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차량용 모터는 정차 후 출발할 때마다 상당한 양의 연료를 소모하고 부품들을 더 빨리 마모시킨다. 이 글에서는 IOXUS의 uSTART 울트라 커패시터를 활용해서 차량이 정차했다 출발할 때 배터리와 함께 높은 출력을 제공함으로써 연료 소모를 저감하고 부품 마모를 늦추며 향상된 시스템 성능을 달성할 수 있다는 것을 설명한다. 

글/ 데이비드 앤딘(David Andeen) 제품 라인 관리 담당 선임 디렉터, 아나로그디바이스(Analog Devices)

트럭이나 승용차나 또는 크레인 같은 고출력 차량들은 정차와 출발을 반복한다. 통상적인 차량은 정차해 있을 때와 비교해서 출발할 때 10배 더 높은 출력을 사용한다. 뿐만 아니라 크레인 같은 장비는 유압 펌프를 사용하는 경우 수시로 피크 출력을 필요로 하기 때문에 출력이 더 일정치가 않다. 이 같은 동작은 더 많은 연료를 소모하고 시스템에 마모를 일으키며 부품들을 혹사한다. 뿐만 아니라 더 잦은 고장을 일으키고 유지보수 비용을 높이는 원인이 되기도 한다. 이러한 패러다임을 바꿀 수 있도록 IOXUS는 차량 및 중장비 애플리케이션용으로 지능형 울트라 커패시터를 제공한다. 울트라 커패시터를 사용하면 순간적으로 높은 에너지를 공급 및 저장할 수 있어 보다 향상된 시스템 성능을 달성할 수 있다.

모터 스타트-앤-스톱에 대한 IOXUS의 솔루션

이 글에서는 울트라 커패시터 셀 및 모듈의 선도적인 제조회사인 IOXUS와 이 회사의 혁신적인 uSTART 울트라 커패시터를 소개한다. uSTART 울트라 커패시터는 차량 및 운송 애플리케이션을 위한 스마트 파워(Smart Power) 울트라 커패시터 모듈로서, 배터리와 함께 울트라 커패시터를 활용한 하이브리드 전기 시스템을 가능하게 한다. 

그림 1처럼 uSTART 울트라 커패시터를 차량 배터리와 병렬로 연결함으로써, 울트라 커패시터의 빠른 방전 능력을 이용해 시동(크랭킹) 또는 고출력을 필요로 하는 모든 상황에 고전류를 제공할 수 있다. 전류 요구량이 낮을 때는 배터리가 출력을 제공하고, 배터리가 얼터네이터와 함께 작동해서 uSTART 울트라 커패시터를 충전한다. 전반적으로 uSTART 울트라 커패시터는 차량용 배터리의 에너지 프로파일을 역동적으로 관리함으로써 모든 동작 조건에 대해 안정적인 전압을 공급하도록 한다.

그림 1. 차량용 배터리 시스템에서 IOXUS uSTART 울트라 커패시터 구성

울트라 커패시터 활용은 다양한 측면에서 이점을 제공한다. 무엇보다, 높은 전류를 지원할 수 있으므로 일차 전압에서 트랜션트를 방지할 수 있다. 이 같은 안정성은 시스템 전반에 걸쳐 부품의 마모를 줄이므로 부품의 교체 없이도 더 오래 작동할 수 있게 해준다. 과전압/저전압 및 과전류/저전류 조건을 피할 뿐 아니라 스타터 모터의 마그넷과 권선들을 보호하고 배터리 소재를 보호하기 때문에, 스타터 모터와 배터리의 수명을 둘 다 훨씬 더 늘릴 수 있다. 

또한 울트라 커패시터를 함께 사용함으로써 더 넓은 범위의 전력을 지원할 수 있기 때문에 회생 제동 시스템에도 유익하다. 전체적인 전기 시스템의 크기도 줄어든다. 이러한 점들은 궁극적으로 희토류 및 기타 핵심 원재료의 채굴, 소비, 유통을 줄일 수 있게 해준다. 뿐만 아니라 이 울트라 커패시터에 사용되는 탄소는 재생 천연 자원으로부터 얻은 것이다.

