하이브리드를 사용하여 배터리와 슈퍼 커패시터의 장점을 모두 살린 강력한 IoT 설계 구현

소규모 사물 인터넷(IoT) 노드, 자산 추적, 스마트 계측을 비롯한 소규모 응용 제품과 장비 백업 전력, 상태 보고와 같은 대규모 응용 제품을 포괄하는 모든 응용 제품 설계자는 점점 더 충전 가능한 독립 전원이 필요합니다. 일반적으로 리튬(Li) 이온 화학 물질을 기반으로 하는 전기 화학 배터리 또는 슈퍼 커패시터 또는 슈퍼 커패시터라고 하는 전기 이중층 커패시터(EDLC)로 선택 사항이 제한되었습니다. 단독으로 사용하든 결합하여 사용하든 각 기술에 특정한 제한 사항이 있으므로 개발자는 설계 목표에 따라 각 기술의 기능과 제한 사항을 조율해야 합니다.

특히, 저전력 IoT 및 산업용 IoT(IIoT) 응용 분야의 설계 목표에는 일반적으로 신뢰성, 긴 작동 수명, 효율성, 에너지 밀도, 안정성, 사용 편의성, 간단한 설계 및 통합 공정, 짧은 개발 시간, 낮은 프로젝트 비용 등이 포함됩니다. 리튬 이온과 EDLC를 함께 사용하여 이러한 목표를 실현하는 것도 충분히 가능하지만 두 접근 방식으로 설계하고 최적화하는 과정이 매우 복잡합니다. 따라서 통합 접근 방식이 더 적합할 수 있습니다.

이 기사에서는 IoT 전력 설계의 요구 사항을 설명하고 전기 화학 배터리 및 EDLC 관련 기술에 대해 살펴봅니다. 그런 다음 배터리와 EDLC의 특성을 단일 패키지로 결합하는 하이브리드 에너지 저장 부품 형태의 대체 방법을 소개합니다. 또한 Eaton - Electronics Division의 예제 장치를 소개하고 해당 장치의 특성과 응용 분야에 대해 설명합니다.

낮은 전력과 긴 작동 수명이 요구되는 IoT 시스템

지난 몇 년 동안 상대적으로 작은 전원에서 작동 가능한 저전력, 저듀티사이클의 응용 제품이 급격하게 성장했습니다. 이러한 장치의 회로망에서 활성 모드 작동 전류는 수 밀리암페어에서 수 암페어까지 다양하지만, 이러한 장치는 대부분의 경우 최대 절전 모드로 작동하여 수 마이크로암페어의 전류만 소비합니다. 또한 이러한 장치는 LoRaWAN 또는 Bluetooth 저에너지(BLE)와 같은 낮은 듀티 사이클의 저전력 저속 무선 기술을 사용하여 전력 소비를 최소화하는 데 도움이 됩니다.

이러한 작동 조건에서 설계자는 대개 리튬 이온 배터리 또는 슈퍼 커패시터를 변형한 두 에너지 저장 기술을 고려합니다. 각 기술은 에너지 용량과 밀도, 수명 주기, 단자 전압, 자기 방전, 작동 온도 범위, 낮은 방전율과 높은 방전율에서의 성능 및 기타 요인 측면에서 장단점을 제공합니다.

저장 기술의 주요 차이점

간단히 말해서 1차(비충전식) 전지이든 2차(충전식) 전지이든 배터리는 전기 화학 원칙을 기반으로 합니다. 리튬 기반 배터리에는 흑연(양극), 산화금속(음극) 및 삽입 전해질이 포함되어 있습니다. 삽입 전해질은 일반적으로 액체이지만, 고체인 경우도 일부 있습니다. 충전식 전지의 수명은 대개 다양한 형태의 내부 열화로 인해 수천 회의 충전/방전 주기로 제한됩니다.

또한 배터리의 작동 수명을 최대화하려면 성능 저하, 전지 파괴, 화재 등으로 이어질 수 있는 과충전, 열폭주 또는 기타 장애와 같은 문제를 예방하면서 전지와 배터리 팩을 정교하게 관리해야 합니다. 배터리의 방전 프로파일이 상대적으로 균등하기 때문에 설계자는 회로 구현을 간소화할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 일반 리튬 이온 전지의 방전 주기 프로파일은 전지가 완전히 방전될 때까지 출력이 거의 일정합니다. (이미지 출처: Eaton – Electronics Division)

반면에 EDLC는 화학 반응이 아닌 물리적 공정을 사용하여 에너지를 저장합니다. 이러한 장치는 음극과 양극 모두에서 활성화된 탄소 전극과 대칭을 이룹니다. 충전과 방전은 화학 반응이 없는 정전기 공정이므로 수명 주기는 사실상 무제한입니다. 배터리에 비해 단자 전압이 제공된 에너지에 따라 선형적으로 강하됩니다(그림 2).

