스위칭 전원 공급 방식을 사용하면 지금의 충전용 배터리 제조 방식보다 비용 효율적인 고성능 솔루션을 제공할 수 있다. ADI의 AD8450와 ADP1972를 사용하면 오차 0.01% 이하의 시스템 정확도, 90% 이상의 전력 효율을 갖춘, 에너지 재활용이 가능한 시스템 설계를 간소화할 수 있어서 충전용 배터리 제조의 고질적인 문제점을 해결하는데 도움이 된다.

리튬이온 배터리는 노트북이나 휴대전화 같은 휴대용 기기에 폭넓게 사용되지만, 5 Ah(Amp-Hour)가 채 되지 않는 낮은 배터리 용량 탓에 배터리 제조 효율 자체는 제조비용 문제에 가려져 제대로 조명되지 못했다. 반면, 차량용 배터리의 경우 총 용량이 일반적으로 수백 암페어로 휴대용 장치에 사용되는 배터리에 비해 훨씬 높은 용량의 배터리를 필요로 하기 때문에 수천 개의 작은 셀을 사용하거나 몇 개의 고용량 배터리를 사용한다. 이 경우 전력 효율과 비용은 제조 공정에서 심각하게 고려돼야 한다.

현재 충전식 배터리 업계(rechar-geable battery industry)가 해결해야 할 과제는 크게 세 가지이다.

첫째, 배터리가 성능 및 신뢰도 벤치마크를 충족시킬 수 있어야 한다는 것이다. 이 과제는 가정용 에너지 저장장치와 전기자동차(EV)에 사용되는 배터리에서 특히 중요시 되는 부분이다. 이 경우 정전이나 돌발 장애는 어떤 비용을 감수하고라도 반드시 피해야 한다.



두 번째 과제는 에너지 저장장치에 소요되는 비용을 화석연료 등의 에너지와 비교해 경쟁력을 갖출 수 있도록 최대한 낮춰야 한다는 것이다. 마지막으로 배터리의 제조, 테스트, 작동의 일련의 과정이 환경 전반에 긍정적인 영향을 미쳐야 한다. 즉 배터리의 전체 라이프사이클에서 발생하는 에너지 풋프린트가 다른 에너지원에 비해 낮아야 한다는 뜻이다.

이 세 가지 과제에 신중히 접근하기 위해 배터리 산업의 에코시스템을 살펴보는 것이 도움이 될 것이다. 상위 수준에서는 배터리의 유형이 다르더라도 시스템 자체는 매우 유사하기 때문에 여기에서는 하이브리드와 전기자동차를 예로 들어 설명하겠다.

자동차에서 사용되는 배터리는 가장 중요한 부품 중 하나이다. 이는 전체 시스템 비용에서 큰 부분을 차지할 뿐만 아니라 대부분의 안전 관련 문제의 핵심이기 때문이다. 그림 1은 이때의 에코시스템을 단순화하여 나타낸 것이다.

배터리 제조 공정

충전식 배터리의 비용 문제와 환경에 끼치는 영향을 해결하는 데에는 제조 공정의 효율을 극대화하는 방법이 가장 효과적일 수 있다. 그림 2는 리튬이온 배터리의 일반적인 제조 공정을 나타낸 것이다. 배터리 제조 공정은 화합물을 원하는 폼팩터로 변형한 뒤 셀(Cell)로 만드는 데서 시작한다. 그 뒤 셀이 전하를 보관할 수 있도록 포메이션 공정(formation process)을 거친다. 이 공정에서 셀은 0.1C(여기서 C는 셀의 전기 용량)로 충전한 뒤 방전하는 전체 사이클을 최소한 한 번 거쳐야 하며, 여기에는 최대 20시간이 소요될 수 있다.

포메이션 단계가 끝나면 전기 테스트와 그레이딩 과정(grading step)을 거친다. 이 때 셀은 1C로 추가 충전한 뒤 0.5C로 방전한다. 이 과정에서는 몇 차례 사이클이 반복될 수 있다.

포메이션과 전기 테스트는 엄격한 정확도 사양을 요구하며 큰 용량의 전기자동차용 배터리와 부합하는 셀을 제조할 때는 특히 더 그렇다. 정확도 요건은 ± 0.05% 수준이 될 수 있다.

