활용도가 높은 파워뱅크를 만들어 보자 - 제1편 (설계 및 재료 조달편)

미안함 때문에...

 파워뱅크 1차 버전을 만들어서 선물하였다 (총 2개 제작) . 파워뱅크를 먼저 선물받은 사람은 캠핑을 좋아하는 사람이기에 엄청 좋아했다. 컨셉 자체가 전등을 켤 수 있게 만들었고, 필요시 핸드폰등을 충전할 수 있으며, 쌀쌀한 날씨에는 전기장판(12V 용)을 켤 수 있는 구조였다. 

 하지만 문제는 전기장판을 최대 4시간 정도밖에 켤 수 없는 것이었다. 배터리 자체가 전동휠체어에서 떼어낸 배터리이고, 여러해 지난 배터리이기 때문에 실제 용량은 표시된 용량의 절반 정도 이었다. 표시용량 그대로 용량이 나와도 전기장판은 8시간 정도밖에 켤 수 없는 정도의 작은 용량 배터리이었다. 

[ 지인에게 선물한 1호 버전 ]

 선물 받은 사람이 한번 캠핑 갔다가 와서 후기를 말해주었는데, 일단 LED 등은 정말 좋았다고 한다. 충분히 필요한 밝기를 제공하였다고 했다. 그후에 밤에 잘때 전기장판을 연결하고 잠들었는데, 두시간 뒤에 깨어났다고 한다. 이건 저전압 방지용 릴레이 스위치 모듈이 붙었다가 떨어졌다가 하는 현상이 반복되어 시끄러워서 깨어났다고 한다. (구조상 11V 경계를 배터리 전압이 왔다 갔다하면 이러한 현상이 발생한다.) 그래서 전원을 끄고 잠들었는데, 살짝 추웠다고 한다. 이러한 문제점 때문에 선물을 주었지만, 살짝 미안한 감정이 들었다. 

 그래서 새로운 버전을 하나 만들어 주기로 결심했다. !!

요구사항 수집

 요구 사항을 수집한다니, 먼가 거창한 것 같기는 하지만 1차 버전 제공자에게 필요한 기능이나 조건등이 있는지 물어 보았다. 수집된 요구 사항은 아래와 같다.

1. 6시간 정도의 전기장판 사용 가능

2. 필요시 점프 스타터로 사용 가능 (자동자 배터리 방전시 사용)

3. 파워뱅크의 높이가 11cm 이하 

4. 파워오프 전압(11V) 근처에서 릴레이 스위치가  on/off가 자주되는 현상 제거

일단 설계

일단 요구 사항에 맞게 설계해 보았다.  설계라고 말하기 껄끄러울 정도로 간단한 회로이며, 아래와 같다. 

 크게 어려운 내용은 없고 저전류를 컨트롤 할 수 있는 push 스위치가 릴레이 스위치를 제어하고 릴레이 스위치가 큰 전류를 제어하는 형태이다. 저전압 보호회로는 BMS에 들어가 있고, 한번 저전압 보호상태가 되면 충전 전까지는 출력이 되지 않는다. 즉 릴레이 스위치가 on/off를 마구 마구 왕복하는 일은 없다. 

 점프 스타터 기능을 위하여 배터리셀에서 직접 +, -를 뽑아내는 것도 설계하였다. 이 출력은 BMS와는 관계되지 않으며, 직접 출력한다. 배터리셀 하나가100A를 출력할수 있으며 설계가 4S2P 설계라 총 12V 200A를 순간적으로 출력이 가능하도록 하였다. 

내부 회로는 위와 같은 방식으로 하고, 케이스는 합판으로 만들 예정이다. 케이스 디자인(?)에 관련해서는 일단 손으로 슥슥 그려 보았다. 

[ 대략 이런 느낌인데... ]

사실 노트에 그렸는데, 내 머리속으로는 위의 그림으로 이해가 되는데, 다른 사람들은 쉽지 않을것 같다. 일단 손잡이가 있는 2번 파츠와 스위치가 있는 3번 파츠가 있다. 1번 파츠는 배터리를 담고 있는 그냥 네모난 상자정도이다. 

재료 수급

 늘 그렇듯이 대륙의 알리 사이트에서 재료를 수급하였다. 

