이 글은 하이브리드 배터리가 어떻게 동작하고 왜 휴대형 애플리케이션에 적합한지에 대해 설명하고자 한다.
하이브리드 동력원의 동작시간 측정
글│GARRY ELDER, 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)
휴대용 애플리케이션에서 더욱 길어진 동작 시간에 대한 요구는 새로운 동력원으로써의 연료 전지의 등장을 주도하고 있다. 그러나 휴대형 전력 애플리케이션에서 연료 전지만 사용했을 경우 극복해야 하는 문제들은 여전히 남아있다. 한 가지 해결책은 동력원을 하이브리드로 만드는 것이다.
동력원으로 배터리, 수퍼커패시터, 혹은 기타 전력 저장 디바이스를 갖춘 연료 셀을 통합하는 작업은 동적 전원 공급장치와 열 문제를 해결해 준다. 그러나, 이것은 그 자체의 전력 관리 문제를 생성한다.
하이브리드 동력원
다음에서 논의되는 아키텍처에서, 하이브리드 시스템은 연료 셀과 배터리 결합으로 정의된다. 이것은 다양한 연료 셀과 배터리 유형, 혹은 울트라커패시터나 수퍼커패시터와 같은 대체 제품을 위해 유지된다. 그러나 각각의 완제품은 선택된 연료 셀과 배터리의 요건을 충족시키기 위해 맞춤화되었다.
하이브리드의 핵심적인 시스템 요소에는 연료 셀, 연료 카트리지, 배터리, 시스템 부하, dc 입력 전원, 전력 컨트롤러 등이 있다(그림 1). 결합된 연료 셀과 배터리는 하이브리드 동력원(HPS: hybrid power source)로 명명된다.
위의 시스템은 다양한 단계에서 3가지의 에너지 소스와 2개의 부하를 제공할 수 있다. 시스템이 dc 전원에 플러그 되지 않을 때, 연료 셀 혹은 배터리의 결합은 시스템 부하에 전력을 공급할 수 있다. 또한, dc 전원이 존재하지 않을 때, 배터리는 엔드-오브-파워-셧다운(end-of-power-shutdown) 성능을 최대화하거나 시스템에 향상된 동적 전력 반응을 구현하기 위해 연료 전지로 충전될 수 있다. dc 전원을 이용할 수 있을 때, 배터리를 충전하고 시스템 부하에 전력을 공급하기 위해 에너지를 제공한다.
그림 1. 하이브리드 동력원을 사용한 전력 시스템
이러한 복잡함으로 인해, 시스템의 전력 경로 관리는 시스템 부하가 최종 사용자 요건을 충족시키기 위해 항상 동작한다는 것을 보장하기 위해 정밀하게 제어되어야 한다. 가장 중요한 시간은 이용 가능한 에너지의 양이 일정한 조건에서 적정 수준에 도달할 때이다. 여기서 이 수준은 시스템 부하에 더 이상 전력을 공급할 수 없거나, 제한된 사용 구성이 초기화되거나, 제어된 셧다운이 성능을 발휘하는 곳이다.
정밀 제어를 실현하기 위해, 전력 컨트롤러는 이용 가능한 피크 에너지의 핵심 값과 전체 에너지를 생성할 수 있도록 수많은 요소를 감지할 수 있어야 한다. 이러한 핵심 값의 정의는 다음과 같다:
이용 가능한 피크 에너지는 주어진 단락 시간 동안 하이브리드 동력원에서 소스될 수 있는 에너지 양으로 정의될 수 있다. 이는 디스크 동작에 DVD 스타트업 또는 셧다운 저장이 될 수 있다. 피크 기간은 최종 장비 부하 프로파일에 기반한다. 이용할 수 있는 총 에너지는 방전 속도에 상관없이 하이브리드 동력원에서 이용할 수 있는 전체 에너지로 규정될 수 있다.
