슈퍼캡의 미스터리 풀기

슈퍼커패시터는 현대 전자 시스템에서 중요한 역할을 하며, 특히 자주 충전 사이클을 반복하거나 매우 큰 전류 부하를 처리해야 하는 경우에 유용합니다.

커패시터는 모든 설계에 사용됩니다. 대부분의 설계에서 소음을 필터링하거나 발진기를 생성하기 위해 디커플링이 필수적이기 때문입니다. 이러한 커패시터의 경우, 더 큰 값은 마이크로패럿(microfarad)으로 표시되며 더 작은 값은 피코패럿(picoFarad)으로 표시됩니다. 슈퍼커패시터(supercap)의 단위는 패럿(Farad) 범위로 나타납니다. 높은 용량 덕분에 몇 시간의 백업이 필요한 경우 배터리와 경쟁할 수 있습니다. 또한 단시간 동안 높은 수준의 전력을 제공하기 위해 배터리와 함께 사용할 수도 있습니다. 높은 전류 처리 능력을 갖추고 있어 하이브리드 차량의 제동 및 에너지 회수 시스템과 같은 에너지 수확 애플리케이션에서도 사용할 수 있습니다.   높은 값을 달성하기 위해 슈퍼커패시터는 표준 커패시터에서 사용하는 기술을 사용할 수 없습니다.   사용 가능한 여러 유형의 슈퍼커패시터 기술이 있지만, 가장 널리 채택된 기술은 더블레이어 커패시터(double-layer capacitor)로 알려져 있습니다. 내부 유기 전해질은 제조가 용이하며, 예를 들어 리튬이온 배터리보다 더 안전합니다.   슈퍼커패시터의 구조는 마치 직렬로 연결된 두 개의 커패시터와 같습니다. 두 개의 전극(3)이 콜렉터(2) 사이에 끼워져 있으며, 이온 투과성 멤브레인(6)에 의해 분리되고, 전해질(5)이 두 전극을 연결합니다. 전압(1)이 가해져 전극이 극화되면 전해질 내 이온이 전극의 극성과 반대 극성을 가진 전기 이중층(4)을 형성합니다. 이 메커니즘은 더블레이어 커패시터라는 이름을 설명합니다.

두 개의 전하 층 간의 거리가 매우 작을 수 있어, 매우 높은 정전용량 수준을 달성할 수 있습니다.   다른 전하 저장 메커니즘에 의해 두 가지 유형의 이중층 커패시터가 있습니다:

슈퍼캡은 일반 커패시터와는 다른 특성을 가지고 있으며, 몇 가지 주목할 만한 점이 있습니다:

슈퍼 캡의 크기 조정 및 고유한 장점

이제 슈퍼커패시터(supercapacitor)가 무엇이며 그것이 어떻게 구성되는지 살펴보았으니, 이를 표준 배터리 애플리케이션의 대체품으로 사용하는 아이디어를 탐구해봅시다. 슈퍼커패시터의 독특한 특성과 런타임(작동 시간)을 비교하려면 어떻게 크기를 측정해야 할까요? 그리고 이들이 가진 고유한 강점은 무엇일까요?
 
슈퍼커패시터의 에너지 용량을 논의할 때 한 가지 염두에 두어야 할 점은 최대 에너지 용량과 실질적인(유효한) 에너지 용량 사이에 큰 차이가 있다는 것입니다. 유효 에너지와 최대 에너지의 차이는 시스템이 활용 가능한 최저 전압과 슈퍼커패시터 설계(최소 전압을 결정함)에 따라 달라집니다. 슈퍼커패시터는 배터리와 달리 용량이 줄어들수록 비교적 안정적인 전압 출력을 유지하는 것은 아닙니다. 리튬 이온 배터리의 경우, 배터리 용량의 상당 부분에 걸쳐 약 3.7V의 전압을 기대할 수 있는 반면, 슈퍼커패시터는 에너지가 소모되면서 전압이 빠르게 감소하는 것을 볼 수 있습니다. 때로는 전류 출력이 일정하게 유지될 때 이 전압 감소가 시간에 따라 거의 선형적으로 나타날 수 있습니다.
 
