전동공구 차세대 배터리 프로젝트
현재 전동공구 시장의 표준인 Li-ion 18650 배터리는 근본적인 한계를 안고 있다. 작업 현장에서 체감하는 4가지 핵심 문제점을 진단한다.
1~4시간의 충전 대기 시간은 작업 흐름을 끊는 최대 병목이다. 현장에서 예비 배터리를 2~3개 보유해야 하며, 전력 인프라가 없는 야외 현장에서는 작업 중단이 불가피하다.
1~4시간 대기 → 작업 중단500회 충방전 사이클 이후 용량이 급격히 감소한다. 전문 사용자 기준 1.5~2년마다 배터리를 교체해야 하며, 팩당 5~8만원의 반복 비용이 발생한다.
500회 사이클 → 2년마다 교체고부하 작업 중 열폭주(thermal runaway) 위험이 존재한다. 셀 팽창, 전해액 누출, 극단적 경우 발화까지 이어질 수 있으며, 밀폐 공간이나 고온 환경에서 위험도가 증가한다.
열폭주 · 팽창 · 화재 위험영하 10°C 이하에서 출력이 50% 이상 감소한다. 겨울철 외부 작업, 냉동 창고, 고산지대 등 저온 환경에서의 신뢰성이 크게 떨어진다.
-10°C 이하 → 성능 50% 급감18650 대체 후보 3종(LTO, EDLC, LIC)을 Li-ion 기준 대비 정량 비교한다. 전동공구 18V 팩 기준으로 실용 스펙을 산출하였다.
| 항목 | Li-ion (18650) | LTO (리튬티타네이트) | EDLC (슈퍼캡) | LIC (리튬이온캡) |
|---|---|---|---|---|
| 에너지밀도 | 250 Wh/kg | 50-80 Wh/kg | 5 Wh/kg | 15-20 Wh/kg |
| 출력밀도 | 1,000 W/kg | 3,000 W/kg | 10,000 W/kg | 5,000 W/kg |
| 충전시간 | 1-4시간 | 6-15분 | 1-10초 | 1-5분 |
| 수명 (사이클) | 500회 | 5,000-20,000회 | 1,000,000회+ | 100,000회+ |
| 셀 전압 | 3.6V | 2.4V | 2.7V | 3.8V |
| 자기방전/월 | 2-5% | 3-5% | 5-40% | 5-10% |
| 온도범위 | -10~45°C | -40~55°C | -40~65°C | -20~60°C |
| 안전성 | 중 | 높음 | 매우 높음 | 높음 |
| 18V팩 무게 | 0.7 kg | 1.5 kg | 3.6 kg | 2.5 kg |
| 18V팩 사용시간 | 30분 | 12-15분 | 2-7분 | 8-10분 |
| 가격 (팩) | &won;50,000 | &won;80,000-120,000 | &won;150,000+ | &won;120,000+ |
* 종합 적합도 = (에너지×0.25 + 출력×0.2 + 충전속도×0.25 + 수명×0.15 + 안전성×0.15) 가중 평균
Toshiba SCiB LTO 셀 기반 · 초고속 충전 · 2만회 수명 · 극한 환경 내성
8S Configuration — 20V MAX 공구 호환
7S Configuration — 18V 공구 호환
| 항목 | 8S LTO Pack | 7S LTO Pack |
|---|---|---|
| 공칭 전압 | 19.2V | 16.8V |
| 만충 전압 | 22.4V (8 x 2.8V) | 19.6V (7 x 2.8V) |
| 방전 종지 전압 | 12.8V (8 x 1.6V) | 11.2V (7 x 1.6V) |
| 용량 (Prismatic 23Ah) | 23Ah / 441Wh | 23Ah / 386Wh |
| 용량 (Cylindrical 3Ah) | 3Ah / 57.6Wh | 3Ah / 50.4Wh |
| 연속 방전 전류 | 10C (23A ~ 230A) | 10C (23A ~ 230A) |
| 충전 전류 | 5~10C | 5~10C |
| 충전 시간 | 6 ~ 12분 | 6 ~ 12분 |
| 사이클 수명 | 20,000회+ | 20,000회+ |
| 동작 온도 | -40 ~ 55 °C | -40 ~ 55 °C |
| 팩 무게 (Prismatic) | ~2.8 kg | ~2.5 kg |
| 팩 무게 (Cylindrical) | ~0.6 kg | ~0.5 kg |
| 부품 | 모델 | 수량 | 단가(USD) | 소계 | 역할 |
|---|---|---|---|---|---|
| LTO Cell | Toshiba SCiB 23Ah | 8 | $15 | $120 | 에너지 저장 |
| BMS IC | TI BQ76940 | 1 | $6 | $6 | 셀 모니터링 |
| FET Driver | TI BQ76200 | 1 | $4 | $4 | 보호 FET 구동 |
| Charger IC | TI BQ24600 | 2 | $5 | $10 | CC/CV 충전 |
| N-MOSFET | IPP075N15N3 | 4 | $2 | $8 | 충방전 스위칭 |
| Shunt Resistor | 5mΩ | 1 | $1 | $1 | 전류 감지 |
| NTC Thermistor | 10kΩ | 2 | $0.5 | $1 | 온도 감지 |
| MCU | MSP430G2553 | 1 | $4 | $4 | 제어 / 통신 |
| Inductor | 10µH 15A | 2 | $3 | $6 | 충전기 인덕터 |
| Capacitors | Various (MLCC/Elec) | 20 | $0.5 | $10 | 필터 / 디커플링 |
| Resistors / etc | Various (0402~0805) | 30 | $0.1 | $3 | 밸런싱 / 풀업 |
| PCB | 4-layer FR4 (2oz Cu) | 1 | $8 | $8 | 기판 |
| Connector | Tool-specific | 1 | $3 | $3 | 공구 연결 |
| Housing | ABS injection mold | 1 | $5 | $5 | 케이스 |
| AC Adapter | 24V/10A 240W | 1 | $15 | $15 | 충전기 |
| TOTAL (8S Prismatic Pack) | ~$204 | BOM Cost | |||
슈퍼캐패시터의 폭발적 순간 출력과 리튬이온의 안정적 에너지 밀도를 결합한 하이브리드 전원 시스템. 30초 퀵레디 + 15분 이상 연속 작업을 동시에 달성한다.
