태양 전지판에서 최대 전력을 얻기 위한
리튬이온 배터리 충전기 설계 방법
리튬이온 배터리를 충전하기 위한 태양 전지판의 최대 전력은 충전 전류 감소를 통해 MPP 주위의 시스템 버스 전압을 조절함으로써 달성될 수 있다. 이 때, 시스템 및 배터리 충전에서 요구되는 전류 조건은 태양 전지판에서 출력 전류 용량을 초월한다.
시스템 전력 및 배터리 충전 전력 제어 아키텍처는 신뢰성 높은 태양 전지판 구동식 시스템을 설계할 때 중요하다.
글│Jinrong Qian, Nigel Smith, 텍사스 인스트루먼트
가태양 에너지는 휴대형 기기에 전원을 공급하는 중요한 에너지원이다. 태양 에너지는 한동안 계산기 및 우주선 등의 애플리케이션에서 폭넓게 사용되어 왔다. 그러나 최근의 태양열 발전은 휴대폰 충전기와 같은 소비자 애플리케이션에도 고려되고 있다.
태양 전지판(Solar Panel)에서 이용할 수 있는 전력은 작동 환경에 따라 좌우된다. 이 환경이란 빛의 세기(Light Intensity), 시간, 장소 등이 포함된다. 따라서, 배터리는 에너지 저장 요소로, 일반적으로 사용된다. 배터리는 추가적인 전력을 태양 전지판에서 이용할 수 있을 때 충전될 수 있으며, 태양 전지판에서 이용할 수 있는 전력이 충분하지 않을 때, 시스템에 전력을 공급하기도 한다.
그렇다면, 태양 전지에서 대부분의 전력을 얻고, 리튬이온 배터리를 효과적으로 충전하기 위해 리튬이온 배터리 충전기를 어떻게 설계해야 하는가? 본 원고에서는 태양 전지의 동작 원리와 전기적 출력 특성을 논의할 것이다. 그 다음, 태양 전지에서 최대 전력을 얻기 위해 태양 전지 특성을 조합시키는 배터리 충전 시스템의 조건과 시스템 솔루션을 살펴볼 것이다.
태양 전지 I-V 특성
기본적으로, 태양 전지(Solar Cell)는 광 에너지(광자: Photon)가 전자(Elec-tron)와 정공(Hole)을 재결합시키는 p-n 접합으로 구성되어 있으며, 전기적 전류를 생성한다. p-n 접합의 특성은 다이오드의 특성과 유사하기 때문에, 그림 1에 나타난 전기 회로는 태양 전지 특성의 모델로 이용되기도 한다.
전류 소스 IPH는 전지에 떨어지는 빛의 양에 비례하여 전류를 생성한다. 부하가 연결되지 않을 경우, 생성된 모든 전류는 다이오드 D를 통해 흐른다. 여기서 순방향 전압은 태양 전지의 개방형 회로 전압(VOC)을 결정한다. 이 전압은 각 유형의 태양 전지의 정확한 속성으로 다소 변화된다. 그러나 실리콘 셀의 경우, 전압 범위는 p-n 접합 다이오드의 정상적인 순방향 전압인 0.5V~0.6V 사이이다.
병렬 레지스터 RP는 실제 셀에서 발생하는 소량의 누수 전류를 나타내며, RS는 연결 손실을 나타낸다. 부하 전류가 증가하기 때문에, 태양 전지로 생성되는 대부분의 전류는 다이오드에서 부하로 전환된다. 대부분의 부하 전류 값의 경우, 이것은 출력 전압에 작은 영향만 미친다.
그림 2는 태양 전지의 출력 특성을 보여준다. 다이오드의 I-V 특성으로 인해 약간 변화가 있다. 또한 직렬 레지스터(RS)에 의해 약간의 전압 강하도 있으나, 출력 전압은 상당히 일정하게 유지된다. 그러나, 일정 지점에서 내부 다이오드를 통해 흐르는 전류는 너무 작아 불충분하게 바이어스 되며, 이 전류에 대한 전압은 증가하는 부하 전류와 함께 급격히 감소된다. 마지막으로, 생성된 모든 전류가 부하를 통해 흐르고 다이오드를 통해 아무것도 흐르지 않을 때, 출력 전압은 제로가 된다.
