배터리 수명이 늘어나면 시스템 성능과 작동 시간 개선 및 비용 절감 등 다양한 혜택을 누릴 수 있습니다. 회로 설계를 최적화하여 부하에 도달하기 전에 전력이 전달되어야 하는 장치의 수를 제한하는 방법은 배터리 수명 개선에 도움이 됩니다. 본 문서에서는 PassThru™ 기술이 에너지 보관 시스템의 수명을 늘리고 효율성을 높이는 방법을 알려드립니다.
서론
배터리 수명이 길어지면 시스템 성능이 향상되고 작동 시간이 늘어나며 비용은 줄어듭니다. 일반적으로 배터리 기술 향상, 효율적인 장치 설계, 에너지 관리 시스템 혁신과 같은 세 가지 방법을 통해 배터리 수명을 늘릴 수 있습니다. 배터리 기술을 향상하려면 특정 애플리케이션에 적합한 배터리를 선택하고 충전 관리, 온도 조절 및 손실 최소화에 도움이 되는 적절한 배터리 관리 시스템을 설계해야 합니다. 더 나은 장치를 설계하려면 효율적인 하드웨어 구성 요소 및 강력한 펌웨어가 필요하며, 이와 같은 두 가지 요소는 기능과 수명의 최적 균형을 이루기 위해 반드시 고려해야 합니다. 에너지 소비를 지능적으로 최적화하기 위해서는 AI 기반 알고리즘, 최신 토폴로지, PassThru 모드 및 절전 모드와 같은 효율적인 변환기 제어 방식을 적용한 최신 전력 관리 시스템을 활용하는 것도 한 가지 방법이 될 수 있습니다.
슈퍼커패시터 이해
배터리와 함께 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 장치를 사용하면 전력의 짧은 버스트를 위한 빠른 충방전, 수명 향상 및 전반적인 시스템 효율 향상 등 다방면에서 혜택을 누릴 수 있습니다. 예를 들어 슈퍼커패시터는 에너지를 빠르게 저장하고 백업 전력을 공급하는 데 적합하며, 극한의 온도와 환경에서도 견딜 수 있습니다. 슈퍼커패시터를 배터리와 결합하면(예: 전기차) 성능을 향상하고 배터리 수명을 늘릴 수 있습니다. 또한 슈퍼커패시터는 환경 측면에서도 도움이 됩니다.
그림 1. 0.5A 부하에서 24V 슈퍼커패시터 및 리튬 폴리머 배터리의 일반적인 방전 특성 비교.
그림 1은 슈퍼커패시터와 배터리의 차이점을 설명합니다. 동일한 정격 전압에서 6셀 0.1Ah 리튬 폴리머 배터리는 전체 작동에서 더욱 안정적인 전압을 유지하므로 전압원의 특성을 보입니다. 그에 반해 전류가 2F 슈퍼커패시터에서 부하로 흐르면 전압이 선형 감소합니다. 이와 같은 슈퍼커패시터의 선형 방전 특성으로 인해 더욱 효율적인 에너지 변환 시스템이 필요합니다. 입력 전압이 출력 전압 설정값보다 낮은지 또는 높은지와 상관없이 출력 전압을 적절히 조절할 수 있으므로 벅-부스트 변환기 기능이 가장 선호됩니다.
PassThru 모드란 무엇입니까?
PassThru 기술은 다양한 입력 전력 장치에 필수적인 기능으로, 이 기술을 사용하면 기존 제어 방식(표준 벅-부스트 제어기)을 사용하는 시스템 대비 에너지 저장 시스템의 효율을 높이고 수명을 늘릴 수 있습니다. 패스스루는 사전 설정 전압 창에서 마치 단락된 전선이 작동하는 것처럼 입력이 출력으로 직접 전달될 경우에 발생합니다. PassThru 기술은 슈퍼커패시터와 같은 전원 및 지정된 허용 범위 이내로만 전압을 조절하는 부하 사이에서 네트워크 역할을 수행합니다. 다시 말해 전원에서 부하에 이르는 직접적인 경로를 제공함으로써 장치의 효율을 극대화합니다. PassThru 모드는 슈퍼커패시터의 로딩/언로딩 주기를 단축하고 EMI 및 장치의 전반적인 성능을 향상하므로 모든 슈퍼커패시터 구동 장치의 효율을 최적화하는 데 매우 중요한 역할을 담당합니다.
PassThru 모드가 에너지 저장 시스템의 수명을 늘리는 방법
4스위치 벅-부스트 변환기에서 PassThru 모드를 사용하면 그림 2에 표시된 것처럼 지정된 창 설정에 따라 전원에서 출력 부하까지 직접적인 경로를 제공합니다. 따라서 입력은 출력으로 직접 전달됩니다. 즉 전환 손실이 발생하지 않아 지정된 PassThru 창에서 효율이 높아지며, PassThru 모드에서는 전환 주파수가 발생하지 않으므로 전자기 호환성도 높아집니다. 벅-부스트 변환기에서 PassThru 모드를 사용하면 부스트 출력 전압과 다른 벅 출력 전압을 설정하는 옵션을 갖추고 있어 유연성을 확보할 수 있습니다. 공칭 출력 전압이 하나뿐인 기존의 벅-부스트 IC와는 대조적입니다. 또한 입력 전압이 비정상적으로 동작할 경우 부하를 보호하기도 합니다. PassThru 기술은 LT8210의 작동 모드이며, LT8210은 시장에서 유일하게 이 기능을 갖춘 벅-부스트 제어기 IC입니다.
