추가 ]

[ 핸들은 M8 볼트 ]