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전동드릴, 임팩트 드라이버, 그라인더와 같은 무선 전동공구는 작업 중 순간적으로 큰 출력을 요구합니다. 

따라서 전동공구용 배터리는 일반 전자기기용 배터리와 달리 높은 전류를 안정적으로 공급하고, 반복적인 고부하 환경에서도 성능을 유지할 수 있어야 합니다.

알파셀인터내셔널은 전동공구용 배터리팩 개발을 초기 검토 단계부터 진행하며 제품 요구사항 분석과 셀 선정, 배터리팩 구성 및 설계, 보호회로 검토, 인증 요건 확인과 생산 준비까지 개발 단계별 주요 사항을 검토해 왔습니다.

이번 글에서는 전동공구 배터리팩 개발 과정에서 중요하게 고려해야 할 기술적 특성과 셀 선정 및 설계 포인트를 소개합니다.

1. 전동공구 배터리의 핵심은 출력 특성

전동공구는 모터 구동 과정에서 순간적으로 높은 전류를 요구합니다. 

이때 배터리 셀의 방전 성능이 충분하지 않으면 부하가 걸리는 순간 전압이 크게 떨어질 수 있습니다.

전압 강하가 발생하면 공구의 출력이 저하되거나, 배터리 보호회로가 작동해 기기가 중단될 수 있습니다.

따라서 전동공구용 셀을 선정할 때는 정격 용량뿐 아니라 다음 항목을 함께 검토해야 합니다.

- 연속 방전 전류: 일정 시간 동안 안정적으로 공급할 수 있는 전류

- 순간 방전 전류: 모터 기동이나 고부하 작업 시 필요한 순간적인 전류

- 내부저항: 부하가 걸렸을 때 발생하는 전압 강하와 발열에 영향을 주는 요소

- 방전 특성: 실제 사용 전류 조건에서의 전압 유지 및 용량 특성

특히 고출력 전동공구에서는 셀의 방전 성능과 내부저항이 제품의 사용 안정성에 중요한 영향을 미칩니다.

2. 18650에서 21700으로, 셀 선택의 변화

전동공구 배터리팩에는 18650 원통형 셀이 오랫동안 활용되어 왔으며 최근에는 21700 셀의 적용도 확대되고 있습니다.

21700 셀은 18650보다 크기가 크기 때문에 셀 모델에 따라 단위 셀당 용량과 출력 측면에서 설계상의 이점을 확보할 수 있습니다. 

동일한 셀 수를 기준으로 용량을 높이거나, 필요한 출력과 용량에 맞춰 팩 구성을 최적화하는 데 활용할 수 있습니다.

다만 셀 크기가 크다고 해서 반드시 출력 성능이 높은 것은 아닙니다. 

실제 성능은 셀 모델별 방전 특성, 내부저항, 열적 특성 등에 따라 달라집니다.

따라서 18650과 21700 중 어느 셀이 적합한지는 다음 조건을 함께 고려해 결정해야 합니다.

- 요구 출력과 사용 시간

- 배터리팩의 장착 공간 및 외형 크기

- 셀별 연속·순간 방전 성능

- 배터리팩의 무게와 구조

- 충전기 및 기존 제품과의 호환성

3. 전압 플랫폼과 배터리팩 구성

전동공구는 제품군에 따라 12V, 18V, 36V 등 다양한 전압 플랫폼을 사용합니다.

배터리팩의 직렬 연결 수는 전압을 결정하고 병렬 연결 수는 전체 용량과 전류 공급 능력에 영향을 줍니다. 

따라서 배터리팩을 설계할 때는 목표 전압과 요구 출력, 사용 시간을 기준으로 직렬·병렬 구성을 검토해야 합니다.

특히 여러 종류의 전동공구가 동일한 배터리 플랫폼을 공유하는 경우에는 가장 높은 부하가 발생하는 공구의 작동 조건을 고려해야 합니다.

또한 기존 배터리팩과 호환되는 제품을 개발한다면 전압뿐 아니라 장착 구조, 단자 위치, 통신 방식, 충전 조건 등도 함께 확인해야 합니다.

4. 초기 검토부터 생산 준비까지, 배터리팩 개발 과정

전동공구 배터리팩은 셀을 선정하고 조립하는 것만으로 완성되지 않습니다. 

제품의 요구 사양과 실제 사용 환경을 초기 단계부터 확인하고, 각 개발 단계에서 필요한 사항을 검토해야 합니다.

① 초기 요구사항 검토

개발 초기에는 전동공구의 사용 목적과 작동 조건을 파악하는 것이 중요합니다.

- 목표 전압 및 요구 용량

- 정상 작동 시 전류와 최대 부하 전류

- 목표 사용 시간

- 배터리팩 장착 공간 및 외형 크기

- 충전 방식과 충전 시간

알파셀은 이 단계에서 공구가 실제로 쓰이는 부하 패턴을 기준으로 요구 조건을 정리합니다. 

