열악한 환경에서 높은 품질의 전력을 제공할 수 있는 리튬 이온 커패시터

충전용 배터리 또는 전기 이중층 슈퍼 커패시터(EDLC)를 사용하는 분배 전력 솔루션 작업을 해 본 적이 있다면, 그 한계를 잘 알고 계실 겁니다. 배터리에는 환경 성능, 시스템 크기, 안전에 관련한 트레이드 오프가 있어 비용은 증가하고 효과는 낮아집니다. EDLC를 통해 이러한 문제 중 일부를 해결할 수 있지만, 많은 응용 분야에 필요한 만큼의 에너지 용량을 갖추고 있지 않습니다.

이러한 한계를 극복하기 위해, 하이브리드 슈퍼 커패시터라고도 하는 리튬 이온 커패시터(LIC)를 활용할 수 있습니다. LIC에 대해 잘 모르시는 분들을 위해 설명해 드리자면, LIC는 두 가지 기술을 결합한 비대칭형 소자로, 음극은 슈퍼 커패시터와 같고 양극은 리튬 이온 배터리와 유사합니다(그림 1). 구조가 비대칭형이기 때문에 높은 에너지 밀도, 높은 출력 밀도, 환경에 대한 내구성, 견고성이 필요한 전력 품질 응용 분야에 적합합니다.

그림 1: LIC는 두 가지 기술을 비대칭형 구조에 결합합니다. 양극은 리튬 이온 배터리와 유사하고 음극은 슈퍼 커패시터와 같습니다. (이미지 출처: Eaton)

LIC는 백업 전력을 제공하며 최고 출력이 사용되는 동안 전압 하락으로부터 보호합니다. 화학 공장 및 반도체 제조와 같은 산업용 시스템에서는 전력 품질이 잠깐 동안만 저하되어도 큰 비용이 드는 다운타임이 발생할 수 있습니다. 전압 저하 및 정전으로 인해 데이터 센터의 캐시 메모리, RAID 시스템, 스토리지 서버 운영이 중단될 수 있습니다.

열악한 환경에서의 전력 품질 보호 응용 분야에 사용하기 적합한 Eaton, Taiyo Yuden, Tecate Group의 LIC에 대해 알아보고 LIC 사용 시 알아야 할 설계 고려 사항을 간략히 살펴보겠습니다.

최저 -25°C 운영 등급 LIC

많은 LIC의 작동 온도 범위는 -15°C ~+70°C이지만 응용 제품이 더 낮은 온도의 환경에서 작동해야 하는 경우를 위해, Eaton에서는 최저 -25°C에서 작동하는 30F(패럿) LIC인 HSL1016-3R8306-R을 제공합니다(그림 2). 충전 주기는 주위 온도 20°C에서 250,000회 이상이며 유지보수 없는 사용 수명은 최대 20년입니다. 표준 슈퍼 커패시터의 최대 8배에 이르는 에너지 밀도를 제공합니다.

그림 2: HSL1016-3R8306-R은 최저 -25°C에서 작동하는 30F LIC이며 충전 주기는 주위 온도 20°C에서 250,000회 이상입니다. (이미지 출처: Eaton)

고온 작동을 위한 LIC

고온의 산업 및 실외 환경에서는 최고 85°C에서 작동하며 등가 직렬 저항(ESR)이 75mΩ(밀리옴)인 Taiyo Yuden의 LIC1840RH3R8107 100F LIC를 사용할 수 있습니다(그림 3). 이 LIC의 작동 전압은 85°C에서 2.2V~3.8V, 105°C에서 2.5V~3.5V이기 때문에 고온에서의 사용에 적합합니다. 고온에서 사용 시 정전 용량 저하율이 낮고 내부 저항 변화가 개선됩니다.

그림 3: LIC1840RH3R8107은 85°C에서 3.8V를 처리하는 고온 LIC입니다. (이미지 출처: Taiyo Yuden)

높은 에너지 응용 분야를 위한 450F

높은 에너지 밀도가 필요한 응용 제품을 설계하는 경우, Tecate Group의 LIC 18종 제품군 중 가장 큰 소자인 450F TPLC-3R8/450MR18X40을 사용할 수 있습니다(그림 4). 연속 전류는 2.25A, 피크 전류는 14.1A입니다. 크기는 지름 18mm x 높이 40mm, 무게는 18g입니다. TPLC-3R8/450MR18X40은 정격 전압 및 최고 작동 온도에서 작동 시 예측 수명은 500,000회 주기이며 내구성 등급은 1,000시간입니다.

그림 4: 450F TPLC-3R8/450MR18X40(뒤쪽 중앙)은 Tecate Group의 TPLC 계열 중 용량이 가장 큰 LIC입니다. (이미지 출처: Tecate Group)

LIC를 활용한 설계

다른 슈퍼 커패시터와 마찬가지로, LIC의 전압은 충전 상태에 따라 선형으로 변화합니다. 단일 전지의 안정적인 작동 전압이 필요한 응용 분야에서는 전압 부스트 컨버터가 필요합니다. 직렬로 연결된 여러 LIC를 사용한 설계에는 하향 컨버터를 활용하여 전압을 안정화할 수 있습니다.

0V까지 방전될 수 있는 다른 슈퍼 커패시터와는 달리, LIC는 손상을 방지하기 위해 최소 방전이 보통 2.2V로 제한되기 때문에 안정적인 작동을 위해서는 CMS(전지 관리 시스템)가 필요합니다. CMS는 약 2.2V에서 LIC 방전을 중지하고 여러 전지가 직렬로 연결된 설계에서 전지 전압을 균일한 상태로 유지합니다. 표준 EDLC는 일반적으로 약 30초 안에 방전하는 반면, LIC는 몇 분에 걸쳐 방전합니다. 이는 열악한 환경에서의 전력 품질 솔루션의 중요 차이점입니다.

LIC의 수명은 인가 전압과 작동 온도에 직접적인 연관이 있습니다. 온도와 작동 전압이 높으면 LIC 수명이 짧아집니다. 수명을 최대화하기 위한 주요 파라미터는 작동 전압을 낮추는 것입니다. 여러 전지를 직렬로 배치하여 전압을 낮출 수 있습니다.

결론

열악한 환경을 위한 분배 전력 품질 솔루션을 설계하는 경우 LIC는 효과적인 세 번째 옵션이 됩니다. 하이브리드 구조는 하나의 소자 안에 리튬 이온 배터리와 EDLC의 측면을 결합합니다. 긴 수명 주기와 높은 에너지 밀도를 제공하며, 몇 초가 아니라 몇 분에 걸친 연속 방전은 열악한 환경에서 전력 품질 솔루션의 중요한 차이점일 수 있습니다. LIC는 더 작고 더 견고하며 더 안전한 솔루션을 생성할 수 있습니다. 물론 이점을 최대한 활용하려면 우수한 시스템 설계 사례가 필요합니다.