80V 벅-부스트 납축전지 및 리튬 배터리 충전 컨트롤러로 태양광 기반의 배터리 충전 간소화

태양광을 기반으로 하는 재충전 시스템의 목적은 가급적 많은 태양 에너지를 추출하여 배터리를 신속하게
충전하고, 동시에 충전 상태를 유지하는 데 있다. 더욱이 태양광 패널이 받는 일조량이 적거나 없을 때의
배터리 소모는 중요하므로 가능한 한 언제나 최소화해야 한다.

Steve Knoth, Albert Wu  Linear Technology Corporation


태양 에너지는 무료로 사용할 수 있는 청정 에너지원이지만 종종 신뢰성이 떨어지기도 한다. 소자의 노후화, 부분적 음영, 일몰, 동물의 배설물 외에도 태양광 패널에서 최적의 전력 공급점을 이동시키는 온도 변화 효과는 태양광 패널의 성능을 낮춘다.
이러한 신뢰성과 가변성 문제 때문에, 거의 모든 태양광 구동 소자는 백업 전원을 목적으로 충전식 배터리를 포함하고 있다. 한때는 납축전지에 국한되었지만 이들 배터리는 현재 리튬 기반 화학물질로 확대되었다.




분명한 것은 태양광 구동 애플리케이션이 증가하고 있다는 사실이다. 이제는 다양한 크기의 태양광 패널을 이용하여 횡단보도 표시등, 쓰레기 압축기, 해양용 부표와 같이 다양하고 혁신적인 애플리케이션을 구동하고 있다.
태양광 구동 애플리케이션에 이용되는 배터리는 긴 시간에 걸쳐 반복적인 충전 사이클과 극심한 방전을 견딜 수 있는 “Deep Cycle” 배터리이다. 이러한 유형의 배터리는 주로 태양광 발전이나 풍력 발전과 같은 “오프 그리드”(전력회사의 전력망과 연결되어 있지 않은) 재생 에너지 시스템에 이용된다. 근접 접근의 어려움으로 인해 오프 그리드 설비에서 시스템 가동 시간은 가장 중요한 요소이다.
일정한 양의 빛 에너지와 동작 조건에서 태양광 패널은 피크 출력 전력이 생성되는 특정한 출력 전압을 갖는다. 그림 1은 60℃의 패널 온도에서 72셀 패널 특성을 나타낸 것이다. 파란색 선은 x축이 패널 전압일 때 패널의 I-V 곡선이다. 그리고 빨간색 선은 간단한 로드 박스를 사용하여 스위프(Sweep)를 수행하면서 패널 전압이 0V부터 패널의 개방 회로 전압까지 스위핑함에 따라 나타나는 패널의 출력 전력이다. 이러한 특정 조건에서 최대 전력점은 32V이며 패널은 140W를 공급할 수 있다. 실제의 경우와 같이 패널 온도를 변화하도록 허용하면, 최대 전력점은 더운 여름철의 28V에서부터 추운 겨울철의 44V 사이에서 다양하게 나타날 수 있다.
보다 간단한 태양광 충전 시스템은 대부분 패널의 전압 동작점을 고정 레벨로 설정한다.
이 특정 패널의 경우, 이와 같이 간단한 시스템에서는 주어진 온도(이 경우 60℃)에서 최대 전력을 추출하기 위해 패널의 동작점을 32V로 설정한다. 그러나 패널 온도가 변화하면 패널이 더 이상 정확한 최대 전력점에서 동작하지 않으므로 많은 전력이 낭비된다.


문제를 더욱 어렵게 만드는 것은 시행 중인 안전 표준에 따라 대부분의 패널들이 바이패스 다이오드를 태양광 발전 전지 모듈에 장착해야 한다는 것이다. 이를 규정하는 이유는 패널의 일부에만 음영이 지고, 다른 부분은 완전히 태양빛을 받을 때 발생할 수 있는 문제를 다루기 위한 것이다. 이 경우 그늘이 진 태양광 전지는 역 바이어스되지만 태양빛을 받는 다른 전지들에서 전류를 공급하므로 여전히 높은 전류가 그 사이를 흐르게 된다. 그늘이 진 전지는 온도가 높아지고, 이로 인해 화재의 위험이 발생한다. 이러한 화재 위험을 줄이기 위해 제조업체에서는 패널 전체에 걸쳐 바이패스 다이오드를 탑재했다. 그림 2는 72셀 패널에 배치한 바이패스 다이오드이다.
패널에 바이패스 다이오드가 장착되면 부분적 음영이 존재할 때 복잡한 전력 대비 전압 특성이 나타날 수 있다.