그림 2: 리튬 이온 전지에 비해 슈퍼 커패시터의 출력 전압은 저장 전하를 처분하면서 꾸준히 감소합니다. (이미지 출처: Eaton – Electronics Division)

EDLC 기술은 수동 소자 부품에서 상대적으로 새로운 개발 기술입니다. 1950년대와 1960년대에는 단 1F 커패시터의 크기가 방(room)만하다는 것이 일반적인 통념이었습니다. 소재 및 표면 기술 연구를 통해 다른 기본 수동 소자와 비슷한 크기의 패키지에서 수십 또는 수백 패러드의 전기를 공급하는 슈퍼 커패시터라는 새로운 구조 및 제조 기술이 등장했습니다.

장단점이 있는 토폴로지 옵션

배터리와 EDLC 간의 기본적인 설계 및 성능 차이로 인해 설계자는 에너지 저장 장치를 하나만 사용할지 두 장치를 결합할지 여부를 결정해야 합니다. 결합하여 사용할 경우 각각 장단점과 성능에 미치는 영향이 다른 다양한 토폴로지 중에서 결정해야 합니다(그림 3).

그림 3: 설계자는 세 일반 토폴로지(위에서부터 병렬, 독립 장치, 컨트롤러/조정기를 통해 결합)에서 슈퍼 커패시터와 배터리를 결합할 수 있습니다. (이미지 출처: Eaton – Electronics Division)

• 병렬 방식은 가장 간단하지만 슈퍼 커패시터 사용이 최적화되지 않고 출력 전압이 배터리 전압과 직접 연관됩니다.
• 배터리와 슈퍼 커패시터를 독립 장치로 사용하면 각 장치에 독립적으로 전력이 공급되므로 비임계 기저 부하와 별도의 임계 부하가 있는 경우에 가장 적합하지만, 이 방식은 개별 장치 간에 시너지 효과를 제공하지 않습니다.
• 스마트 배열에서는 각 에너지원의 기능을 결합하고 실행 시간과 주기 수명 시간을 모두 최대화하지만, 두 에너지원과 부하 사이에 컨트롤러, DC-DC 조정과 같은 추가 관리 부품이 필요합니다. 이 토폴로지는 운송 관련 전력 장치에 가장 일반적으로 사용됩니다.

이러한 토폴로지를 사용할 경우 배터리와 슈퍼 커패시터를 선택하는 것은 "어느 하나"를 결정하는 문제가 아닙니다. 설계자는 두 장치를 모두 사용할 수 있지만, 배터리와 슈퍼 커패시터를 함께 사용하는 경우 각 장치의 서로 다른 특성을 최적의 상태로 조율해야 하는 어려움이 있습니다.

다행인 것은 혁신적인 부품으로 인해 배터리, 슈퍼 커패시터 또는 둘 다 사용할지 여부를 선택할 때 "둘 다 또는 둘 중 하나" 사이에서 고민할 필요가 없습니다. Eaton – Electronics Division의 하이브리드 에너지 저장 제품군은 두 장치의 특성을 단일 패키지로 결합하여 성능 저하가 발생하지 않습니다.

하이브리드 슈퍼 커패시터의 경우

하이브리드 슈퍼 커패시터는 두 배터리와 슈퍼 커패시터의 기본 구조를 단일의 물리적 장치로 결합합니다. 이러한 하이브리드 부품은 일반 하우징에서 개별 배터리와 슈퍼 커패시터 쌍을 결합한 단순한 패키지가 아닙니다. 오히려, 배터리의 화학적 성질을 슈퍼 커패시터의 물리적 성질과 단일 구조로 병합하는 에너지원입니다. 따라서 이러한 하이브리드 장치는 개발자의 설계 요구 사항을 충족하는 분명한 이점을 제공하면서 배터리와 슈퍼 커패시터의 개별 단점을 해결합니다.

하이브리드 슈퍼 커패시터는 리튬 도핑 흑연(양극)과 활성화된 탄소(음극)로 구성된 비대칭 장치입니다. 전하 이동이 주로 전기 화학적으로 수행되지만 리튬 이온 배터리에 비해 깊이가 훨씬 낮습니다.

다른 속성 중 이 기술 결합은 수명 주기(최소 500,000 주기)가 매우 높고 높은 방전율에 매우 빠르게 반응합니다(그림 4).

그림 4: 하이브리드 슈퍼 커패시터는 배터리의 특성 중 충전/방전 주기 및 속도 제한을 해결합니다. (이미지 출처: Eaton – Electronics Division)

또한 이러한 하이브리드 슈퍼 커패시터는 산화금속을 사용하지 않으므로 화재 또는 열폭주 위험이 없습니다. 또한 충전량 대비 출력 특성이 저전압 저전력 시스템의 요구 사항을 충족합니다(그림 5).

