수십 년간 IoT 센서 작동을 위한 에너지 수확과 배터리 비교

초저전력 IC의 출시로 인해 단 몇 마이크로암페어 또는 밀리암페어의 전류로 작동 가능한 센서 기반 회로 및 시스템이 확산되고 있습니다. 예를 들면 이러한 제품은 환경 모니터링(안전, 온도, 지진), 자산 추적, 에너지/전력 계량, 의료 모니터 등에 사용됩니다.

이러한 장치는 대부분 10년, 20년 또는 그 이상 작동해야 하지만, 배터리 교체를 위해 장치에 접속하는 것이 어렵거나 불가능한 경우도 있습니다. 배터리를 교체하는 것이 비경제적인 경우도 있습니다.

따라서 설계자는 다음과 같은 옵션 또는 옵션 조합을 충분히 고려한 후 결정해야 합니다.

• 에너지 수확
• 에너지 수확을 지원하는 충전용 배터리(2차)
• 수명이 매우 긴 비충전용 배터리(1차)
• 수명이 매우 긴 1차 배터리를 탑재한 슈퍼 커패시터

이 기사에서는 설계자가 사용할 수 있는 다양한 옵션과 트레이드 오프에 대해 살펴봅니다. 공정에서 Tadiran, Analog Devices, KEMET 및 Texas Instruments의 관련 솔루션과 용도를 소개합니다.

에너지 수확은 스마트 옵션입니까?

스마트한지 여부는 응용 분야에 따라 달라집니다. 에너지 수확은 확실히 매력적이며 언뜻 보기에 비용이 거의 소요되지 않을 듯한 것에 전력을 제공하기 위해 널리 사용되는 기술입니다. 네 가지 주요 요소는 다음과 같습니다.

• 에너지 생성(소스)
• 변환(일종의 트랜스듀서 사용)
• 스토리지(향후 사용에 대비)
• 배포(필요한 회로에 효과적으로 제공)

첫 번째 수확 과제는 가장 실행 가능한 에너지원을 식별하는 것입니다. 일반적인 소스에는 태양력, 풍력, 수력, 시차열, 폐열, 자기 유도 등이 포함됩니다. 다른 소스로는 걷기, 건물 지반 진동, 모터 진동 등에 의해 유도될 수 있는 일정 형태의 미세한 진동 또는 움직임이 있습니다.

에너지와 전력이라는 용어는 사람들 특히 일반 대중 사이에서 혼용되는 경우가 많습니다. 하지만 두 용어는 관련은 있되 서로 다른 뜻을 지니고 있습니다. 에너지는 작업을 수행할 수 있는 역량이지만 전력은 에너지가 수집되거나 확장되는 속도입니다. 따라서 에너지는 전력의 시간 적분이고, 전력은 에너지의 시간 미분입니다. 수확 시스템에서 수집되어 저장되는 에너지의 양은 전력 적분보다 크거나 같아야 합니다. 그러지 않으면 전력이 부족하여 시스템이 장기적으로 작동할 수 없습니다. 다시 말해, 전체적으로 에너지는 시간에 따라 수집되는 것보다 더 높은 속도의 전력으로 확산될 수 없습니다.

수집할 에너지원이 식별되면 트랜스듀서는 에너지원을 캡처한 후 전기 에너지로 변환해야 합니다. 이 트랜스듀서는 마이크로 터빈, 태양광 전지(또는 패널), 압전 수정 등 다양한 형태를 가질 수 있습니다. 다음 단계에서는 이 불규칙하고 예측할 수 없는 소량의 에너지를 저장하는 방법을 결정합니다. 그러면 전자 장치를 구동하는 데 필요할 경우 저장된 에너지를 추출하여 사용할 수 있습니다.

배터리, 슈퍼 커패시터 또는 둘 다?

두 가지 실행 가능한 스토리지 옵션으로는 충전용 배터리 또는 슈퍼 커패시터가 있고, 슈퍼 커패시터를 울트라 커패시터라고도 하지만 공식 명칭은 전기 이중층 커패시터(EDLC)입니다. 충전용 배터리를 사용할지 슈퍼 커패시터를 사용할지 여부는 주로 응용 분야의 크기, 기간 및 듀티 사이클에 의해 결정됩니다.

일반적으로 표준(비슈퍼) 커패시터는 많은 양의 전력을 제공할 수 있지만 장치 볼륨당 저장 가능한 에너지양은 상대적으로 적습니다. 그에 반해 배터리는 많은 양의 에너지를 저장할 수 있지만 전력 정격은 낮습니다. 둘 사이에 에너지와 전력의 균형을 맞추는 슈퍼 커패시터가 있습니다.