그림 3은 이와 같은 시나리오에서, 두 군데의 로컬 전력 최대값이 하나는 21V에서, 다른 하나는 37V에서 존재하는 경우를 나타낸 것이다.
32V의 간단한 전력점 방법을 사용할 경우 79.4W의 전력을 얻을 수 있지만, 이것은 정확한 최대 전력점 21V에서 얻을 수 있는 90.1W에 비해 13.5%의 적지 않은 손실이 발생한다는 것을 의미한다. 분명한 점은 정확한 최대 전력점에서 동작하고 이를 추적할 수 있는 시스템이 훨씬 탁월한 방법을 제공한다는 것이다.
태양광 구동 충전식 배터리 시스템의 설계 과제

일반적인 태양광 패널의 효율은 약 5%∼15% 범위이다. 패널 크기가 클수록(성능이 강력할수록) 가격이 비싸진다는 사실과 함께 생각하면, 태양광 구동 설계는 전체 시스템 비용이 최소화되도록 효율을 극대화해야 한다는 결론이 나온다.
태양광 기반 제품에서 태양 에너지를 효율적으로 얻으려면, 설계는 넓은 범위의 입력을 관리하면서 동시에 최대 전력점 또는 그 근처에서 태양광 패널을 동작하게 하는 방법을 찾아야 한다. 또한 제품에 사용되는 모든 종류의 배터리를 안전하게 충전해야 한다. 그리고 태양광 충전 시스템은 또 다른 설계 문제를 갖고 있다. 일정한 태양광 구동 시스템의 경우, 펌웨어 개발과 디버그에는 많은 시간이 걸린다. 만약 패널의 최적 전력 공급점이 배터리 전압보다 낮거나 같은, 또는 그 이상일 경우(이는 매우 흔한 경우인데), 더 복잡한 벅-부스트 토폴로지가 필요하다. 벅-부스트 토폴로지는 양방향에서 진정한 절연을 허용한다(스텝다운 또는 "벅" 토폴로지 단일 방식과 비교했을 때 패널이 어두우면 인덕터를 통해 NMOS의 바디 다이오드에서 배터리를 소모하게 된다). 배터리를 보호하기 위해 적절한 전압 종단이 필요하다.
마지막으로 패널은 신뢰할 수 있는 전력원이 아니기 때문에, 충전기가 배터리를 충전하고 부하가 배터리에 연결되는 원래의 장소에서 배터리의 in-situ 충전이 필요하다. 이 경우 배터리는 전력원이면서 "버퍼"의 역할을 담당한다.

최대 전력점 추적이란 무엇이며 왜 필요한가?

최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking, MPPT)은 모든 동작 조건에서 패널로부터 최고의 전력량을 추출하도록 도와주는 기법이다. 이상적이지 못한 조건으로는 패널의 부분적 음영(나뭇잎, 새들의 배설물, 그림자, 눈 등), 패널의 온도 변화, 패널의 노후화 등을 들 수 있다.
예를 들어 오프 그리드 태양광 패널 시스템에서 전력 시스템의 고장은 많은 비용을 발생시킨다. 따라서 고객은 패널에서 얻을 수 있는 최대 전력을 추출하기를 원하며, 더욱이 태양광 설비의 유지보수 간격은 극대화하기를 원한다.
진정한 능동 MPPT는 모든 조건에서 최적의 동작점을 찾는다. 이는 최소형 패널 또는 최소형 배터리를 사용할 수 있게 함으로써 시스템의 오버 디자인 필요성을 낮춰 전체 시스템 비용을 줄여준다. 또한 진정한 MPPT는 최적의 피크 전력점을 찾고 부분적으로 그늘진 패널의 잘못된 로컬 최대값은 거부한다(참고로, 부분적 음영 전력 패턴은 패널 내부에 있는 바이패스 다이오드의 수와 정렬에 의해 결정된다).