그림 5: 하이브리드 슈퍼 커패시터의 출력 방전 프로파일은 배터리와 표준 슈퍼 커패시터의 출력 방전 프로필 사이에 위치합니다. (이미지 출처: Eaton – Electronics Division)

모든 부품 및 설계 방식과 마찬가지로 각 에너지 저장 솔루션은 성능과 기능의 측면에서 장단점을 제공합니다. 표 1은 일반적으로 서로 상대적인 긍정적(“+”) 특성과 부정적(“-”) 특성을 보여 줍니다.

표 1: 배터리, 슈퍼 커패시터 및 하이브리드 슈퍼 커패시터의 일반적인 특성 비교에서는 하이브리드 슈퍼 커패시터가 두 장치를 가장 잘 결합하는 것을 보여 줍니다. (표 출처: 작성자의 Eaton – Electronics Division 데이터 인용)

숙련된 엔지니어는 완벽한 방식은 없으며, 사용 가능한 솔루션 중 하나의 특정한 긍정적 특성이 다른 모든 방식에 우선할 정도로 중요한 경우가 있다는 것을 잘 알고 있습니다. 따라서 시스템 요구 사항에 따라 최종 솔루션이 달라집니다.

패러드/에너지 용량 범위를 포괄하는 하이브리드 슈퍼 커패시터

제한된 수의 사양만 제공하는 일부 특수 부품과 달리 하이브리드 슈퍼 커패시터는 광범위한 성능 범위를 포괄할 수 있습니다. 예를 들어, 범위의 아래쪽에는 Eaton의 HS 계열 원통형 하이브리드 슈퍼 커패시터 전지인 30F 장치(길이 18mm, 지름 10.5mm)인 HS1016-3R8306-R이 있습니다(그림 6).

그림 6: Eaton HS1016-3R8306-R은 HS 계열 원통형 하이브리드 슈퍼 커패시터 전지의 30F 장치입니다. (이미지 출처: Eaton – Electronics Division)

HS1016-3R8306-R의 작동 범위는 3.8V이고, 초기 ESR의 중요 사양은 낮은 550mΩ이며, 표준 슈퍼 커패시터의 8배에 이르는 매우 높은 출력 밀도를 생성합니다. 이 장치는 0.15A 전류(최대 2.7A)를 지속적으로 공급할 수 있으며 정격 저장 에너지 용량은 40mWh입니다. HS 계열의 모든 제품군과 마찬가지로 전체 제품 승인 공정을 크게 간소화하여 UL 인증을 받았습니다.

동일한 제품군의 대용량 하이브리드 슈퍼 커패시터의 경우 HS1625-3R8227-R은 원통형 220F 장치(길이 27mm, 지름 16.5mm, ESR 100mΩ)이며 전류 1.1A(피크 전류 15.3A)를 지속적으로 공급합니다. 총 에너지 저장 용량은 293mWh입니다.

용량, 성능 및 물리적 사양의 결합을 통해 Eaton 하이브리드 슈퍼 커패시터는 스마트 계측기에서 또는 배터리와 병렬로 무선 링크에 독립 펄스 전력을 공급하는 데 적합합니다. 또한 산업 공정 및 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러에서 짧은 정전 또는 전압 저하 중에 “드라이브 스루” 전력을 공급하여 짧은 정전으로 인해 긴 다운타임이 발생하는 것을 방지하는 데 적합합니다. 마찬가지로, 데이터 센터에서 이러한 전력 차단 기간 동안 휘발성 캐시 메모리, 서버 및 다중 디스크 RAID 저장소를 지원할 수 있습니다.

결론

IoT 시스템 설계자의 경우 하이브리드 슈퍼 커패시터는 높은 에너지 밀도, 긴 주기 수명, 높은 작동 전압으로 인해 유용한 에너지 저장 및 전력 공급 옵션입니다. 이러한 하이브리드 슈퍼 커패시터로 구축된 설계에서는 표준 슈퍼 커패시터에 비해 더 적은 수의 전지와 더 적은 용량이 필요하며, 배터리만 사용할 때보다 온도 및 수명 요구 사항을 더 효율적으로 충족합니다. 이러한 하이브리드 부품은 어려운 상호 절충 및 성능 저하를 제거하여 설계 엔지니어가 까다로운 프로젝트 목표를 쉽게 달성할 수 있도록 합니다.

권장 자료

1. 하이브리드, 고전력 3.8V 슈퍼 커패시터 – HS 계열
2. Hybrid, high-power supercapacitors achieve significantly higher energy densities than standard solutions
3. HS Hybrid supercapacitor white paper
4. Hybrid Supercapacitor Technology Overview(동영상)