슈퍼 커패시터는 배터리에 비해 많은 장점이 있습니다.

• 슈퍼 커패시터는 화학 반응 대신 물리적 전하 저장을 사용하므로, 수 밀리초에서 수 초 이내에 매우 빠르게 충전 및 방전될 수 있습니다.
• 배터리와 달리 슈퍼 커패시터는 화학 반응에 의존하지 않으므로 슈퍼 커패시터의 충전-방전 주기 수명은 거의 무한합니다.
• 슈퍼 커패시터의 충전 관리는 배터리보다 간단합니다. 슈퍼 커패시터는 배터리와 연관된 더 복잡하고 화학 종속적인 정전류 및 정전압 충전 알고리즘 대신 충전 전류와 과전압 보호(OVP) 기능만 있으면 됩니다.

예를 들어 KEMET FC0V474ZFTBR24는 높이 10.5mm, 지름 8.5mm, 공칭 정격 3.5V의 소규모 밀폐형 47mF 슈퍼 커패시터입니다(그림 1). 시일 누출이 발생할 경우 전해질(희석 황산)의 액체 물이 기체로 위상 상태 전환하는 과정에서 무해한 수증기(기체)만 방출됩니다.

그림 1: KEMET의 FC0V474ZFTBR24 슈퍼 커패시터 모델은 높이 10.5mm, 지름 8.5mm의 밀폐형 3.5V, 47mF 장치입니다. (이미지 출처: KEMET Corp.)

충전용 배터리는 약간 더 오래 사용할 수 있으며 전류 드레인이 낮지만 상대적으로 일정하고, 피크가 높지 않고 듀티 사이클이 낮은 응용 분야에 적합합니다. 일부 설계에서는 충전용 배터리와 슈퍼 커패시터를 함께 사용하고 배터리로 커패시터를 세류 충전하여 피크 부하 전류를 제공합니다.

대부분의 장기 응용 분야의 경우 전기적 성능 특성과 용량 및 무게별 에너지 밀도와 관련하여 사용 가능한 많은 표준 화학 물질 중 리튬 이온(Li-ion) 화학 물질을 선택하는 것이 가장 좋습니다.

하지만 다양한 리튬 화학 물질 간에도 출력 전압, 충전/방전 특성, 전압 vs 잔량, 작동 온도 범위, 충전/방전 주기 수 등과 같은 특성에 중요한 차이점이 있습니다. 다른 배터리 사양과 마찬가지로 후자의 경우 주기당 방전 깊이에 따라 달라집니다. 널리 사용되는 두 2차 배터리 화학 물질(니켈 카드뮴(NiCad 또는 NiCd) 및 리튬 이온)과 두 기본 벌크 커패시터 유형의 주요 특성이 표 1에 잘 요약되어 있습니다.

표 1: 충전용 배터리와 커패시터는 다양한 조합의 폭넓은 최상위 특성을 가집니다. (이미지 출처: KEMET Corp.)

개념적으로는 간단하지만, 실제로 지속 시간이 매우 긴 응용 분야에 필요한 에너지 저장 소자의 mAh 용량 등급을 결정하는 것은 어렵습니다. 첫 번째 레벨 분석은 정동작, 안정 상태, 펄스 모드를 포함하여 필요한 전력의 적분을 기반으로 하지만, 이러한 장치로 설계할 때 고려할 사항이 많습니다. 예를 들어 '내부 등가 직렬 저항(ESR)으로 인한 손실'과 '온도 관련 열화'라는 두 가지 요소를 고려해야 합니다. 따라서 배터리 또는 슈퍼 커패시터 규격서와 다양한 그래프를 신중하게 살펴보아야 합니다.

시스템 전력 관리: 지속적 과제

배터리와 슈퍼 커패시터 중 어느 하나를 선택하든 둘 모두를 선택하든 상관없이 수확하는 트랜스듀서에서 저장 소자를 거쳐 부하로 전달되는 에너지 흐름을 관리하는 것은 중요한 설계 문제입니다. 이 기능은 일반적으로 값이 매우 작은 수확된 에너지를 저장 소자까지 최대 효율로 전달하면서 과충전으로 인한 셀 수명 단축이 없도록 해야 합니다. 또한 관리 기능은 자체적으로 매우 적은 전력을 소비하면서 부하에 필요한 전류를 계측하고, 방전 주기를 관리하여 심방전을 방지해야 합니다. 심방전이 발생하면 전체 용량 배터리 충전/방전 주기 수가 감소합니다.