이 전압 감소를 염두에 둔다면, 최대 에너지 용량은 식 W_max = ½ * C_total * V²_loaded * 1/3600을 사용하여 구할 수 있습니다. 여기서 W는 저장된 와트, C는 슈퍼커패시터의 총 용량, V는 완전히 충전되었을 때의 슈퍼커패시터 전압을 의미합니다. 하지만 위에서 언급했듯이, 슈퍼커패시터의 유효 에너지는 시스템의 최소 전압을 고려하여 측정해야 하기 때문에 이 방법은 다소 오해를 불러일으킬 수 있습니다. 유효 에너지 용량을 측정하려면 식 W_eff = ½ * C_total * (V2_max - V2_min) * 1/3600을 사용합니다.

여기에는 지나치게 큰 슈퍼커패시터를 사용한 작은 예제가 있습니다. 최소 시스템 전압을 증가시키면서 발생하는 일과 우리가 잃게 되는 유용한 용량을 설명하기 위해 3000F의 Eaton Powerstor XL60을 선택했습니다. 그리고 맞습니다, 정말로 단일 슈퍼커패시터에 3000 패럿의 용량이 있습니다. 오타가 아닙니다.

이 슈퍼커패시터를 사용하는 시스템 디자인이 최소 입력 전압 1.6V만 지원할 수 있다면, 슈퍼커패시터에 저장된 잠재 에너지의 1/3을 손실한 것입니다. 이러한 영향은 더 넓은 입력 전압 부스트 회로를 가진 전력 입력 단계를 설계할 때 고려할 수 있지만, 제한 사항을 미리 인식해야 합니다. 또한, 슈퍼커패시터의 출력 전압을 낮추면 안정된 전력 출력을 유지하기 위해 출력 전류를 증가시켜야 하므로 회로 요소에 더 큰 스트레스가 가해집니다.

에너지 용량은 약간 아쉬울 수 있지만, 슈퍼캡은 전력 밀도에서 빛을 발휘하며, 이는 매우 큰 서지 전류를 처리할 수 있다는 뜻입니다. 피크 전류 부하를 처리할 수 있는 능력은 슈퍼캡의 커패시터 부분에서 비롯됩니다. 이러한 능력은 배터리로 작동하는 무선 공구에 슈퍼캡이 사용되는 이유 중 하나로, 높은 전류 서지를 보완하여 마지막 나사를 제자리에 고정하거나 블레이드에 충분한 토크를 제공해 강력하고 깔끔한 절단을 할 수 있도록 돕습니다.   위 예시에서 보았듯이, 동일한 Eaton XL60을 살펴보겠습니다. 데이터시트를 자세히 들여다보면, 이 제품이 140A의 지속 출력 전류를 처리할 수 있지만, 정말 놀라운 점은 2400A의 피크 전류 등급입니다. 이 전류 처리 능력이 리튬이온 배터리와 슈퍼캡을 구별짓는 요점입니다. 심지어 더 작은 슈퍼캡인 JUMT1106MHD (10F 용량)도 최고 5A의 피크 전류를 처리할 수 있으며, 다양한 온도 범위에 적합한 자동차 등급을 갖추고 있습니다. 이 제품은 Nichicon에서 제공됩니다.

초고용량 커패시터가 배터리에 비해 가진 또 다른 강점은 용량 감소입니다. 리튬 이온 전지를 여러 번 충전 및 방전하면, 시간이 지나면서 마모가 발생하고 용량이 감소하여 유효 수명이 줄어듭니다. 많은 경우, 이 전지는 300-500회의 충전 사이클로 평가됩니다. 초고용량 커패시터는 같은 충전 사이클 영향에 비해 손상을 훨씬 적게 받으며, 이전 Eaton XL60은 1,000,000회의 충전 사이클 이후에도 용량이 20% 이하만 감소합니다. 이러한 뛰어난 충전 사이클 성능과 더불어, 초고용량 커패시터에서는 일반적으로 더 넓은 유효 온도 범위를 제공하는 것을 확인할 수 있습니다.   초고용량 커패시터는 현대 전자 시스템에서 그 자리를 차지하고 있으며, 특히 그들에서 충전을 빈번히 자주 순환하거나 매우 큰 전류 부하를 처리해야 하는 경우에 적합합니다. 일반적인 배터리 시스템에 추가로 고려하거나 때로는 아예 교체 대상으로 고려해보는 것도 좋습니다.