간편한 IC 솔루션

IC 충전 솔루션이 이와 같은 문제들을 해결하려면, 다음과 같은 특징들 전부는 아니라도 대부분은 갖추고 있어야 한다.
최소 소프트웨어 및 펌웨어 개발 시간
유연한 벅/부스트 토폴로지
능동 MPPT 알고리즘
단순하며 자율적인 동작(마이크로프로세서 필요 없음)
다양한 배터리 화학물질을 위한 종료 알고리즘
‌In-situ 충전 : 배터리가 충전되는 동안 부하에 전력 공급
다양한 전력원을 받아들일 수 있는 넓은 입력 전압 범위
다중 배터리 스택을 지원할 수 있는 넓은 출력 범위
고출력/충전 전류
작고 얇은 솔루션 풋프린트
향상된 열 성능 및 공간 효율을 제공하는 첨단 패키징
비용 효율적 솔루션
통상적으로 복잡한 경쟁 태양광 배터리 충전 시스템은 최대 전력점 제어/추적 기능을 유사하게 구현하기 위해 각각 1개의 DC-DC 스위칭 배터리 충전기, 마이크로프로세서, 여러 개의 IC와 개별 부품들로 구성된다. 대안이 되는 솔루션은 태양광 모듈이 될 수 있지만, 이들은 값이 비싸고 설계가 간단하지 않으며(소프트웨어, 펌웨어 등 필요), 잘못된 태양광 패널 최대값으로 고착하려는 경향이 있어 최대 효율로 작동하지 못한다. 그러나 리니어 테크놀로지의 LT8490 벅-부스트 태양광 구동 배터리 충전 컨트롤러가 출시됨에 따라 보다 간편한 솔루션을 이용할 수 있게 되었다.

