고신뢰성 산업 제어 환경에서 에너지 수확을 사용하는 방법

이 기사에서는 고신뢰성이 중요한 산업의 전력 노드에서 에너지 수확 소스를 사용하는 경우의 설계에 관한 과제를 살펴봅니다. 여기서는 온도 및 진동과 같은 에너지원을 배터리 시스템 및 무선 링크와 결합하여 센서 노드를 정확한 위치에 배치하고 가능한 최대의 신뢰성을 확보하는 방법을 알아봅니다.

에너지 수확 기술을 사용하면 산업 시스템의 신뢰성과 가용성을 높일 수 있습니다. 전력이나 통신 링크와 무관하게 필요한 곳에 센서 노드를 배치할 수 있으면 고품질의 데이터를 얻을 수 있습니다. 그러면 문제가 발생하기 전에 식별하는 Kalman 알고리즘 등의 기술에 대한 추세 데이터를 제공하고 예방 유지 관리를 수행하거나 장애가 발생하기 전에 대체 장비를 투입할 수 있습니다.

이러한 에너지 수확 기술을 통해 배터리로 유지되는 간단한 센서 노드의 문제를 극복할 수 있습니다. 작업 현장에서 수천 개의 노드를 사용하면서 배터리를 유지 관리하고 변경하는 일은 시간과 비용이 많이 드는 작업입니다. 그러나 에너지 수확은 변동의 폭이 커서 신뢰성이 낮다는 인식이 있어, 이러한 응용 분야에서 고려되지 않는 경우가 많습니다. 진동, 열 또는 태양광과 같은 에너지 수확 기술을 충전용 배터리와 결합하면 두 분야 모두에서 최고의 성능을 끌어낼 수 있습니다. 독립형 센서 노드를 접근이 어려운 위치에 쉽게 배치할 수 있고, 충전용 배터리 시스템이 수천 주기 동안 지속되기 때문에 노드의 수명이 눈에 띄게 연장됩니다.

그러나 이러한 결합에는 부정기적인 저전류 소스에서 안정적으로 전력을 제공할 수 있는 새로운 방식의 전력 관리 장치가 필요합니다. 이와 같은 장치는 벅 부스트 아키텍처를 사용하여 전원의 전력을 정밀하게 관리합니다.

Mid’s Volture V25W와 같은 장치를 통해 진동에서 에너지를 수확하는 방법은 공장 자동화에서 귀중한 전력 공급원이 됩니다. .

그림 1: Mid Volture V25W 압전 진동 에너지 발생기.

열악한 환경에서 사용하도록 설계된 밀폐 봉인 압전 장치입니다. 센서로 사용할 수도 있지만 전력 관리 칩 및 박막 배터리와 직접 통합하여 신뢰성 있는 전원을 제공할 수도 있습니다. 주된 목적은 모터의 진동을 이용하여 산업 자동화 현장의 무선 고전압 공기 조절 센서와 산업 네트워크의 센서 노드에 전력을 공급하는 것입니다. 작업 현장의 온도를 엄격하게 제어하여 신뢰성을 확보하려면 HVAC의 상태를 모니터링할 수 있어야 합니다.

센서는 진동원에 마운트하며 진동원의 공진 주파수에 맞게 조정합니다. 120Hz AC 모터나 60Hz 어플라이언스와 같이 주된 주파수가 확실해서 쉽게 조정할 수 있는 경우도 있지만, 소스가 공진 주파수로 작동하도록 진동 특성이 필요한 애플리케이션이 대부분입니다.

그러고 나면 V25W를 Maxim의 MAX17710과 같은 전력 관리 장치에 연결할 수 있습니다. 이 장치는 에너지 수확 소스에서 마이크로 전력 기억 소자를 충전하고 보호하는 완전한 시스템입니다. 출력 수준이 1fW ~ 100mW이고 조정이 잘 되지 않은 소스를 관리하는 데 사용됩니다. 이 장치에는 0.75V(통상) 정도의 낮은 소스에서 전지를 충전할 수 있는 부스트 조정기 회로도 포함되어 있습니다.

내부 조정기는 전지의 과충전을 방지하며, 대상 응용 분야에 공급되는 출력 전압은 3.3V, 2.3V 또는 1.8V의 전압을 선택 가능한 저드롭아웃(LDO) 선형 조정기를 사용하여 조정됩니다. 출력 조정기는 선택 가능한 저전력 또는 초저전력 모드로 작동하며 전지의 드레인을 최소화합니다. 내부 전압 보호를 통해 전지의 과충전을 방지합니다.

그림 2: MAX17710은 에너지 수확 소스의 전력에 맞게 조정되어 있습니다.

태양광 전지는 작업 현장의 실내에서도 사용할 수 있는 전원입니다. Spansion의 MB39C831은 단일 소자 또는 다중 소자를 사용하는 태양광 전지나 열전 변환기(TEG)에서 리튬 이온 배터리에 효율적으로 에너지를 공급하는 고효율 동기 정류 부스트 DC/DC 컨버터입니다.

이 장치는 최대 전력 지점 추적(MPPT) 알고리즘을 사용하는 태양광 전지의 최대 전력 지점에 따른 DC/DC 컨버터 출력과 리튬 이온 배터리를 안전하게 충전하기 위한 과충전 방지 기능을 제어합니다.