| 항목 | 하이브리드 팩 스펙 |
|---|---|
| 공칭 전압 | 18V |
| 슈퍼캡 에너지 | 2.5Wh (7S × 350F EDLC) |
| 리튬 에너지 | 55.5Wh (5S × 3Ah @ 3.7V) |
| 총 에너지 | 58Wh |
| 순간 최대 출력 | 3,500W Supercap Burst |
| 연속 출력 | 360W Li-ion Sustained |
| 퀵 충전 | 30초 (supercap only) |
| 풀 충전 | 90분 (Li-ion + supercap) |
| 연속 사용시간 | 15 ~ 20분 (Li-ion 기준) |
| 버스트 사용시간 | ~2분 (supercap only, full burst) |
| 수명 | Supercap 1,000,000회 / Li-ion 500회 |
| 동작 온도 | -30 ~ 55°C |
| 팩 무게 | ~1.2 kg |
| 팩 크기 | 약 Makita 6Ah 배터리팩 크기 |
| 부품 | 모델 | 수량 | 단가 (USD) | 소계 |
|---|---|---|---|---|
| Supercap | Maxwell BCAP0350 2.7V 350F | 7 | $8.00 | $56.00 |
| Li-ion Cell | Samsung INR18650-30Q | 5 | $4.00 | $20.00 |
| DC-DC | TI LM5176 | 1 | $10.00 | $10.00 |
| Li-ion BMS | BQ76930 (6-10S) | 1 | $6.00 | $6.00 |
| SC Balancer | Resistive (10Ω each) | 7 | $0.10 | $0.70 |
| Charger IC | BQ24600 | 1 | $5.00 | $5.00 |
| MCU | MSP430G2553 | 1 | $4.00 | $4.00 |
| MOSFETs | Various (N-ch / P-ch) | 6 | $2.00 | $12.00 |
| Inductor | 22µH 20A shielded | 1 | $4.00 | $4.00 |
| Current Sensor | INA219 | 2 | $3.00 | $6.00 |
| Caps / Resistors | Various passives | 40 | $0.30 | $12.00 |
| PCB | 4-layer FR4 | 1 | $10.00 | $10.00 |
| Connector | Tool-specific (Makita/DeWalt) | 1 | $3.00 | $3.00 |
| Housing | ABS injection mold | 1 | $5.00 | $5.00 |
| AC Adapter | 24V / 5A (120W) | 1 | $12.00 | $12.00 |
| TOTAL | ~$166 | |||
| 1 |
30초 퀵레디 슈퍼캡만 30초 충전하면 즉시 사용 가능. 리튬 충전 대기 불필요. |
| 2 |
순간 토크 3배 슈퍼캡 190A burst → 3,500W. 순수 리튬(20A, 360W) 대비 10배 순간 출력. |
| 3 |
회생 충전 (Regenerative) 모터 감속 에너지를 슈퍼캡에 즉시 회수. 효율 95%+, 리튬으로는 불가능한 기술. |
| 4 |
리튬 수명 연장 순간 대전류를 슈퍼캡이 담당 → 리튬 부하 분산 → 셀 열화 감소 → 수명 2배+. |
| 5 |
넓은 동작 온도 -30~55°C. 한겨울 야외 작업에서도 슈퍼캡이 정상 작동 (리튬 -20°C 한계 보완). |
| 6 |
실용적 사용 시간 55.5Wh 리튬 → 15-20분 연속 작업. Makita 3Ah 배터리와 동급. |
| 1 |
회로 복잡도 증가 양방향 DC-DC + MCU + 듀얼 BMS. Plan A 대비 부품 수 2배, 펌웨어 개발 필요. |
| 2 |
2개 에너지원 관리 슈퍼캡 전압 + 리튬 SOC를 동시 관리. 모드 전환 로직의 안정성 검증 필요. |
| 3 |
리튬 수명 한계 잔존 슈퍼캡은 100만회이지만, Li-ion 부분은 여전히 500회 충방전 한계 (2-3년). |
| 4 |
무게 증가 1.2kg. Plan A(0.85kg) 대비 무겁지만, 기존 배터리팩(0.7kg)과 비교하면 +0.5kg. |
| 5 |
원가 상승 $166 (Plan A 대비 +$60). 양산 시 $120 목표 가능하나, 기존 배터리 $40-60보다 2-3배. |
| 6 |
개발 기간 펌웨어 + PCB + 열설계 + 안전 인증. 프로토타입까지 3-6개월 예상. |
시중 전동공구 배터리 플랫폼별 전압 범위와 LTO/하이브리드 직렬 구성을 정리한 테이블입니다. LTO 공칭 2.4V, 슈퍼캡 2.7V, Li-ion 3.6V 기준으로 산출했습니다.