그림 2. IOXUS의 최신 uSTART v5 스마트 파워 울트라 커패시터

하지만 이러한 이점들을 거두기 위해서는 설계 상의 과제들을 해결해야 한다. 무엇보다, 이 스마트 파워 울트라 커패시터가 시스템 전반에 걸쳐서 전력을 관리해야 한다. 그러기 위해서는 시동 이벤트 같은 요구 조건을 감지하고 그에 따라서 대응해야 하며 배터리 자체의 충전 또한 관리해야 한다. 그러려면 수 밀리초 이내에 빠르게 에너지를 소싱하고 싱크해야 한다. 이를 위해서는 다양한 부하 시나리오에 걸쳐서 복잡한 게이트 어레이를 일관되게 제어하도록 설계해야 한다. 

전자기 간섭(EMI) 또한 중요한 과제이다. 차량 환경이 시스템 전압에 엄청난 양의 잡음을 추가하는데, 양(+)의 전압 및 음(-)의 전압 트랜션트 모두가 배터리 전압의 수 배에 달할 수 있기 때문이다. 또 다른 설계 과제는, 넓은 무선 스펙트럼에 걸쳐서 차량 OEM들이 지정한 엄격한 전자기 호환성(EMC) 방사 요건을 충족하는 것이다. 또한, 원치 않는 저항을 일으키지 않으면서 전원을 매끄럽게 소싱 및 싱크하기 위해 화학물질 및 소재 연결에 주의를 기울여야 한다. IOXUS의 제품 포트폴리오는 전극과 울트라 커패시터 모두의 화학 물질에 여러 특허 기술이 적용되어 있다.

그림 3. uSTART 스마트 파워 울트라 커패시터 내부의 전자장치 모습

IOXUS는 아나로그디바이스(Analog Devices)와 협력해서 전원 관리 시스템을 개발했다. 이 시스템의 주요 기능에는 울트라 커패시터 충전 관리, 보호, 절연, 시스템 관리가 포함된다. LT8390 벅-부스트 컨트롤러는 울트라 커패시터를 0V에서 설정된 충전 값으로 효율적으로 충전하기 위한 전류 양과 타이밍을 관리한다. 이 디바이스는 또한 확산 스펙트럼 주파수 변조 기능을 사용해서 EMC와 관련한 시스템 무선 주파수 방사를 낮추도록 한다. LT8609S 동기식 스텝다운 레귤레이터는 시스템 내의 제어 전자장치들을 위해 효율적이면서 극히 안정적인 전압 소스를 제공한다. LTC4368은 LT8390에 대해 과전압/저전압 및 역전류 보호를 제공하고, MAX17613은 LT8609S와 저전력 제어 전자장치들에 대해 동일한 기능을 수행한다. 이 차량용 전원 관리 시스템은 여러 개의 MAX253과 ADuM4221 디바이스를 사용해서 일련의 전력 트랜지스터들을 스위칭함으로써 부하에 따라 역동적으로 대응하고 플로트 전압(float voltage)이 되는 것을 방지한다.

IOXUS의 조 아그레로(Joe Agrelo) 선임 전기 엔지니어는 “새로운 첨단 시스템을 개발할 때 ADI 같은 파트너가 있어서 매우 다행이다. ADI의 고성능 제품과 전원 전문성이 시스템 개발에 큰 힘이 되었다”고 말했다.

IOXUS의 uSTART 울트라 커패시터는 향상된 시스템 성능을 달성하고 에너지 소비를 줄이도록 한다. uSTART 울트라 커패시터를 활용함으로써 반복적으로 모터를 시동 및 정지할 때 연료 소모나 부품 마모 같은 문제들을 완화할 뿐만 아니라 향상된 시스템 성능을 달성할 수 있다. 앞으로 모빌리티에 대한 요구가 높아짐에 따라서 IOXUS의 uSTART 울트라 커패시터 같은 새로운 솔루션이 필요할 것이다.

저자 소개

데이비드 앤딘(David Andeen)은 아나로그디바이스(Analog Devices)에서 사업 개발 및 마케팅 업무를 담당하고 있다. 2005년에 맥심(Maxim, 현 ADI)에 입사해서 영업, 마케팅, 애플리케이션 직책을 거쳤다. UCSB에서 재료공학 박사학위를 취득했다.