드론은 기술의 백과사전입니다. 기계, 전기, 전자 공학 등, 드론을 하나하나 알아가다 보면 대부분의 현대 공학 기술을 모두 만나볼 정도입니다. 그만큼 드론은 하늘을 나는 꿈을 위한 가장 진보한 기술인가 봅니다.

드론을 취미로 가깝게 만날 수 있게 된 데는

편안하고 안전한 비행을 보조하는 다양한 센서와

계속 발전한 비행 제어 프로그램도 한몫을 하지만

그중에서도 드론의 배터리는 특별합니다. 출력과 용량이 클수록 무거워지는 게 당연한 물리법칙입니다. 하지만 드론의 배터리는 작은 크기에도 높은 에너지를 저장합니다.

지구의 평화를 지키던 로봇도 내장 배터리로 고작 5분밖에 동작하지 않았지요. 사진=https://namu.moe

그러나 같은 공간에 많은 에너지를 넣을 에너지 밀도가 높은 리튬폴리머 덕분에 드론의 비행시간이 점차 길어지고 있습니다.

DJI의 최신 드론 매빅 미니는 30분이라는 소형 촬영 드론 최장 비행시간을 자랑합니다. 사진=https://store.dji.com

모든 드론은 리튬폴리머(LiPo) 배터리를 사용하거나 아니면 그보다 0.15V 더 높은 전압을 가지는 리튬하이볼티지(LiHV) 배터리를 사용합니다. 드론의 종류가 아무리 다양해도 리튬폴리머 배터리를 사용하는 것은 다르지 않습니다. 그런데 드론의 배터리는 속은 같아도 겉이 틀리죠.

촬영 드론의 배터리는 같은 회사라도 호환조차 되지 않습니다. 사진=https://www.dji.com

드론의 사양에 따라 새로운 배터리가 필요한 거야 이해가 되지만

별도로 부품을 구매하는 레이싱 드론도 배터리가 모두 다릅니다.

레이싱 드론의 배터리는 크기와 사양에 따라 다를 수 있지만 커넥터조차 모두 다릅니다. 시장 선점을 위해 다른 드론과 호환을 방지하기 위한 건 아닐 텐데 대체 왜 레이싱 드론의 배터리도 모두 다른 모양의 배터리를 가지고 있는 걸까요? 그리고 어떤 배터리는 커넥터가 2개나 있는 걸까요? 드론스타팅과 오늘 살펴볼 이야기는 드론 배터리 커넥터입니다.

 드론과 함께 조종기 그리고 충전기와 배터리가 모두 들어 있는 촬영용 드론은 배터리가 어떻게 생기든 고민할 필요가 없습니다. 충전을 하건 드론과 결합하건 정해진 방향으로 결합하기만 하면 그만이니까요. 하지만 레이싱 드론의 배터리는 다릅니다. 배터리의 성능이 드론의 성능과 비례하기 때문에 배터리 선택은 많은 고민이 필요합니다.

리튬폴리머 배터리는 기본 배터리 셀을 직렬로 연결해서 만들어집니다. 사진=https://blog.naver.com/smoke2000/220723558665

하나의 배터리 셀은 완전히 충전했을 때 4.2V의 전압을 가집니다. 이보다 높아지면 수명이 줄거나 망가집니다. 이 배터리 셀 두 개를 직렬로 연결하면 8.4V가 되고 4개를 연결하면 16.8V가 되지요. 배터리에 달린 가장 큰 커넥터가 연결된 배터리 셀의 시작과 끝에서 만든 전압이 나오는 곳입니다.

배터리는 이런 구조로 되어 있습니다. 사진=https://blog.naver.com/smoke2000/220609773374

메인 전원 커넥터와 함께 있는 하얀 커넥터는 각각의 셀들과 연결되어 있습니다. 그래서 4셀 배터리라면 가장 끝에 (-) 단자를 포함해서 5개 전선으로 되어 있지요. 이 커넥터를 밸런스 커넥터라고 부릅니다.

이 커넥터는 모든 배터리 셀이 같은 전압으로 충전이 되도록 조절하는 역할을 합니다. 사진=https://www.banggood.com

드론의 리튬폴리머 배터리는 높은 전류를 만드는 것이 특징입니다. 그래서 배터리 셀 중에 하나가 더 높은 전압을 가진다면 낮은 전압의 배터리에 큰 전류가 흐릅니다. 내부에 이렇게 허용치 이상의 전류가 흐르면 예민한 리튬폴리머 배터리의 수명이 단축되거나 죽어버릴 수도 있지요. 그래서 밸런스 커넥터는 안전한 충전을 위해 꼭 필요한 부품입니다.

그래서 기본 배터리가 하나뿐인 1셀 배터리는 밸런스 커넥터가 없습니다. 사진=https://betafpv.com

드론 배터리가 만드는 전류는 대단히 높습니다. 모든 드론 배터리는 방전율이라는 사양을 더 가지고 있는데 얼마나 많은 전류를 흐르게 할 수 있는지 설명합니다. 이 방전율에 배터리의 용량을 곱하면 최대 전류를 알 수 있습니다.