그림 2. PassThru 모드를 사용한 벅-부스트 변환기 회로도.
LT8210의 PassThru 모드 작동 방식을 살펴보려면 데이터 시트 또는 데모 보드의 효율 프로필을 참조하십시오. 그림 3은 4V~24V 입력 전압 및 10%~80% 부하에서 스위프된 DC2814A-A 데모 보드의 효율 프로필입니다. LT8210을 활용하는 본 데모 보드는 입력 전압 4V~40V, 최대 부하 전류 3A, 출력 전압 8V~16V에서 작동합니다. PassThru 모드에서 작동하면 과부하에서 효율이 최대 5% 증가하며, 벅-부스트 작동을 기준으로 한 전류 부하 10%와 같은 경부하에서는 효율이 17% 증가합니다. 이처럼 경부하 작동 조건에서 PassThru 모드는 효율을 크게 향상합니다.
특히 LT8210의 PassThru 모드를 사용하면 벅 출력 전압과 다른 부스트 출력 전압을 설정할 수 있지만 입력 전압이 출력 전압 설정에 근접하면 벅-부스트 영역이 나타납니다. LT8210에서 나타나는 벅-부스트 영역은 단일 인덕터 전류 조절과 관련하여 벅 및 부스트 제어 영역이 교차하기 때문에 발생합니다.
그림 3. DC2814A-A 효율 프로필.
PassThru 모드의 응용 효과를 이해하려면 그림 4의 시스템을 살펴보십시오. 4스위치 벅-부스트 변환기는 모터 드라이버로도 사용되는 부하지점 변환기의 전조정기로 사용됩니다. 전력원은 24V 슈퍼커패시터지만 DC 모터는 입력 사양 9V 및 0.3A를 필요로 합니다. 벅-부스트 변환기는 CCM(연속 전도 모드)에서 작동하는 기존의 4스위치 벅-부스터 제어 또는 PassThru 모드를 활용합니다. 기존의 벅-부스트 제어에는 PassThru 모드가 없으며, 그림 3과 같이 벅, 부스트, 벅-부스트 작동만 가능합니다.
PassThru 모드를 사용하는 시스템에서 부스트 출력 전압 및 벅 출력 전압은 각각 12V 및 27V로 설정되어, 슈퍼커패시터의 시작 전압이 통과 대역 제한 범위 이내로 유지됩니다.5 따라서 시스템은 슈퍼커패시터 전압 24V~12V에서 PassThru 모드를 거칩니다. 이 기간 동안 효율은 99.9.%에 도달합니다. 변환기는 부스트 모드로 진행되기 전에 벅-부스트 모드를 거치며 효율이 떨어질 수 있습니다. 반면에 기존의 벅-부스트 제어로 작동하는 시스템은 출력 전압을 통과 대역 제한 설정의 중간 지점 근처로 설정하기 위해 일정한 출력 전압(16V)에서 작동하도록 설정했습니다.
그림 4. 슈퍼커패시터 구동 모터 블록 다이어그램.
그림 5. PassThru 지원 시스템 및 기존의 CCM 작동 벅-부스트 변환기의 효율 비교.
그림 5는 2.7W에서 전압이 4V에서 24V로 스위프될 때 벅-부스트 변환기 두 대의 효율을 비교합니다. PassThru 모드는 기존 제어 시스템 대비 효율을 22%~27% 향상했습니다. 두 시스템의 차이점을 자세히 검증하기 위해 ITECH IT6010C-80-300의 배터리 에뮬레이터 기능을 사용하여 테스트했습니다. 실행 시간 120초 이상에서 슈퍼커패시터 응답을 모방하기 위해 시작 전압 24V, 종료 전압 0V, 전하 0.005Ah, 내부 저항 0.01mΩ 설정을 사용했습니다. 그림 6에서는 두 시스템의 파형을 확인할 수 있습니다. 채널 1은 배터리 에뮬레이터 전압을 나타내며 채널 2와 채널 3은 각각 모터 전압 및 전동기 전류를 나타냅니다. PassThru 제어 시스템은 224초 동안 작동한 반면, 기존 제어 시스템은 150초 동안만 작동했습니다. 따라서 PassThru 모드를 활용한 시스템의 경우 작동 시간이 49% 증가한 것으로 나타났습니다.
그림 6. 슈퍼커패시터 구동 모터의 총 작동 시간.
다음은 PassThru 제어 시스템의 효율을 높이는 몇 가지 방법입니다.
- PassThru 모드는 벅 작동을 방지합니다.
- 배터리 전압이 통과 대역 이내에 유지됩니다.
- 전환 손실에 중점을 두고 경부하에서 작동하도록 설계되었습니다.
결론
PassThru 기술은 모든 슈퍼커패시터 구동 장치의 성능을 최적화하는 중요한 구성 요소입니다. PassThru 모드를 갖춘 LT8210 동기식 벅-부스트 제어기를 활용하면 기존(CCM 작동 벅-부스트) 제어 시스템과 비교할 때 슈퍼커패시터 구동 장치의 효율을 현저하게 극대화할 수 있습니다. 앞서 살펴본 예에서 PassThru 모드는 효율을 27% 향상하고 전체 시스템의 총 작동 시간을 늘려 에너지 저장 시스템의 작동 시간이 49% 늘어났습니다.