또한 출력 측에서 저장 소자의 전압 및 부하 수요 변화에도 불구하고 부하 레일이 정전압으로 유지되도록 관리자는 DC/DC 조정을 구현해야 합니다. 선택한 배터리 또는 커패시터에 따라 부하 요구 사항의 맥락에서 이 조정은 벅 또는 부스트 모드 기능입니다. 저장 소자 출력 전압이 원하는 DC 레일 초과부터 미만까지 교차할 경우 결합된 벅/부스트 조정기일 수도 있습니다.

예를 들어 Analog Devices의 LTC3331EUH#PBF는 태양광 전지의 높은 소스 전압에 최적화된 에너지 수확 배터리 충전기를 포함하는 나노파워 벅/부스트 DC/DC 조정기입니다(그림 2). 하지만 저전압 소스와 함께 사용하여 배터리 백업을 지원하는 전체 에너지 수확 솔루션의 토대를 구축할 수도 있습니다. 5mm × 5mm QFN-32 소형 패키지에 실장된 LTC3331은 이중 입력을 지원하고(예: 태양열과 피에조를 수확 소스로 제공) 두 입력 간의 우선순위를 지정하는 단일 출력 DC/DC 조정기를 제공합니다.

그림 2: Analog Devices의 LTC3331은 두 수확 소스를 처리하고 둘 간의 우선순위를 지정하며 두 슈퍼 커패시터와 배터리의 균형을 맞추고 최대 50mA에서 1.8V~5V 사이의 전압을 제공할 수 있습니다(왼쪽). 또한 수확된 에너지로 배터리를 충전할 때의 LTC3331 타이밍 시퀀스도 제시되어 있습니다(오른쪽). (이미지 출처: Analog Devices)

수확되는 입력 전압은 3.0V~19V이고 배터리 전압의 범위는 최대 4.2V이며, 정격 출력 레일은 50mA에서 1.8V~5V 사이로 설정할 수 있습니다. 또한 두 슈퍼 커패시터를 직렬로 사용하여 자동 셀 밸런싱을 통해 에너지 저장 및 효율을 높일 수 있습니다.

벅 및 부스트 컨버터는 우선순위 지정 장치에 의해 제어됩니다. 이 장치는 배터리의 가용성 및/또는 수확 가능한 에너지에 따라 사용할 소스를 선택합니다. 수확된 에너지를 사용할 수 있는 경우 벅 조정기가 활성화되고 벅 부스트는 꺼집니다. 부족한 배터리 분리 기능을 지원하는 기판 실장형 10mA 분권 배터리 충전기를 사용하면 백업 배터리를 충전하여 배터리 수명을 크게 연장할 수 있습니다. 특히, 수확 설계에서 조정기 효율의 중요 요소인 정동작 전류는 무부하 상태에서 950nA에 불과합니다.

장기 공급 문제가 해결됨(아닐 수도 있음)

사용 가능한 수확 소스, 배터리 또는 슈퍼 커패시터 사용 여부, 시스템 트레이드 오프 등을 결정하는 것이 복잡해 보인다면 실제로 그럴 수도 있습니다. 그러나 수확을 에너지원으로 사용할 경우, 특히 배터리와 함께 사용할 경우 두 가지 더 큰 문제가 있습니다. 첫째, 충전용 배터리의 충전/방전 주기 횟수가 무한하지 않습니다. 일반적인 1000 또는 2000 주기 등급은 최적의 충전/방전 조건과 온도에서도 수십 년간 사용하기에 부족합니다.

둘째, 에너지원 및 트랜스듀서와 관련하여 더 크고 수량화하기 어려운 문제가 있습니다. 먼지, 오염 물질 또는 주변에서 인간이 무언가 만들어 냄으로써 빛을 가리거나 나무가 커가면서 전지를 가리는 상황이 벌어져도 태양광 전지는 수십 년간 온전히 빛을 밝힐 수 있습니까? 설정과 작동 환경이 바뀌어도 진동원은 항상 자극을 받을 수 있습니까? 이는 대부분의 실제 설치에서 자신 있게 해결하기 매우 어려운 문제입니다.

저장과 관련하여 마이크로암페어 또는 낮은 밀리암페어의 부하에도 불구하고 수십 년간 내구성을 유지할 것으로 비충전식 1차 전지 배터리가 고려되는 것은 직관적으로 볼 때 맞지 않습니다. 결국 비충전식 1차 전지 배터리는 방전되거나, 부식되거나, 기타 장기적인 시간 관련 문제가 발생하지 않겠습니까? 하지만 올바른 유형의 1차 배터리를 올바른 조건에서 사용한다면 실제로 수확 시 매우 현실적인 대안이 됩니다. 또한 정의상 1차 전지를 사용하면 충전/방전 주기 및 관리와 관련된 모든 문제를 완전히 방지할 수 있습니다.