효율적인 태양광 구동 솔루션

리니어 테크놀로지는 특별히 태양광 애플리케이션을 위해 간편하고 혁신적인 고전압 벅-부스트 충전 컨트롤러 IC를 개발했다. 이 제품은 소프트웨어나 펌웨어 개발이 필요하지 않아 시장 진출 시간을 크게 단축시켜 준다.
리니어 테크놀로지의 LT8490은 납축전지와 리튬 배터리를 위한 동기식 벅-부스트 배터리 충전 컨트롤러이며, 자동 최대 전력점 추적 및 온도 보상 기능을 제공한다. 이 소자는 레귤레이트된 배터리 부동 전압보다 높거나 낮은, 또는 같은 입력 전압에서 동작한다. LT8490의 다기능 배터리 충전기는 다수의 선택 가능한 정전류 정전압(CC-CV) 충전 프로파일을 제공하므로 밀폐형 납축전지, 겔 전지, 플러디드 셀(Flooded Cell)을 포함하여 다양한 종류의 리튬 또는 납축전지를 충전하는 데 이상적이다. 모든 충전 종료 알고리즘이 칩에 제공되므로 소프트웨어나 펌웨어를 개발할 필요가 없어 설계 주기 시간이 단축된다.
LT8490은 6V∼80V의 넓은 입력 전압 범위에서 동작하고, 4스위치 동기식 정류의 단일 인덕터를 사용하여 1.3V∼80V 배터리 부동 전압을 생성할 수 있다. 이 소자는 또한 외부 FET의 선택에 따라 10A의 높은 전류를 충전할 수 있다. LT8490의 MPPT 회로는 태양광 패널의 전체 동작 범위를 스위핑하면서 패널의 부분적인 음영에 의한 로컬 최대 전력점이 존재하는 경우에도 진정한 최대 전력점을 찾을 수 있다. 최대 전력점을 찾으면, LT8490은 해당 지점에서 동작하면서 동시에 디더링 기법을 사용하여 로컬 최대 전력점에서 발생하는 변화를 신속하게 추적한다. 따라서 이상적이지 않은 동작 환경에서도 태양광 패널에 의해 발생된 전력을 완전하게 이용할 수 있게 된다.
글로벌 MPPT 스위프는 그림 4와 같다. 노란색 선은 패널 출력 전압이다. LT8490은 패널 전압에 개방 회로 레벨까지 상승하도록 명령한 후, 이어서 패널에 최소 레벨로 선형적으로 램핑 다운하도록 명령한다. 빨간색 선은 패널 전압의 변화에 따른 패널 전류이다. 전류는 LT8490에 의해 측정되고 전력은 IC 내부에서 계산된다. 스위프가 완료되면 패널 전압은 최대 전력이 측정되었던 지점으로 되돌아간다.
디더링 기법은 글로벌 스위프 사이에서 최대 전력점에 발생하는 작은 변화를 추적하는 데 사용된다. 이것은 그림 5에 나타나 있다. 범위의 중간쯤에서 하늘에 있는 구름의 이동으로 패널에 입사되는 태양빛의 양이 변화되는 것을 시뮬레이트하기 위해, 전력점에 대한 변화가 패널에 인가되고 있다. LT8490은 더 나은 동작 지점이 존재하는지 확인하기 위해 패널 전압을 현재 MPPT 지점에서 조금 위로, 그 후 조금 아래로 계속 움직인다. 만약 보다 나은 동작 지점이 발견되면 소자는 새 동작점을 정확히 추적하여 과정을 반복한다. LT8490은 이와 같은 방식으로 변화를 추적할 수 있으므로 글로벌 스위프를 자주 수행할 필요가 없다.
LT8490은 배터리의 외부 서미스터를 감지함으로써 배터리 충전 전압에 대한 자동 온도 보상을 수행한다. STATUS 및 FAULT 핀을 사용하여 LED 표시 램프를 구동할 수 있다. 충전 전류 제한은 단 1개 또는 2개의 저항만 변경하면 조정할 수 있으며, 충전 시간 범위는 적절한 저항 분배기를 사용하여 선택할 수 있다.
그 밖의 다른 특징으로는 입력 및 충전 전류 제한 핀, 3.3V의 레귤레이트된 LDO 출력, 상태 핀 및 동기화 가능한 고정 스위칭 주파수 등이 있다.
LT8490은 로우 프로파일(0.75mm) 64핀 7mm×11mm QFN 패키지로 제공되며 －40℃∼125℃의 온도에서 동작한다. LT8490의 주요 특징은 다음과 같다.
VIN 범위 : 6V∼80V
VBAT 범위 : 1.3V∼80V
단일 인덕터로 VBAT 위, 미만, 동일한 VIN 가능
자동 스위프로 진정한 MPPT 제공
다양한 종류의 납축전지 및 리튬 배터리 유형 지원
상태 표시를 위한 LED 드라이버
배터리 충전 알고리즘 내장
자동 부동 전압 온도 보상
입력 및 출력 전류 모니터 핀
동기화가 가능한 고정 주파수 : 100kHz∼400kHz
64핀 7mm×11mm×0.75mm QFN 패키지
태양 에너지는 풍부한 청정 에너지원이지만 종종 신뢰성이 떨어질 수 있다. MPPT 지점을 이동시키는 온도 변화 효과, 노후화, 부분적 음영, 일몰, 새들의 분비물 등은 모두 패널 성능을 저하시킬 수 있다.
리니어 테크놀로지는 납축전지(밀폐형 SLA, 플러디드, 겔) 및 리튬 배터리를 포함하여 대부분의 배터리 유형에 사용되는 정전류 정전압(CC-CV) 충전 프로파일을 구현하는 벅-부스트 스위칭 레귤레이터 배터리 충전기 LT8490을 개발했다. 이 소자는 태양광 구동 애플리케이션을 위해 효율적인 자동 최대 전력점 추적을 제공한다. 또한 추가적인 소프트웨어나 펌웨어 개발이 필요 없어 시스템의 시장 진출 시간을 크게 단축시켜 준다. 또한 부피가 크고 복잡한 다른 충전 시스템에 비해, 비용 효율적이고 보다 간편한 솔루션으로 기존에 어려웠던 설계 과제를 크게 간소화시킨다.