시스템 모니터링
배터리는 2, 3, 4개 시리즈의 리튬이온 셀이 구성된 bq20z75혹은 단일 시리즈 리튬-이온 솔루션인 bq27210처럼 오늘날 시장에서 쉽게 이용할 수 있는 표준 연료 게이지로 모니터될 수 있다. 이러한 솔루션은 전압, 전류, 온도, 최소한의 필요한 충전 상태를 기반으로 한 데이터를 전원 컨트롤러를 이용해 제공된다.
배터리-모니터링 솔루션은 I2C, SMBus, HDQ와 같은 데이터 버스를 통해 전력 컨트롤러와 인터페이스 된다. 이를 통해 전력 컨트롤러는 배터리의 SOC (state of charge)에 대한 정확한 데이터를 가질 수 있으며, 충전 및 방전 기간 동안 안전한 배터리 사용을 보장할 수 있다.
연료 셀과 연료 카트리지를 모니터링 하는 작업은 조금 더 까다로워진다. 연료 카트리지에서 이용할 수 있는 연료의 유형과 수량은 연료 셀의 현재 및 평균 효율과 함께 연료 셀에서 이용할 수 있는 에너지를 계산해야 된다.
수많은 사례에서, 연료 카트리지는 시스템에 독자적이므로 연료 유형은 전력 컨트롤러에 저장될 수 있다. 다른 솔루션에서, 연료 카트리지로 저장된 연료를 위해 데이터를 갖는 것이 유용할 수 있으며, 배터리 모니터링 시스템으로써 유사한 인터페이스 버스를 통해 전력 컨트롤러에 제공될 수 있다.
연료 카트리지가 데이터 저장 성능을 갖춘 솔루션에서는, 전력 컨트롤러와 급유(refueling) 시스템이 연료 카트리지에 남아있는 연료 레벨로 다시 쓸 수 있게 하는 것이 이상적일 것이다. 그렇다고 하더라도, 이것은 연료 카트리지가 제거된 후 다시 삽입될 수 있는 시스템의 경우에만 유용할 것이다.
연료 카트리지 연료 레벨이 아닐 경우, 연료 셀과 관련해 모니터 되어야 하는 다른 요소들이 존재한다. 여기에는, 온도, 연료 입력 속도, 전압 출력, 전류 출력 등이 있다. 이러한 요소들은 연료 셀의 현재 효율을 측정하기 위해 사용된다. 연료 셀이 적절한 상태로 운영된다면 여러분은 결정할 수 있는 온도를 사용하자.
dc 전원과 시스템-부하 전력 데이터는 데이터 셋트를 완료하기 위해 측정되어야 한다. 이 데이터와 모니터링 서브시스템의 데이터를 이용해, 총 이용할 수 있는 에너지와 이용할 수 있는 피크 에너지에 대한 값이 생성될 수 있다. 최종 장비의 이용 가능한 동작시간은 이러한 4가지 요소의 함수이다.
연료 셀 전력 출력 반응 성능과 배터리 크기의 속성은 전력 셧다운의 종단일 때 문제가 발생한다. 이것은 추가적인 이해가 요구된다.
HPS 동작 시간 예측하기
배터리와 연료-셀 모니터링 서브시스템은 호스트 시스템에 전체 및 피크 에너지를 제공할 수 있으며, 이를 통해 호스트 시스템은 필수적인 다양한 사용자 데이터를 결정할 수 있다. 이 아키텍처 사례에서, 우리는 여러 장점을 제공할 수 있는 전력 컨트롤러를 가질 수 있다. 주요한 한 가지는 데이터와 서브시스템을 관리할 수 있다는 것이며, 다른 표준 배터리 동력원일지라도 하이브리드 동력원이 사용될 수 있다.