이 전류는 태양 전지의 단락 회로 전류(ISC)로 알려져 있다. VOC와 함께, 이것은 동작 성능을 정의하는 주요 요소들 가운데 하나이다. 따라서, 태양 전지는 "전류 제한" 전원으로 고려된다. 출력 전류가 증가할 때, 출력 전압은 제로가 될 때까지 하강한다. 이 때, 부하 전류는 단락 회로 전류로 도달한다.
대부분의 애플리케이션에서는 태양 전지에서 가능한 한 많은 전력을 얻어내는 것이 좋다. 출력 전력은 출력 전압 및 전류의 부산물이기 때문에, 셀의 동작 영역의 어떤 부분이 출력 전압 및 전류의 부산물에 대한 최대값을 생성하는지 결정해야 한다. 이것은 흔히 MPP(Maximum Power Point)로 알려져 있다. 하나의 극에서 출력 전압은 최대 값(VOC), 출력 전류는 제로이다. 또 다른 극에서의 출력 전류는 최대 값(ISC)이지만, 출력 전압은 제로이다. 두 가지 경우, 출력 전압 및 전류의 부산물은 제로이다. 따라서, MPP는 2개의 극 사이 어디에든 존재해야 한다.
이것은 모든 애플리케이션에서 쉽게 증명될 수 있으며, 혹은 실험을 통해 살펴볼 수도 있다. MPP는 실제로 태양 전지의 출력 특성의 굴곡 부분에서 발생한다(그림 3). 실제로 이 문제는 태양 전지의 MPP의 정확한 위치가 빛과 대기 온도로 변한다는 것이다. 따라서 태양 에너지 생성을 최대화하기 위해 설계된 시스템은 태양 전지에서 흐르는 전류를 동적으로 측정해야 한다. 따라서, 실제 동작 조건에서 또는 MPP나 MPP 근처에서 동작한다.
태양 전지판에서 전력을 최대로 하는
배터리 충전기 설계 최적화시키는 방법
태양 전지판 시스템을 위해 MPP를 탐지하는 방법은 다양하다. 이 방법들은 위성처럼 결정적인 수행 능력을 보이는 시스템에서 꽤 복잡해진다. 그러나 수많은 비용에 민감한 애플리케이션에서, 정확한 MPP 트랙킹이 꼭 필요하지는 않다. 간단히 이용할 수 있는 에너지 90% 가량을 얻을 수 있는 저가형 솔루션에는 모든 것이 필요하다. 충전 제어 시스템은 MPP 근처에서 태양 전지를 어떻게 동작하도록 하는가?
DPPM(Dynamic Power Path Management) 기술은 MPP 트랙킹을 위해 이 같은 설계 과제를 만족시킬 수 있다. 그림 4는 태양 전지판에서 이용할 수 있으며, 전력을 최대화하는 리튬이온(Li-Ion) 배터리 충전 애플리케이션 회로이다. 여기서, MOSFET Q2는 배터리 충전 전류, 충전 전압 또는 시스템 버스 전압을 조절하기 위해 사용된다.
태양 전지판은 단일 리튬이온 셀을 재충전하는 전원으로 사용된다. 태양 전지판은 연속 11개의 실리콘 셀 각각으로 이루어진 수많은 스트링(String)으로 구성된다. 이것은 전류 제한 전압 소스처럼 동작한다. 여기서 전류 제한은 패널 크기와 태양 전지판에 떨어지는 빛의 양으로 결정된다.
DPPM은 전류 제한 전원으로 인해 시스템 버스 전압(VOUT) 강하를 모니터 한다. 시스템 버스에 연결된 커패시터(CO)는 방전되기 시작하며, 시스템 및 배터리 충전기가 필요한 전류가 태양 전지판에서 이용할 수 있는 전류 이상이 되면 시스템 버스 전압은 하강한다. 일단, 시스템 버스 전압이 프리셋 DPPM 임계값으로 떨어지면, 배터리 충전 제어 시스템은 DPPM 임계값에서 시스템 버스 전압을 조절한다.