테스트 시스템 비용 낮춰 저장 비용 절감

비용 절감 문제에 관해서는 포메이션, 테스트, 그레이딩 공정에 사용되는 제조 장비에서부터 이야기가 시작된다. 포메이션 공정에 필요한 시간이 길기 때문에 제조업체는 생산 설비에 수많은 테스트 채널을 갖추어야 한다. 따라서 테스트 장비에 드는 비용을 조금이라도 줄일 수 있다면 전체 비용을 상당히 줄일 수 있다.

기존의 배터리 테스트 시스템은 증폭기, 저항기, 저항기 네트워크 등 정밀 부품을 사용한 개별 설계를 바탕으로 이루어진다. 반도체 부품의 비용이 상대적으로 낮아도 이들 시스템에서 요구되는 높은 정밀도를 달성하는데 필요한 정밀한 증폭기, 낮은 드리프트(low drift) 특성을 갖는 저항기나 매치 저항 네트워크(matched resistor network)는 몇 개만 사용해도 시스템 비용이 크게 증가할 수 있다. 게다가 필요한 부품 개수가 많아지면 설계가 어려워지고 제조비용이 증가한다. 따라서 대부분의 정밀 부품을 하나의 회로에 담은 통합 솔루션을 사용하면 시스템 설계가 아주 간소화될 뿐 아니라, 부품 개수가 줄어들어 비용도 줄어들고 시스템 안정성도 향상될 수 있다.

생산비용 절감과 환경에 미치는 영향 감소

배터리 테스터 중에는 선형 저항기를 기반으로 하는 제품이 많은데, 이는 포메이션과 테스트 공정에서 요구하는 정확도 요건을 충족시키기가 훨씬 수월하기 때문이다. 그러나 선형 저항기 기반의 테스터의 경우, 효율성이 매우 낮기 때문에 소형 배터리 테스트에 가장 적합하다. 이러한 시스템의 경우 효율성은 구체적인 작동 조건에 따라 다르기는 하지만 최대 40% 정도이다.

또한 수차례의 방전을 일으키기 위해 단순한 능동이나 수동 저항성 부하(active or passive resistive load)를 사용하는 시스템이 많은데, 이 경우 생산 공정의 효율성이 더욱 감소한다.

아나로그디바이스(ADI)의 신형 배터리 테스트 칩셋은 AD8450와 ADP1974로 구성되어 있으며, 이 제품을 사용하면 시스템 설계자가 스위칭 레귤레이터 기반의 에너지 재활용이 가능한 배터리 테스트 시스템을 구축할 수 있어 앞서 언급된 문제를 해결할 수 있다. 즉 성능을 낮추지 않으면서도 배터리 포메이션 및 테스트 시스템의 비용을 낮출 수 있다는 의미이다. 정확도가 향상되면 보정 주기(calibration cycle)가 짧아지고 횟수도 줄어들어 결과적으로 가동 시간(uptime)도 늘어난다.



또한, 스위칭 주파수도 높아져서 설계가 단순해지고 전력전자 부품의 크기도 소형화되기 때문에 시스템 비용을 낮추는 데 도움이 된다. 채널 역시 결합시키면 최소한의 노력으로 더 높은 전류를 출력 가능하다. 드리프트를 아주 낮게 유지하면 비싸고 복잡하며 잠재적으로 환경오염을 유발할 수 있는 유냉 시스템(oil cooling system)을 사용할 필요 없이 공기만으로 냉각이 가능하다.

아날로그 영역에서 모든 제어가 이루어지도록 하면 복잡한 알고리즘을 사용할 필요가 없어 소프트웨어 개발 비용을 낮게 유지할 수 있다. 결과적으로 시스템 효율을 높이면서 에너지를 재활용하면 운영비를 지금보다 줄이는데 도움이 된다. 단 ADP1974는 동기식 시스템을 위한 것이고, ADP1972는 비동기식 시스템을 위한 것이다. 또한, AD8450은 AD8451보다 많은 기능을 가지고 있다.

에너지 재활용

배터리를 방전시키는 가장 쉬운 방법이 저항성 부하(resistive load)를 사용하는 것이지만 충전/방전 사이클 사이에 배터리 개수가 많으면 비용이 빠르게 증가한다. AD8450와 ADP1972를 사용한 시스템 구축을 통해 효율을 90% 이상으로 높일 수 있다는 것도 장점이지만 복잡성이 최소화된 상태에서 방전되는 배터리로부터 에너지를 재활용할 수 있다는데 그 진가가 드러난다. AD8450와 ADP1972를 기반으로 구축된 시스템은 저항성 부하를 사용하여 배터리를 방전시키는 대신 에너지를 대부분의 배터리 충전 시 사용되는 공통 버스(common bus)에 다시 ‘밀어’ 넣어 배터리의 전압과 전류를 제어할 수 있다.