전력 컨트롤러는 모니터된 데이터를 채택하고 배터리 사용을 관리하여, HPS의 예측된 수명에 대한 성능을 최대화시킨다. 이것은 두 가지 영역에서 이로울 수 있다.
dc 전원이 존재하지 않더라도, 배터리 충전을 위해 연료 셀을 허용함으로써 이용할 수 있는 피크 에너지는 최적 레벨이라는 점을 보장한다.
SOC 배터리를 관리하고, 이 아키텍처 내에서 최대 이용성을 갖추게 된다. SOC를 관리하는 것은 오늘날의 대부분 휴대형 애플리케이션에서 배터리가 어떻게 사용되고 있는가에서 시작된다. 일반적으로, 배터리는 유일한 무선 동력원이다. 따라서 호스트 시스템에 모든 전력을 제공해야 하며, 안전하게 동작할 수 있는 에너지만큼 저장해야 한다. 이것은 가장 긴 동작 시간의 궁극적인 목표를 제공한다. 또한, 배터리 충전 시간은 짧을수록 우수하기 때문에 중요하다.
충전 시간, 피크 SOC, 배터리 수명 사이에서 트레이드오프가 발생될 수 있다. 그러나, 이러한 요소가 오늘날의 컨수머 애플리케이션에서 공통적인 것은 아니다. HPS에 대해 설명할 경우, 이러한 두 가지 요소의 사용 동적 요소들은 적용되지 않는다. 따라서, 배터리와 연료 셀의 최적 상태간의 우수한 균형은 전력 컨트롤러를 사용함으로써 달성될 수 있다.
이상적으로, HPS에서 배터리는 대체될 필요 없이 HPS의 수명을 위해 유지될 것이다. 이 목적을 달성하기 위해 전력 컨트롤러는 저전압에서 충전하기, 더욱 느린 속도에서 충전하기, 충전 전압/속도의 온도 보정과 같은 배터리 충전 관리 옵션을 가능하게 할 수 있다. 전력 컨트롤러는 배터리 충전 전류를 조절함으로써, 연결될 때 시스템 부하가 dc 전원에서 충분한 전력을 갖추고 있다는 것을 보장할 수 있다.
배터리를 지원하는 연료 셀 데이터를 기존 데이터 세트에 추가하는 최신 SBDS (smart battery data set) 부록은 호스트가 데이터에 접근하는 것을 가능하게 하며 연료 셀과 배터리 사용을 제어할 수 있게 한다. 전력 컨트롤러의 사용은 HPS의 복잡도를 조절할 수 있게 하며, SBDS 연료 셀 추가가 HPS를 더욱 효율적으로 사용할 수 있도록 호스트 시스템을 지원할 수 있게 한다.
연료 셀과 배터리에서 이용할 수 있는 총 에너지를 간단하게 추가하는 것은 가능한 동작 시간, RTA(remaining time alarm), RCA(remaining capacity/ energy alarm)를 나타나게 하는 호스트 시스템에 기본적인 기능을 제공할 수 있다.
동작 시간을 예측하는 공식은 다음과 같다:
AtRateTimeToEmpty(ARTTE)= Total Available Energy/AtRate( )
이 공식을 통해 호스트 시스템은 사용자가 시도하려고 하던 것에 대해 알고 있는 사항을 기반으로 이용할 수 있는 동작 시간을 결정할 수 있다. 예를 들어, DVD를 재생하거나 시스템 진단을 동작시키는 등의 내용이다. 이것은 호스트 시스템이 에너지에 대한 정보를 갖고 있는 경우 다른 프로그램을 위해 다른 모드에서 사용하는 것이 유익하다.
그림 2. 에너지 사용 비교
셧다운 제어 및 HPS 동작 시간 최대화
미래를 예측하는 것은 어렵기 때문에, 사용자를 위해 동작시간을 예측하는 작업은 ‘크리스털 볼’ 방식이다. 그러나, 제공된 데이터는 전력이 낮을 때 제어된 시스템 셧다운을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있다. 기능이 더욱 정확할수록, 시스템 동작 시간은 길어진다.