이것은 배터리 충전 전류를 감소시킴으로써 달성된다. 따라서 태양 전지판에서 최대 전력을 얻을 수 있다. DPPM 제어 회로는 시스템이 필요한 전력을 얻고, 남아있는 전력으로 배터리가 충전되는 안정된 상태의 조건으로 도달하도록 만든다. 이것은 태양 전지판에서 이용할 수 있는 전력 사용을 최대화하며, 시스템 신뢰성을 향상시킨다.
태양 전지판에서 최대 출력 전압(VOC)은 일반적으로 5.5V와 6.0V 사이이다. 사전에 정의된 출력 조절 전압이 6V 미만이므로, MOSFET Q1은 완전히 켜진다. 시스템 및 배터리 충전기에서 필요한 총 전류가 빛에 의존하는 태양 전지의 출력 전류 성능을 초과할 경우, 태양 전지판의 출력 전압은 하강하게 될 것이며, 출력 전압(VOUT)도 감소된다.
VOUT이 태양 전지판 출력 전압인 VDPPM까지 하강할 때, 충전 전류는 감소된다. 태양 전지판은 VDPPM이 MPP에 가깝게 설정되는 경우, MPP 가까이에서 동작한다. 이것은 VOUT이 최소 4.5V에서 유지될 수 있는 레벨까지 RDPPM을 적절하게 프로그램 함으로써 달성된다. VDPPM의 값은 태양 전지판의 MPP에 알맞게 상응하기 때문에 사용된다.
MOSFET Q1에 300mV의 전압이 강하된다고 가정하면, 각 셀에 대한 전압은 436mV으로 동일할 것이다. 이는 태양 전지판의 전력 출력을 최대화시킨다. VOUT이 4.5V보다 큰 경우, DPPM 기능은 아무것도 수행하지 않는다. 태양 전지판은 MPP에서 멀리 떨어져 이동된다.
그러나, 이것은 태양 전지판이 공급할 수 있는 것보다, 시스템과 배터리 충전기에 전력이 덜 필요한 경우에 발생한다. 이 경우, 효율의 감소는 그다지 중요하지 않다. 그림 3은 출력 전력 곡선이 MPP에 다가갈 때 평평하며, 그 이후 급격히 떨어진다는 것을 보여준다. 따라서, 약간 낮은 것보다 VDPPM을 약간 높게 설정하는 것이 더 좋다.
이것은 출력 전력에서 부정확한 동작 지점의 효과를 최소화시킬 수 있다. 태양 전지판에서 이용할 수 있는 전력이 시스템에 전력을 공급하기에 충분하지 않고, 배터리 충전 전류가 제로로 감소될 때, MOSFET Q2은 켜지고, VOUT은 배터리 전압 VBAT 이하까지 하강한다. 배터리는 태양 전지판이 제공할 수 없는 전류가 무엇이든지 간에 모두 제공한다.
내부 안전 타이머는 충전기가 DPPM에서 동작할 경우, 자동으로 확장된다. 따라서 빛이 약하거나 빛이 없는 특수한 동작 조건에서 배터리 충전은 매우 느릴 수도 있고, 배터리가 방전 모드에서 동작할 수도 있다.
모든 애플리케이션에서 작동할 수 있는 적절한 충전 안전 타이머를 설정하는 것은 거의 불가능하다. 그렇지 않으면 잘못된 안전 타이머 오류를 만들 수도 있다. 따라서, 안전 타이머의 기능을 억제하는 것은 다른 문제를 해결하는 하나의 선택 방안이다.
결론
태양 전지판의 전원은 "전류-제한" 전압원으로 고려된다. 리튬이온 배터리를 충전하기 위한 태양 전지판의 최대 전력은 충전 전류 감소를 통해 MPP 주위의 시스템 버스 전압을 조절함으로써 달성될 수 있다. 이 때, 시스템 및 배터리 충전에서 요구되는 전류 조건은 태양 전지판에서 출력 전류 용량을 초월한다. 시스템 전력 및 배터리 충전 전력 제어 아키텍처는 신뢰성 높은 태양 전지판 구동식 시스템을 설계할 때 중요하다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 07월호>