경험으로는 카탈로그상의 정격값만으로 셀을 고르면 시험 단계에서 출력 부족이나 발열 문제가 드러나는 경우가 많기 때문입니다.

② 셀 선정 및 배터리팩 구성

요구 출력과 사용 시간에 맞춰 셀의 용량, 방전 성능, 내부저항 등을 비교합니다. 

이후 직렬·병렬 구성을 결정하고 배터리팩의 크기와 무게, 장착 조건을 함께 고려합니다. 

이때 후보 셀을 한 가지로 좁히기보다 2~3종을 함께 비교하면, 성능과 수급 조건을 동시에 맞추기 쉽습니다.

③ 보호회로 및 열 관리 검토

고부하 작동 환경을 고려해 BMS와 보호회로의 주요 기능을 검토합니다. 

과충전, 과방전, 과전류, 단락 및 비정상적인 온도 상승에 대한 보호 기능이 실제 사용 조건에 적합한지 확인해야 합니다.

또한 셀 배치와 간격, 배터리팩 내부의 열 전달 경로를 고려해 고온이 특정 위치에 집중되지 않도록 검토합니다. 

보호 조건은 너무 느슨하면 안전에 문제가 되고 너무 엄격하면 정상 작업 중에도 공구가 멈추기 때문에 실제 부하 조건에서 균형점을 찾는 과정이 필요합니다.

④ 인증 및 안전 요건 확인

국내 유통 및 제품 적용을 고려한다면 개발 초기부터 KC 안전 관련 요건을 확인해야 합니다.

KC 인증 적용 대상 여부와 필요한 시험 항목은 제품의 종류와 구조 사용 목적 및 적용 범위에 따라 달라질 수 있습니다.

 따라서 배터리팩과 완제품의 인증 범위를 구분하고, 필요한 시험 자료와 기술 문서를 사전에 확인하는 것이 중요합니다.

이와 별도로 해외 리튬배터리 운송 필요 시에는 UN 38.3 시험 등 운송 관련 안전 요건도 확인해야 합니다.

UN 38.3은 KC 인증과는 별개의 운송 안전 시험 요건입니다.

⑤ 생산 준비 및 품질 검토

생산 단계로 넘어가기 전에는 배터리팩의 조립 구조와 셀 고정 상태, 절연 및 배선 구조 연결부의 안정성을 확인해야 합니다.

또한 생산 환경에 맞는 조립 및 검사 조건을 검토하고, 주요 검사 항목을 정리해 제품 품질을 관리할 수 있도록 준비합니다. 

시제품에서는 문제가 없던 부분이 양산 조립 과정에서 편차로 나타나는 경우도 있어 생산 준비 단계의 검토가 최종 품질을 좌우합니다.

5. 실제 개발 과정에서 자주 확인되는 과제

전동공구 배터리팩 개발에서는 셀 사양만 보고 예상하기 어려운 문제가 실제 시험 단계에서 드러나는 경우가 많습니다.

[최대 부하에서 공구가 멈추는 문제]

최대 부하를 걸었을 때 전압이 순간적으로 떨어지면서 보호회로가 먼저 작동해 공구가 멈추는 경우가 있습니다.

셀 자체의 문제가 아니라 셀 방전 특성과 보호 조건이 맞지 않아 생기는 경우가 많아, 두 가지를 함께 조정해야 해결됩니다.

[팩 가운데 셀의 온도 상승]

셀이 여러 개 모인 팩에서는 바깥쪽보다 가운데 셀의 온도가 더 높게 올라가는 경우가 많습니다. 

연속 작업 시험에서 처음 확인되는 경우가 많기 때문에 설계 단계에서 셀 배열과 간격, 열 전달 경로를 미리 검토해 두는 것이 좋습니다.

[18650에서 21700으로 전환할 때의 연쇄 변경]

셀 규격을 바꾸면 셀만 바뀌는 것이 아니라 팩 외형, 셀 홀더, 고정 구조, 충전 조건까지 함께 바뀝니다. 

기존 제품과의 호환을 유지해야 하는지에 따라 변경 범위가 크게 달라지므로, 전환 범위를 먼저 정하는 것이 일정 관리의 핵심입니다.

이러한 과제는 개발 초기부터 함께 검토할수록 설계 변경과 재시험을 줄일 수 있습니다.

마무리

전동공구 배터리는 높은 출력과 반복적인 고부하 작동을 함께 고려해야 하는 분야로 셀 사양만으로는 예상하기 어려운 과제가 개발 과정에서 나타납니다.

알파셀인터내셔널은 제품의 사용 조건과 요구 사양을 바탕으로 초기 검토부터 셀 선정 및 배터리팩 구성, 안전 요건 검토와 생산 준비까지 개발 과정 전반을 지원합니다.

전동공구용 배터리팩 개발을 검토하고 있다면 요구 전압, 최대 부하 전류, 목표 사용 시간 및 장착 공간 등의 정보를 바탕으로 적합한 셀과 팩 구성을 검토할 수 있습니다.

언제든지 Contact Us 또는 support@alphacell.co.kr로 문의해 주세요.

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