그렇더라도 1차 전지는 무부하 상태에서나 물리적으로 분리된 경우에도 내부적으로는 적지만 일정 정도의 누설 전류가 발생합니다 이러한 자기 방전이라는 성능 감퇴 현상을 피할 수 없습니다. 대부분의 리튬 기반 1차 전지의 경우 이 자기 방전은 연간 초기 용량의 약 3%~4% 정도에 이릅니다.

기초 수학에 따르면 부하 지원에 따른 용량 손실을 제외하고 자체 방전이 4%일 경우 전지 용량은 대략 12년 후에 원래 값의 약 1/2로 감소합니다. 자기 방전의 결과, 단순한 부하 전류 드레인 계산과 초기 배터리 용량을 비교하여 수명을 결정하는 것은 지나치게 낙관적이고 솔직히 비현실적입니다. 따라서 대부분의 1차 전지는 수십 년에 이르는 장기 응용 분야에 적합하지 않습니다.

하지만 보빈 유형 내부 배치와 전용 제조 공정을 사용하는 리튬 염화 티오닐(LiSOCl₂) 화학 물질 기반 배터리는 과도한 자체 방전 없이 수십 년간 지속될 수 있습니다. 전류 레벨이 매우 낮은 많은 회로에서 사용되고 자체 방전율이 1% 미만일 경우 이 배터리는 시스템을 20년, 30년, 심지어 40년 동안 구동할 수 있습니다(그림 3). 또한 이 배터리는 무게는 가볍지만 용량은 높습니다. 고성능 LiSOCl₂ 전지는 무게 기준 650W-hr/kg 이하, 용량 기준 1280 W-hr/dm3 이하의 에너지 밀도를 제공합니다.

그림 3에서 Tadiran의 LiSOCl₂ XOL 계열은 20년 후에 정격 용량의 86%를 제공합니다(왼쪽). LiSOCl₂ XTRA 계열은 10년 후에 정격 용량의 80%를 제공하는 반면, 다른 화학 물질은 70%로 낮아집니다(가운데). 연간 자기 방전율이 높은 리튬 이산화망간(LMNO₂₎ 및 알카라인 전지는 배터리 수명이 10년을 넘지 않습니다(오른쪽).

그림 3: 자기 방전 손실만 고려한 상태(무부하)에서 세 가지 화학 물질 배터리의 10년 및 20년 후 용량. Tadiran의 LiSOCl₂ XOL 계열은 20년 후 정격 용량의 86%를 제공하고(왼쪽), Tadiran의 LiSOCl₂ XTRA 계열은 10년 후 80%를 제공하는 반면, 다른 화학 물질은 70%로 낮아집니다(가운데). 연간 자기 방전율이 높은 LMNO₂ 및 알카라인 전지는 배터리 수명이 10년을 넘지 않습니다(오른쪽). (이미지 출처: Tadiran Batteries)

LiSOCL₂의 낮은 자기 방전에는 리튬이 전해질과 접촉하는 즉시 양극 표면에 형성되어 추가적인 반응이나 용량 손실을 방지하는 염화리튬(LiCl) 부동태화층이 핵심적인 역할을 합니다. 염화리튬은 자기 방전 전류의 흐름을 크게 제한하는 불완전한 절연체이지만, 부하에 필요할 때 낮은 레벨의 전류에 의해 부분적으로 ‘밀립니다’.

이론적으로는 설계 및 구조적으로 부동태화층의 두께를 늘려서 자기 방전을 추가로 제한할 수 있지만, 그러면 고부하 전류에서 전지가 제대로 작동하지 않습니다. 트레이드 오프가 있습니다. 즉, 자기 방전율을 낮추면 낮은 드레인 응용 분야로 사용이 제한되고, 자기 방전율을 높이면 주어진 용량 등급으로 더 높은 드레인에서 짧은 시간 동안 전지를 사용할 수 있습니다.

초저드레인 성능에 최적화된 전지를 사용할 수 있습니다. 길이가 25mm이고 지름이 14.5mm인 Tadiran XLO 계열의 TL-4902/S ½ AA 크기 LiSOCl₂ 1차 전지를 고려하십시오. 이 원통형 배터리의 단자 전압은 3.6V이고, 0.5mA에서 공칭 용량은 1.2Ah이고 전압은 2V로 내려갑니다(그림 4). 출력 전압은 시간이 지나면서 방전되며 낮은 드레인 레벨에서 크게 향상되고 10µA에서 100,000시간 지속됩니다.