80C 방전율을 1300mAh 용량의 배터리는 104A의 전류를 만듭니다. 사진=https://www.getfpv.com

이만큼의 전류가 어느 정도 힘을 가지는지 감이 오지 않으신다고요?

배터리가 죽어버린 자동차의 시동까지 걸 수 있습니다. 사진=https://www.youtube.com

드론 배터리는 드론 사양에 따라 서로 다른 전류량을 가지고 있습니다. 그래서 메인 커넥터는 이 전류량에 따라 다른 커넥터를 선택합니다. 높은 전류를 방출하는 배터리는 커다란 커넥터가 필요합니다. 작은 배터리에 커다란 커넥터를 사용해도 문제는 없지만

이런 드론에 이런 커넥터를 사용해서야 상당히 신경 쓰이는 비행이 되지 않겠어요?

필요한 전류는 드론에 따라 달라지기 때문에 배터리 커넥터는 배터리보다 드론의 사양을 따르기도 합니다. 그래서 배터리 중에는

아예 커넥터를 빼고 출시하는 경우도 있습니다. 사진=no_conne.jpg

배터리에 커넥터를 연결할 때는 조심하셔야 합니다. 원하는 길이에 커넥터를 연결하려고 배터리 와이어를 동시에 자르면 합선이 될 수도 있습니다. 사용해 보지도 못하고 돌아오지 못하는 먼 곳으로 가버립니다.

그럼 전류에 따라 어떤 커넥터를 선택하는 것이 적당할까요? 큰 전류에는 큰 커넥터를 사용하세요. 커넥터 단자 직경이 클수록 전기가 흐르는 면적이 넓어 더 많은 전류를 흘릴 수 있습니다.

직경 2.0mm 단자 = 25 A (암페어)

직경 3.0mm 단자 = 50 A

직경 4.0mm 단자 = 100 A

직경 5.0mm 단자 = 120 A

직경 5.5mm 단자 = 130 A

직경 6.0mm 단자 = 140 A

직경 6.5mm 단자 = 150 A

직경 7.0mm 단자 = 160 A

직경 7.5mm 단자 = 175 A

직경 8.0mm 단자 = 200 A

드론에 많이 사용되는 커넥터를 살펴보겠습니다. 1셀 배터리에 사용되는 커넥터입니다.

LOSI 커넥터 사진=https://www.banggood.com

드론을 날려본 사람이라면 누구나 한대쯤 가지고 있는 드론 시마가 사용하는 커넥터입니다. 그런 의미에서 가장 많이 사용하는 국민 커넥터라고 할 수 있지요. 하지만 이 커넥터를 사용하는 드론은 시마를 제외하고 그리 많지 않습니다.

Pico Blade 커넥터, Molex Picoblade라고도 합니다. 사진=https://www.tinywhoop.com

타이니우프와 함께 마이크로 드론의 표준이 된 커넥터입니다. 하지만 허용량이 넉넉하지 않아 최근에는 사용이 줄어들고 있습니다. 커넥터 연결이 불안하면 뜨거워지기도 하지요. 너무 쉽게 빠지는 단점도 있고요.

[JST PH 커넥터. 사진=https://www.amazon.com

사진으로 비교하면 Pico Blade 커넥터와 비슷하게 생겼지만 나란히 비교하면 크기가 다릅니다. 사진만 보고 인터넷으로 주문하면 엉뚱한 커넥터를 고를 수 있기 때문에 주의가 필요합니다. Pico Blade 커넥터를 대신에서 마이크로 드론에 가장 많이 사용되고 있습니다.

JST RCY 커넥터. 사진=https://www.banggood.com

5에서 최대 10A의 전류를 허용하는 커넥터입니다. 전류량이 그다지 크지 않아 드론보다는 조종기용 배터리에 적용되기도 합니다. 주로 2셀 배터리가 사용하는 커넥터입니다.

XT30 커넥터. 사진=https://www.banggood.com

40A의 전류까지 사용 가능한 XT30 커넥터는 2셀이나 3셀 배터리 커넥터로 사용됩니다. 흔하지 않은 커넥터였는데 최근 모터와 모터의 대각선 길이가 100mm 정도인 작은 레이싱 드론이 인기를 끌면서 많은 사랑을 받고 있습니다.

XT60 커넥터. 사진=https://www.banggood.com

3셀이나 4셀 배터리에 많이 사용되는 XT60은 레이싱 드론 배터리에 표준 같은 커넥터입니다. 90A까지 사용할 수 있지만 다들 그보다 무리하게 사용하지요. XT60은 고온에도 견디는 나일론으로 만들어지는데 녹는점이 낮은 저렴한 플라스틱으로 만들어진 커넥터가 고전류로 발생한 열을 견지 못하고 말썽을 부리는 일도 종종 있습니다.