각 배터리 채널은 충전 모드에서 DC 버스로부터 에너지를 끌어오고 방전 모드에서 에너지를 다시 DC 버스로 보낼 수 있다. 가장 단순한 형태의 시스템에는 그림 3과 같이 단방향 AC/DC 전원이 사용되며 전류를 AC 주전원으로부터 끌어와 DC 버스로 보내는 것만이 가능하다. 주의할 점은 시스템에서 AC/DC 전원으로부터 끌어오는 실제 전류가 항상 양의 값이 되도록 균형을 맞추어야 한다는 것이다. 충전되는 채널에서 소모되는 양보다 더 많은 에너지를 DC 버스에 공급하면 버스의 전압이 증가해서 부품 손상이 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결하려면 그림 4에서처럼 AC 그리드로 에너지를 돌려보낼 수 있도록 양방향 AC/DC 컨버터를 사용한다. 모든 채널은 먼저 충전 모드로 설정한 뒤 방전 모드로 전환하면 전류를 그리드로 다시 공급할 수 있다. 이 경우 좀 더 복잡한 AC/DC 컨버터를 사용해야 하지만 시스템 구성에 변화를 주기가 수월해지고 전원으로부터 끌어오는 실제 전류가 양의 값이 되도록 충전 및 방전 전류의 균형을 맞출 필요가 없다는 장점이 있다.

에너지 재활용 효율

에너지 재활용의 장점을 조금 더 살펴보기 위해 저항성 부하를 사용해 효율이 40%인 선형 시스템과 에너지 재활용이 가능하고 효율이 90%인 스위칭 레귤레이터 기반의 시스템을 비교해 봤다. 정격 전압이 3.2 V, 정격 전류가 15 Ah인 셀 100개를 사용한다고 가정한다.

효율이 낮은 선형 시스템에서 셀 충전에 필요한 4,800 W의 전력을 공급하려면 약 12,000 W를 소비해야 한다. 이 전력은 그 곳에서 직접 생산하거나 전력회사로부터 구입해야 한다. 배터리가 방전될 때의 에너지는 열로 전환된다.

스위칭 레귤레이터 기반의 재활용 시스템에서는 배터리를 50셀씩 두 묶음으로 나누어 생각할 수 있다. 먼저 50개의 셀을 충전하면 약 2,667 W을 사용해 2,400 W의 전력을 셀에 공급할 수 있다. 셀이 완전히 충전되면 시스템은 방전 보드로 재설정되고, 이 때 저장된 전력을 공통 버스로 다시 공급해 나머지 50개 셀을 충전하는 데 사용한다. 방전 효율은 충전 때와 마찬가지로 90%이므로 공통 버스로 공급되는 전력은 2,160 W이다. 나머지 50개 셀을 충전하는 데 필요한 전력은 처음의 50개와 마찬가지로 2,667 W이므로 507 W만 추가로 공급해주면 된다.

두 번째 50개 셀에 저장된 에너지는 다시 세 번째 50개 셀에, 또 세 번째 50개 셀에 저장된 에너지는 네 번째 50개 셀에 에너지를 공급하는 식으로 재사용할 수 있다. 원래 가정했던 대로 셀이 100개라고 하면 스위칭 시스템에서 소모되는 전력은 3,174 W로 에너지를 재활용하지 않는 선형 시스템보다 전력 소비가 75% 감소하는 것을 확인할 수 있다. 스위칭 레귤레이터를 기반으로 하나 에너지를 재활용하지 않는 시스템과 비교하면 줄어드는 전력 소비량의 비율이 대단히 크지는 않지만 그래도 에너지 재활용을 고려해볼 수 있을 정도로 충분히 높은 수준(약 40% 감소)이다.

결론

스위칭 전원 공급 방식을 사용하면 지금의 충전용 배터리 제조 방식보다 비용효율적인 고성능 솔루션을 제공할 수 있다. AD8450와 ADP1972를 사용하면 오차 0.01% 이하의 시스템 정확도, 90% 이상의 전력 효율을 갖춘, 에너지 재활용이 가능한 시스템 설계를 간소화할 수 있어서 충전용 배터리 제조의 고질적인 문제점을 해결하는 데 도움이 된다. 결과적으로 하이브리드자동차(HEV)와 전기자동차(EV)는 전체 에코시스템 보호에 도움이 되는 더욱 친환경적인 제품으로 거듭날 수 있다.