| 브랜드 | 시리즈 | 공칭전압 | 실제 전압범위 | 커넥터 | LTO 구성 | 하이브리드 구성 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Makita | 18V LXT | 18V | 15 ~ 21V | 슬라이드 5핀 | 8S (19.2V) | 7S Cap + 5S Li |
| DeWalt | 20V MAX | 18V (마케팅 20V) | 15 ~ 20.5V | 레일 슬라이드 | 8S (19.2V) | 7S Cap + 5S Li |
| Milwaukee | M18 | 18V | 15 ~ 21V | 슬라이드 | 8S (19.2V) | 7S Cap + 5S Li |
| Bosch | 18V | 18V | 15 ~ 21V | 슬라이드 | 8S (19.2V) | 7S Cap + 5S Li |
| Ryobi | ONE+ 18V | 18V | 15 ~ 21V | 슬라이드 | 8S (19.2V) | 7S Cap + 5S Li |
| Makita | 40V XGT | 36V | 30 ~ 41V | 슬라이드 | 16S (38.4V) | 14S Cap + 10S Li |
| DeWalt | 60V FLEXVOLT | 54V | 45 ~ 60V | 레일 | 24S (57.6V) | 21S Cap + 15S Li |
| Milwaukee | M12 | 12V | 10 ~ 13.2V | 슬라이드 | 5S (12V) | 4S Cap + 3S Li |
본체 PCB는 동일하게 유지하면서, 각 브랜드별 어댑터 플레이트만 교체하는 유니버셜 설계 컨셉입니다.
Li-ion을 100% 기준으로 LTO와 하이브리드의 상대 성능을 비교합니다. 하이브리드의 임팩트 작업이 120%인 이유는 슈퍼캡의 순간 대전류 공급 능력 때문입니다.
초기 비용은 LTO/하이브리드가 높지만, 교체 비용이 거의 없어 장기적으로 역전됩니다.
| 항목 | Li-ion | LTO | Hybrid |
|---|---|---|---|
| 초기 구매 (팩 2개) | $100 | $408 | $332 |
| 교체 비용 (5년간) | $300 (6회 교체) | $0 | $40 (Li-ion 1회) |
| 충전 전기료 | $15 | $15 | $15 |
| 5년 총비용 | $415 | $423 | $387 BEST |
| 10년 총비용 | $830 | $423 BEST | $427 |
Makita 18V 사이즈 기준 (~130 x 75 x 65mm)
약간 큰 케이스 (~140 x 80 x 70mm)
| Phase | 기간 | 작업 내용 | 산출물 |
|---|---|---|---|
| 1. 설계 | 2주 | 회로 설계 (BMS + DC-DC + Protection), PCB 레이아웃, 시뮬레이션 | KiCad 회로도 + PCB 파일 |
| 2. 시제품 | 3주 | PCB 발주/제작, 부품 실장 (SMT + THT), 초기 동작 확인 | 동작 보드 (Bare Board) |
| 3. 케이스 | 1주 | 3D 프린트 케이스 설계 + 출력, 어댑터 플레이트 피팅 | STL 파일 + 조립 완성품 |
| 4. 테스트 | 2주 | 성능 측정 (용량/전류/온도), 안전 테스트 (과충전/단락/낙하) | 테스트 리포트 |
| 5. 최적화 | 2주 | 펌웨어 튜닝, 열관리 개선, 충방전 알고리즘 최적화 | 최종 펌웨어 (.hex/.bin) |
| 6. 문서화 | 1주 | 제작 가이드, 사양서, 회로 설명서, BOM, 조립 매뉴얼 | 기술 문서 (Open Hardware) |