비행 동안 생긴 열 때문에 커넥터가 녹아 붙어 버리기도 합니다. 사진=https://blog.naver.com/smoke2000/220498605216

커넥터에서 발생하는 열은 사양보다 높은 전류를 사용한 것이 원인이지만 단자의 접촉 면적이 충분하지 않아서 일 수도 있습니다. 접촉면이 좁아지면 좁은 쪽으로 많은 전류가 몰려 열이 발생합니다. 끼웠다 빼기를 반복하는 드론 배터리는 이 과정에서 단자가 손상되어 열이 발생하는데

단자 안쪽에 작은 나뭇조각을 넣어 응급조치를 취하기도 하지요.

그 밖에도 드론 배터리 커넥터는 다양합니다.

과거 RC 비행기와 헬리콥터가 사용하던 커넥터까지 더하면 끝도 없지요.

누군가 또 다른 사양의 드론을 개발하면 새로운 배터리 커넥터와 함께 더 다양해 질지도 모르겠네요. 문제는 이렇게 배터리의 종류가 늘어갈 때마다 배터리 충전기의 커넥터도 새로 필요하다는 점입니다.

대부분의 배터리 충전기는 XT60 커넥터를 표준으로 사용하고 있거든요. 사진=https://www.banggood.com

레이싱 드론은 한 번도 본 적이 없는 사람은 있어도 레이싱 드론을 한 대만 가지고 있는 사람은 드뭅니다. 그리고 두 대 이상 드론을 가지고 있다면 서로 사양이 다른 사양의 드론인 경우가 더 많지요. 배터리 커넥터도 서로 다릅니다.

그래서 새로운 드론이 생길 때마다 이렇게 충전을 위한 젠더 커넥터를 만들어야 합니다. 사진=https://blog.naver.com/smoke2000/221693787034

하지만 최근 여러 현자들로부터 젠더 커넥터 없이 충전하는 비법이 전수되고 있습니다. 배터리는 모두 다르고 그래서 커넥터도 모두 다르지만 달라지지 않는 게 하나 있습니다. 밸런스 커넥터입니다. 핀의 숫자만 다를 뿐 같은 모두 같은 종류입니다. 배터리 충전기의 메인 전원은 주로 XT60이지만 밸런스 커넥터만큼은 모두 똑같습니다. 그런데 이 밸런스 커넥터를 잘 살펴보면

가장 끝에 두 단자는 처음부터 메인 커넥터와 연결되어 있었습니다. 사진=https://blog.naver.com/smoke2000/220723558665

그래서 충전기의 메인 커넥터와 밸런스 커넥터를 연결하면 밸런스 커넥터 만으로 충전이 가능해집니다.

이렇게 말이지요. 사진=https://www.youtube.com

물론 메인 커넥터와 밸런스 커넥터를 연결할 새로운 커넥터가 필요하니 뭔가 더 만들어야 하는 수고는 여전하네요.

 드론이 다양해지는 만큼 배터리도 다양해지는 것이야 당연하지만 배터리 커넥터만큼은 이제 3가지 종류로 통일되려나 봅니다. 타이니우프 같은 마이크로 드론은 JST 커넥터를, 투스피크 같은 100급 드론을 위한 배터리는 XT30, 그리고 역사와 전통을 자랑하는 레이싱 드론은 XT60 커넥터로 말이지요. 하지만 마이크로 드론을 위한 새로운 커넥터에 도전하는 드론이 있습니다. 베타 FPV의 BT2.0 커넥터입니다.

1.0도 아니고 어째서 2.0인지는 모르겠지만 예쁩니다. 사진=https://betafpv.com

최대 15A의 전류까지 견딘다는 이 커넥터는 커넥터에서 발생하는 손실을 최소화했다고 합니다.

그래서 기존의 커넥터보다 훨씬 오래도록 전압을 유지합니다. 사진=https://betafpv.com

타이니우프 드론과 투스피크 드론을 전문으로 생산하는 베타 FPV는 점차 모든 마이크로 드론에 이 새로운 커넥터를 적용할 계획인가 봅니다. 드론의 배터리 커넥터는 그렇다 치더라도 기존 충전기를 이용하려면 또 젠더 커넥터를 만들어야 하나 번거롭지만 점점 작고 가벼워지지만 출력은 높아만 가는 드론에게 커넥터는 숨겨진 한계였습니다. 새로운 커넥터로 이 장애물은 이렇게 극복되려나 봅니다. 이제 더 이상 신기한 건  없겠지 싶어도 계속해서  새로운 기술이 등장하는 드론입니다. 오늘도 드론은 더욱 재미있어집니다.

민연기

/   아나드론스타팅필진

하늘을 나는 물건을 하나씩 공부하고 있는 엔지니어 입니다.
http://blog.naver.com/smoke2000

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