하이브리드 리튬 이온 슈퍼커패시터란 무엇인가요?
슈퍼커패시터는 비교적 최근에 개발된 에너지 저장 소자로, 수십에서 수백 패럿 (Farad)에 이르는 매우 높은 정전 용량을 가지고 있습니다. 정의에 따르면, 하이브리드 리튬 이온 커패시터 (LiC)는 리튬 이온으로 도핑 된 물질이 구조적으로 포함된 슈퍼커패시터 계열의 한 종류입니다. 이는 전통적인 슈퍼커패시터의 양극과 리튬 이온 배터리의 음극을 결합한 하이브리드 소자입니다. 그 결과물은 전력 밀도와 더 높은 셀 동작 전압 측면에서 우수한 성능을 제공합니다
이 글에서는 대표적인 응용 사례를 제시하고, 런타임 계산을 통해 해당 커패시터가 여러분의 프로젝트에 적합한 솔루션인지 살펴봅니다.
기술 팁: 이 Eaton 브랜드의 LiC와 같은 하이브리드 리튬 이온 슈퍼커패시터는 충전된 상태로 배송됩니다. 단자가 단락 되어 커패시터가 손상되지 않도록 주의가 필요합니다. 이러한 상황을 줄이기 위해, 커패시터는 사진과 같이 플라스틱 캐리어에 담겨 배송됩니다.
커패시터 기반 백업 전원 공급 장치 살펴보기
슈퍼커패시터의 유용한 응용 분야 중 하나는 산업용 장비의 계통연계 유지 (ride-through) 백업입니다. 이 응용 분야에서 커패시터 또는 직렬로 연결된 커패시터 뱅크는 몇 분 동안 여러분의 애플리케이션에 전력을 공급할 수 있습니다. 주전원이 설정된 시간 내에 복구되지 않으면 시스템은 순차적인 종료 절차를 수행할 수 있습니다.
예를 들어, 어떤 시스템이 2 분 동안 연속된 정격 24 VDC, 1A를 필요로 한다고 가정해 보겠습니다. 전압은 기준값에서 +2 ~ -1 VDC 정도의 변동을 허용합니다. 총 정격 에너지 요구량은 다음과 같습니다:
에너지 = 전력 x 시간 = 24 VDC x 1.0 A x 120 초 = 2,900 와트초 = 2,900 W \cdot s
커패시터 요구 사항
이제 시스템 요구 사항을 알고 있으므로, 적합한 커패시터를 찾아볼 수 있습니다. 고려해야 할 몇 가지 제약 조건은 다음과 같습니다:
전압
일반적인 LiC는 동작 전압이 3.8 VDC입니다. 커패시터가 방전됨에 따라 이 전압은 감소합니다. 24 VDC 시스템을 위해, 7 개의 직렬 셀 구성 (7s)을 선택하겠습니다. 응용 분야, 부품 가용성 그리고 비용에 따라, 7 개의 직렬 셀 두 개를 병렬로 구성 (7s2p)하는 직렬 병렬 구성을 사용하는 것이 더 유리할 수도 있습니다.
전류
각 LiC에는 설계상 최대 연속 전류와 피크 서지 전류가 있습니다. 예시를 든 시스템의 경우, 7s1p 연결은 연속 전류가 1 A인 커패시터가 필요한 반면, 7s2p 연결은 0.5 A인 커패시터가 필요합니다.
온도
LiC 기술은 고온에 민감합니다. 적절한 관리하면 수십 년의 수명을 갖지만, 극한 온도에서 동작하면 수명은 몇 달로 줄어듭니다.
셀 밸런싱
리튬 이온 배터리와 마찬가지로 LiC도 셀 밸런싱 기능이 필수적입니다. 7s1p 구성의 성능은 가장 약한 셀만큼만 발휘한다고 할 수 있습니다. 따라서 모든 셀에 전압이 균등하게 분배되도록 해야 합니다. 이는 자연스럽게 하나의 셀에만 부하가 걸려 과전압으로 손상되는 경향을 설명하기도 합니다. 이 주제는 이 짧은 글의 범위를 벗어나지만, 다양한 셀 밸런싱 IC가 있으며, 데모 보드도 존재합니다. 이러한 시스템이 어떻게 구성되는지 이해하기 위해 설계를 참고해 보시기 바랍니다.