일반적으로 태양광 전지의 전압은 부하 전류에 따라 달라지므로 전력을 최대화할 수 있는 작동 지점이 중요합니다. 이 최적의 작동 지점을 무부하 해제 지점과 비교하여 추적하는 제어 알고리즘을 이용하면 전력 변환에서 최대의 효율을 제공할 수 있습니다.

그림 3: MB39C831은 최고의 에너지 변환 효율을 얻을 수 있는 전원의 최적 전력 지점을 추적합니다.

저전압 설계를 사용하여 0.35V로 시작할 수도 있습니다(그림 3). 이 장치는 단일 소자 태양광 전지를 입력으로 취급하고 3.0V ~ 5.0V의 출력을 공급하여 정동작 전류 41A로 센서 노드에 전력을 공급하는 응용 분야에 적합하게 조정할 수 있습니다. 장치의 주요 특징은 출력 전력이 낮을 때 펄스 주파수 모드(PFM)와 펄스 폭 모드(PWM)를 자동으로 전환하며 효율을 최적화한다는 것입니다.

이러한 적응형 접근 방식은 열 에너지 등의 다른 전원에서도 유용합니다. 이 방식을 작업 현장에 사용하면 열의 차이를 이용하여 전력을 얻을 수도 있습니다. Laird WPG-1과 같은 열 엔진은 최대1.5mW의 사용 가능한 출력 전력을 생산하고 광범위한 부하 저항을 처리할 수 있습니다(그림 4). 20°K 미만의 낮은 온도 차이에서 사용 가능한 출력 전력을 제공하도록 초저전력 승압 컨버터가 포함됩니다. 출력 전력을 3.3V, 4.1V 또는 5.0V의 세 가지 전압 설정 지점으로 조정하여 센서 노드나 더 큰 장비에 전력을 공급할 수 있습니다.

이 장치 폐열을 수확하여 무선 센서 네트워크에 사용 가능한 출력 DC 전력으로 변환하는 독립형 박막 열전 전력 생성기입니다. 열의 차이나 출력 전력이 다른 경우에는 다른 열 흡수 및 열 방출 메커니즘을 이용하는 맞춤 설계 서비스를 사용할 수 있습니다.

그림 4: 온도 차이에 따른 Laird WPG-1 열 엔진의 전류 출력.

에너지 수확 소스의 신뢰성을 더욱 높이는 한 가지 방법은 커패시터 뱅크를 사용하여 에너지를 로컬 배터리에 저장하거나 사용하기 전에 수집하는 것입니다. Advanced Linear Devices의 EH300/EH301 계열 EPAD 에너지 수확 모듈은 다양한 소스의 에너지를 받을 수 있으며 간헐적인 저전력 듀티 사이클의 샘플링 데이터나 조건 기반 모니터링, 수명 요구 사항이 극도로 긴 경우 등의 용도로 기존의 3.3V 및 5.0V 출력을 제공합니다. 이러한 모듈은 전력을 완전히 자급하며 항상 활성 모드에 있으므로 다양한 소스 임피던스에서 안정적이거나 간헐적이고 비정기적인 방식으로 전기 에너지를 생성하는 에너지 수확 소스에서 0.0V ~ +/-500V_AC 또는 _DC 범위의 순간 입력 전압과 200nA ~ 400mA의 입력 전류를 받을 수 있습니다. 

그림 5: Advanced Linear Devices의 EH300 모듈에서는 커패시터 뱅크를 사용하여 다양한 에너지 수확 소스에서 항상 작동하는 전력 관리 기능을 제공합니다.

각 모듈은 센서 모드의 최소(V_L) 및 최대(V_H) 공급 전압에 해당되는 +V_low DC 및 +V_high DC의 두 공급 전압 임계값 사이에서 작동하도록 설정되어 있습니다.

에너지원에서 모듈의 입력에 충전 임펄스로 에너지를 주입하기 시작하면 이러한 충전 패킷이 수집되어 내부 스토리지 커패시터 뱅크에 누적, 저장됩니다. 대부분의 일반적인 에너지 수확 응용 분야에서는 전기 에너지 충전 패킷이 제어하거나 예측하기 어려운 입력 전압 스파이크의 형태로 도착합니다. 이러한 에너지는 전압, 전류, 타이밍 파형의 범위가 너무 넓어 처리하기 어려운 경우가 많습니다. 예를 들어, EH300 모듈은 평균 입력 전류 10A에서 4분에 주기를 완료할 수 있고 평균 입력 전류 1.0A에서는 40분에 주기를 완료할 수 있습니다.

결론

에너지 수확은 전원 케이블의 제한을 받지 않고 센서 네트워크에 전력을 효율적으로 공급할 수 있는 방법입니다. 필요한 곳에 센서를 배치하고 장비의 진동이나 위에서 오는 빛으로 전력을 공급하면 혁신적인 방식으로 유용한 데이터를 확보하고 공장 시스템이 신뢰성 있게 작동하도록 보장할 수 있습니다. 충전용 배터리를 추가하면 유지 관리 및 교체 주기가 눈에 띄게 연장되며, 무선 센서 네트워크를 통해 효율적이면서도 안정된 방식으로 유연하게 장치를 모니터링할 수 있습니다.