직접 4S 배터리 팩

개요

유연하고 모듈화된 배터리 팩은 많은 DIY 프로젝트에서 필수적입니다. 그래서 이 4S 배터리 팩 PCB를 설계했는데, 배터리 설치와 분리가 용이합니다.

이 글은 Tistory 블로그 형식으로 4S(직렬 4셀) 18650 기반 배터리 팩을 직접 제작하는 과정을 개요 → 부품목록 → 부품 동작 → 회로설계 → 제작 → 조립 → 테스트 → 결론 순으로 정리한 가이드입니다. 초보자도 따라오기 쉽도록 핵심 포인트와 실무 팁을 담았습니다.

부품목록

필수 부품

• 18650 배터리 4개
• 4S BMS (Battery Management System)
• XT30 커넥터 (암/수)
• 4S 배터리 홀더 또는 PCB용 배터리 슬롯
• 커스텀 PCB (4S 슬롯, BMS 패드, XT30 패드 포함)

도구

• TS80P 인두기
• Xtar VX4 스마트 충전기
• 납땜용 인두심 및 플럭스
• 도움손(헬핑 핸즈)
• 이소프로필 알코올 (납땜 후 세척)

부품 동작

• 18650 셀: 각 셀은 약 3.0–4.2V 범위에서 동작하며, 4개를 직렬로 연결하면 전체 전압은 약 12–16.8V가 됩니다.
• 4S BMS: 각 셀의 과충전, 과방전, 과전류, 단락 보호를 담당합니다. BMS는 셀 밸런싱 기능을 포함해 안전한 충방전을 보장합니다.
• XT30 커넥터: 출력/입력용으로 사용되며, 소형 고전류 연결에 적합합니다.
• 커스텀 PCB와 슬롯: 배터리 탈부착을 쉽게 하도록 슬롯과 전원 패스가 PCB에 설계되어 있습니다. PCB 반대편에 BMS를 장착할 수 있는 패드가 마련되어 있습니다.

회로설계

• 기본 구성: 4개의 18650 셀을 직렬로 연결하는 트레이스가 PCB 전면에 배치되고, XT30 암/수가 전원 입출력용으로 전면에 위치합니다. PCB 후면에는 4S BMS를 장착할 수 있는 패드와 연결 라인이 준비됩니다.
• 안전 고려사항: 셀 간 밸런스 라인과 BMS의 각 셀 감지 핀을 정확히 매칭해야 합니다. 전류가 흐르는 메인 트레이스는 충분한 폭으로 설계하고, 납땜 시 열로 인한 손상을 방지하기 위해 빠른 작업과 적절한 인두 온도를 유지하세요.
• 커넥터 배치: XT30은 전면에 배치해 외부 장치 연결을 간편하게 하고, BMS는 후면에 고정해 열과 충격으로부터 보호합니다. 설계 시 나사홀과 배터리 슬롯 고정용 패턴을 고려하면 조립이 쉬워집니다.

제작

1. Gerber 파일 준비: PCB 설계가 완료되면 Gerber 파일을 생성합니다.
2. PCB 주문: 신뢰할 수 있는 PCB 제조사(예: PCBWay 등)에 Gerber를 업로드해 제작을 의뢰합니다.
3. 부품 준비: 18650 셀은 동일한 제조사·용량·내부저항을 가진 셀을 사용하세요. BMS와 XT30, 슬롯을 미리 확인해 핀 배열을 숙지합니다.
4. 안전 주의: 셀을 다룰 때 단락을 방지하고, 충전 상태가 불균형한 셀은 사용하지 마세요.

조립

1. 부품 배치: PCB가 도착하면 앞면에 배터리 슬롯과 XT30 커넥터를 먼저 위치시키고 납땜합니다.
2. BMS 장착: 후면의 BMS 패드에 BMS를 맞춰 핀을 납땜합니다. 첫 핀을 틴(예비납) 처리한 뒤 나머지 핀을 순차적으로 납땜하면 정렬이 쉬워집니다.
3. 세척: 납땜 후에는 이소프로필 알코올로 플럭스 잔여물을 깨끗이 닦아 전기적 문제를 예방합니다.
4. 배터리 삽입: 모든 셀을 완전히 충전한 뒤 슬롯에 하나씩 넣어 직렬 연결이 올바른지 확인합니다.

PCB를 받은 후 PCB에 부품을 하나씩 붙이고 납땜을 시작하세요. 먼저 4의 배터리 슬롯과 XT30 커너를 모두 그 자리에 연결하고 납땜하세요. 그 다음 뒷면에 4개의 BMS를 PCB에 놓고 패드를 맞추세요. 패드가 매칭되면 첫 번째 핀 납땜 인두를 주석으로 붙이고 나서 패드를 하나씩 납땜하면 완성입니다! 납땜 후 더 나은 결과를 원하면, PCB 세척할 때 ISO 프로필 알코올을 사용하세요.

이제 PCB가 완전히 조립되었습니다.

배터리 팩을 만들기 전에 모든 배터리를 완전히 충전해야 합니다. 그래서 배터리 충전은 가장 똑똑한 충전기인 XTAR VX4를 사용하고 있습니다! 이 고성능 충전기는 다양한 리튬 이온 및 Ni-MH 배터리를 안전하고 효율적으로 충전하도록 설계되었습니다. 지능형 충전 시스템을 통해 배터리 종류를 자동으로 감지하고 충전 전류를 조정하며 최적의 성능을 보장합니다.

VX4는 Type-C 입력, 4개의 독립 슬롯, 빠르고 안정적인 충전 기능을 갖추고 있습니다. 또한 과충전, 단락, 온도 제어 등 다양한 안전 보호 기능을 갖추고 있어 배터리 애호가와 전문가에게 필수 장비입니다. XTAR VX4로 스마트하게 배터리를 충전하세요.

배터리 배치

VX4 같은 특정 충전기로 PCB를 완전히 충전한 후, 모든 배터리를 하나씩 조심스럽게 슬롯에 꽂으세요. 모든 배터리를 설치하면 이 프로젝트는 완전히 사용 준비가 완료됩니다.

테스트

• 충전 전 점검: BMS의 각 셀 감지선 연결 상태와 XT30 극성을 멀티미터로 확인합니다.
• 초기 전압 확인: 전체 팩 전압과 각 셀 전압을 측정해 불균형이 없는지 확인합니다.
• 부하 테스트: LED, 저항성 히터, 35W 필라멘트 전구 등으로 부하를 걸어 출력 안정성과 발열을 관찰합니다. 문서 작성자는 LED, 히팅 엘리먼트, 35W 전구 테스트에서 성능이 매우 좋았다고 보고했습니다.
• 안전 체크: 과열, 이상한 냄새, 불안정한 전압 강하가 있으면 즉시 사용을 중단하고 원인(셀 불량, 납땜 불량, BMS 결함)을 점검하세요.

테스트해보니 예상보다 성능이 좋았고, LED, 히팅 요소, 35W 필라멘트 전구 등 여러 가지를 테스트해봤는데, 네, 정말 잘 작동했습니다.

결론

이 4S 배터리 팩 설계는 배터리의 탈부착이 쉬운 모듈형 구조로, 셀을 영구적으로 고정하지 않아 재사용성과 유지보수성이 뛰어납니다. 휴대용 전원, RC, 실험용 전원 공급 등 다양한 용도에 적합하며, 직접 제작하면 비용 면에서도 이점이 있습니다. 안전을 위해 동일한 사양의 셀 사용, BMS 연결 정확성, 납땜 품질을 반드시 지키세요.