그림 4: Tadiran TL-4902/S LiSOCl₂ 1차 배터리는 출력 전압 감소 없이 100,000시간 동안 10µA 전류를 공급할 수 있습니다. (이미지 출처: Tadiran Batteries)

펄스 전류 응용 분야의 경우

부동태화층을 ‘통과’하는 데 몇 밀리초 정도 걸리므로 부하 회로에 전류가 필요한 경우 실제로 과도 전압 강하가 나타났다가 공칭 출력 전압까지 느리게 상승합니다. 따라서 이러한 전지의 수명을 최대화하려면 펄스 부하에서 전지를 사용해서는 안 되며 지속적으로 낮은 전류원으로 사용해야 합니다.

이 점을 고려했을 때 펄스 부하에 대한 편리하고 실질적인 솔루션이 있습니다. 즉, 수명이 길고 지속적으로 방전되는 저전류 배터리를 슈퍼 커패시터와 결합하면 됩니다. 여기서 배터리는 슈퍼 커패시터를 느린 속도로 지속적으로 충전하고 슈퍼 커패시터는 높은 펄스 전류를 제공하는 데 사용되도록 회로가 구성되어 있습니다(그림 5). 실제로 이 배치에서는 배터리를 수확할 에너지원으로 사용하지만 표준 사용에서는 그렇지 않습니다.

그림 5: 설계자는 수명이 긴 1차 전지의 지속적이고 낮은 전류로 슈퍼 커패시터를 세류 충전한 다음 슈퍼 커패시터로 낮은 듀티 사이클 펄스 부하를 지원하여 관리하기 쉬운 배치에서 펄스 부하를 위한 지속기간이 매우 긴 전력을 확보할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

Texas Instruments TPS62740 IC는 이 구성에 매우 적합합니다(그림 6). 이 벅 컨버터는 2.2V~5.5V 범위의 입력 전압을 허용하고 360nA 정동작 전류 사양을 지원하며 소형 2.2µH 인덕터 및 10μF 출력 커패시터로 작동하면서 최대 300mA의 전류를 제공합니다.

그림 6: Texas Instruments TPS62740 강압 컨버터를 사용하면 배터리로 소형 커패시터를 충전할 수 있으므로 설계자가 각 에너지 저장 장치의 특성을 가장 적절히 활용할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

일반 응용 분야에서 LiSOCl₂ 1차 전지는 TPS62740에 직접 연결되며, 벅 컨버터를 활성화/비활성화하고, 출력 전압을 조정하고, 효율적인 충전을 지원하는 마이크로 컨트롤러에 의해 제어됩니다(그림 7).

그림 7: 마이크로 컨트롤러의 지시에 따라 TPS62740을 LiSOCl₂ 1차 전지 및 커패시터와 결합하여 낮은 정동작 전류 작동으로 효과적이고 지속시간이 긴 전력 서브 시스템을 구축할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

벅 컨버터 출력을 두 전류 제한 저항기에 연결하여 슈퍼 커패시터를 최소 1.9V로 미리 충전하는 데 필요한 시작 공정을 처리합니다. 스토리지 커패시터가 미리 충전되면 스위치가 켜지고 결합된 저항에 의해 전류가 제한됩니다. 이 배치에서는 낮은 듀티 사이클, 큰 피크 전류 부하(예: 무선 IoT 노드)로 최대 배터리 수명과 수십 년의 작동 수명을 지원할 수 있습니다.

펄스 전류 버퍼링을 위해 슈퍼 커패시터를 추가하더라도 충전용 배터리로 수확하는 대신 1차 전지 접근 방식을 사용할 경우 다음과 같은 세 가지 장점이 있습니다.

• 수확하는 트랜스듀서 자체 비용 및 장기 실행에 대한 불확실성 해소
• 제한된 충전/방전 주기 수와 관련한 배터리 관리 문제 및 방전 깊이 및 작동 온도에 대한 종속성 제거
• 전력 관리 서브 시스템 간소화

결론

주의 또는 개입 없이 수십 년간 에너지를 제공하는 전원 공급 장치를 고안하는 것은 까다로운 요구 사항입니다. 이는 많은 센서 기반 IoT 응용 분야에 사용되는 상대적으로 관대한 초저전류 및 초저전력 설계 요구 사항에서도 마찬가지입니다.

저전류 응용 분야에서 낮은 부동태화 LiSOCl₂ 1차 배터리만 사용하거나, 낮은 듀티 사이클 펄스 부하에 배터리 화학 물질과 슈퍼 커패시터를 함께 사용하는 방식은 충전용 배터리로 에너지를 수확하는 더 명확하고 더 직관적인 선택 옵션에 대한 훌륭한 대안이 됩니다.