- Push switch : 일전에 구매해둔 모듈을 사용하였다. 단순 연결이 아니라서 관련해서는 이전에 글로 기록을 남겨두었다.

     [ 5핀 LED 스위치를 사용해보자 ]

- Bettary Cell & BMS :  이전에 장수 배터리를 만들면서 사용한 배터리 셀과 그것과 비슷한 BMS를 사용하였다. 이 배터리셀은 지름 40mm, 길이 160mm 정도이다.

   [ 장수 배터리를 만들어 보자 - 1편 ]

- Bettary 상태표시 모듈 & USB 충전 포트 : 1차 버전에서도 충전 상태 표시 및 USB로 출력이 동시에 가능한 모듈을 사용하였다. 이번에는 좀더 욕심을 내서 미려하고, USB 충천 시간이 빠른 모듈을 구매하였다. 

[ 버튼을 누르면 충전 상태 표시 ]

- 100A Relay Switch : 대략 자동차 스타팅 모터용으로 사용하는 것을 구매하였다. 아래의 이미지에 해당하는 제품을 구매하였으며, 대략 오백원 정도 한다.

- 5.5 파이 & XT60 연결잭 : 5.5파이는 3A 이하의 전력일때 사용, XT60은 대략 10A 정도 까지의 전력일때 사용

- 그외 전선 어느 정도, 케이스 제작용 합판 어느 정도이다. 특히 합판은 자투리 목재를 구매하여 사용하며, 큰 크기가 필요한 경우에는 목공용 접착제로 붙여서 사용한다.

사실상 재료 조달이 생각보다 오래 걸리고 있다. 현재 모든 재료가 조달되는 기간을 1개월 정도로 잡고 있다. 

제작 과정은 다른 글로 소개할 예정이다. 

2024-06-03 추가

- 100A Relay Switch를 구매하여 테스트중 생각보다 발열이 심한 것을 발견하였다. 원래 자동차의 스타팅모터용이라서 사용시간이 긴 것에 목적을 두고 있는 것은 아님을 알고 있었지만, 사용하기에 부담스러운 발열을 보였다. 발열이란 것이 결국 전력을 소비하는 것인데, 파워뱅크에서 이러한 릴레이 스위치를 사용한다는 것은 부담이다. Solid State Relay (SSR)을 사용하려고 이것 저것 찾아 보았는데, 마땅한 것을 발견하지 못하였다. 그러다가 문득 BMS에 존재하는 온도센서를 생각해 내었다.  

[ 제품 소개 페이지에서 발췌 ]

위의 제품(내가 이번에 사용한 BMS)의 경우 제품 소개 페이지에 온도 센서를 어디에 부착하면 되는지 표시해 주고 있다. 온도센서의 경우 온도가 낮을 경우 저항이 굉장히 크다가, 온도가 높아지면 저항이 작아지는 형태이다. 위의 이미지에서 보면 두곳의 납땜자리(붉은색 동그라미 부분)가 있는데 저곳이 연결되면 BSM의 출력이 끊긴다.

연결된 부분을 끊는다고 바로 BMS가 출력하는 것은 아니다. 위의 사진 기준으로 오른쪽이 마이너스쪽에 붙어야 BMS가 다시 출력한다. 

이에 따라서 On/Off를 온도센서 단자로 제어 하기 위해서는 위 이미지 기준으로 On시에는 오른쪽이 BMS의 마이너스 출력에 붙게하고, Off 시에는 왼쪽이 BMS의 마이너스 출력에 붙이면 된다. 제품에 따라서 BMS의 마이너스 출력이 아니라 배터리의 마이너스쪽에 붙여야 동작하는 것들도 있다. 

- 안전을 위해서 온도센서를 달고, 과열에 대비하여야 하는 것이 정석이나 실제 사용을 고려한다면  과열이 될 이유는 없다. 위에 BMS는 출력이 100A(피크 300A)가능한 모델인데, 실제 사용은 1A 수준으로 사용하기 때문이다. 충전 역시 보통 5A(최대 8A)로 충전한다. 

- 2024-06-04 추가

위의 설계를 바탕으로 제작하는 과정은 아래의 링크를 통하여 확인이 가능하다/

[ 파워뱅크 제작편 ]

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