백업 전원 공급 장치의 수학적 계산
그럼 이제 7s1p 시스템의 계산을 살펴보겠습니다. 3.8 ~ 3.3 VDC의 셀 전압 변동을 허용하는 보수적인 접근 방식을 가정하겠습니다. 이는 전체 시스템 전압 범위가 26.6 ~ 23.1 VDC라는 것과 동일합니다.
7s1p 시스템의 경우 전압이 3.8 VDC에서 3.3 VDC로 떨어지는 동안 2900 W \cdot s 를 공급할 수 있는 커패시터를 찾아야 합니다.
이 중요한 차이를 바꾸어 말하자면, 우리는 연료 탱크에 저장된 에너지를 계산하는 것이 아닙니다! 대신, 전압이 3.8 VDC에서 3.3 VDC로 떨어지는 동안 소비되는 연료를 계산하는 것입니다. 3.3 VDC 미만의 남은 연료는 요구되는 시스템 전압 이하이므로 사용할 수 없습니다.
우선 첫 사진에 나온 220 F 커패시터를 선택해 보겠습니다.
에너지 = \dfrac{1}{2}CV^2
에너지_{26.6 VDC} = 7 * \dfrac{1}{2}220\ C\ 3.8^2 = 11,100\ W \cdot s
에너지_{23.1 VDC} = 7 * \dfrac{1}{2}220\ C\ 3.3^2 = 8,390\ W \cdot s
26.6 VDC와 23.1 VDC에서 커패시터가 저장하는 에너지 차이인 2,710 W \cdot s 가 사용 가능한 에너지입니다. 2710 W \cdot s 는 우리가 목표로 하는 정격 2900 W \cdot s 에 근접하기 때문에 계산은 여기서 마치겠습니다. 커패시터의 규격서를 간단히 살펴보면, 이 커패시터는 1 A의 정격 전류를 처리할 수 있으며 15 A의 서지 전류를 감당할 수 있습니다.
기술 팁: 에너지는 전압의 제곱에 비례합니다. 따라서 전압이 조금만 변해도 에너지에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 예시의 0.5 VDC 전압 감소는 저장 에너지를 약 25 % 줄였습니다.
현재 가격 기준으로 1000 대 생산을 가정할 때, 각 유닛에 장착될 220 F 커패시터 7 개의 예상 비용은 약 47.55 달러 (USD)입니다. 이는 어디까지나 추정치이므로, 정확한 견적은 디지키 영업팀으로 문의해 보시기 바랍니다.
글을 맺으며
이 게시글에 대한 여러분의 의견을 환영합니다. 예를 들어, 동작 전압의 한계를 3.3 V로 설정한 가정에 동의하시나요? 제가 LiC에 에너지 저장 방정식을 올바르게 적용했나요?
여러분은 프로젝트에서 슈퍼커패시터를 어떻게 활용하셨나요?
아래에 의견과 제안을 공유해 주시기 바랍니다.
감사합니다,
APDahlen
저자 소개
미합중국 해안경비대(USCG) 소령(LCDR)으로 전역한 Aaron Dahlen은 디지키에서 애플리케이션 엔지니어로 근무하고 있습니다. 27년간의 군 복무 동안 기술자 및 엔지니어로서 쌓아온 그 만의 전자 및 자동화에 대한 지식은 12년간의 교단을 통해 (상호 연계되어) 더욱 향상되었습니다. 미네소타 주립대학, Mankato에서 전기공학 석사(MSEE) 학위를 받은 Dahlen은 ABET(Accreditation Board for Engineering and Technology, 미국 공학 기술 인증 위원회) 공인 전기공학 과정을 가르치고, EET(Electrical Engineering Technology, 전기공학 기술) 과정의 프로그램 조정관으로 일했으며, 군 전자 기술자에게 부품 수준의 수리에 대해 가르쳤습니다. 미네소타 주 북부의 집으로 돌아와 이런 류의 연구와 글쓰기를 즐기고 있습니다.
영문 원본: How to calculate hybrid lithium-ion supercapacitor (LiC) requirements for my application?