슈퍼 캐패시터 실험 - Super CAPACITOR Experiment

슈퍼캡을 배터리 대용으로 사용할 수 있는지 많은 문의가 있었습니다.
배터리와 슈퍼 캡은 동작원리가 많이 다르므로
세심한 주의가 필요합니다. 아직 슈퍼캡이 배터리에 비하여
가지는 전체 에너지가 작지만 주변 환경 온도, 사용 수명
그리고 급격한 방전 전류가 필요하여 배터리 대신 슈퍼캡을
사용 하여야만 할 때 아래 실험 결과를 바탕으로하여
용량과 전압 (직열 연결 개 수)를 선정 하시기 바랍니다.

슈퍼캡은 일반 전해캡 처럼 충전/방전 속도가 빠르며 배터리와 같이 큰 에너지를 축적할 수 있습니다. 슈퍼캡 메이커의 자료에 따르면 1 초당 10회로 완전 충전과 완전 방전이 가능하다고 합니다. 이를 확인해 보려면 슈퍼 캐패시터를 충전하기 위한 전원장치의 출력 전류 용량이 수천 A 가 되어야 하며 스위칭 소자 역시 수천 A 를 흘릴 수 있어야 합니다. 또한 배터리와 슈퍼캡의 용적이 같다면 슈퍼캡의 용량은 배터리 용량의 1/10 (10%) 정도라고 합니다(슈퍼캡 제조사의 안내 자료). 슈퍼캡은 배터리와 같은 대용량 에너지를 전해캡과 같이 빠른 충전/방전 특성이 필요한 용도에 사용합니다. 슈퍼캡의 가장 대표적인 응용 용도는 연료전지로 구동되는 전기 자동차 입니다. 연료전지는 화학 반응에 의하여 일정한 전류가 연속적으로 출력됩니다. 전기자동차는 연료전지, 딥-사이클 배터리 그리고 슈퍼캡으로 구성됩니다. 연료전지는 연속적인 전류를 생산합니다. 이 전기를 딥-사이클 배터리에 충전합니다. 딥-사이크 배터리는 연속적인 전류 충전과 연속적인 전류 출력이 가능하도록 만들어진 배터리 입니다. 가솔린 자동차의 시동용 배터리는 스타터시 대전류 방출이 가능하지만 연속적인 전류 출력은 안됩니다. 자동차의 특성상 모터(엔진)는 급하게 가속 하기도 하고 정지하기도 하여야 합니다. 급 가속 시에는 대용량의 전류가 필요하며 감속 시 에는 모터에서 발생하는 에너지를 슈퍼캡에 충전하여야 합니다. 연료전지 자동차에서 배터리와 슈퍼캡은 용적 비율 50 : 50 으로 구성된다고 합니다. 연료전지에서 발생하는 전력을 딥-사이클 배터리에 충전하여두고 급 가속 및 정지에 따른 대전류 출력과 회생 전력 저장은 슈퍼캡이 담당합니다.
슈퍼캡은 -20도 이하의 저온에서 동작할 수 있으므로 도로의 안전 표시장치와 같이 대기중에 그대로 노출되는 장비에서 전원장치로 사용됩니다. 배터리는 영하 20도 이하에서 충전/방전 특성이 급격히 저하합니다. 슈퍼캡은 배터리와 비교하여 충전 방전 회수가 큽니다. 또한 배터리와 달리 완전 방전에 의한 저 전압 상태시 파손 염려가 없으며 전해액 관리가 필요치 않으므로 무인 시스템에 사용됩니다. 슈퍼캡이 아직은 초기 시장 진입 단계 이어서 사용 경험 자료가 많치 않습니다. 배터리와의 비교 자료를 많이 요청하셔서 참고가 될 수 있도록 실험 상황을 정리 하였으므로 참고하시기 바랍니다. 슈퍼캡은 배터리와 에너지를 저장하였다가 방출한다는 기본 개념은 같지만 충전/방전 전압/전류 특성이 전해 콘덴서와 달라 배터리와의 동작차이를 이해하고 있어야 합니다.

실험의 목적:

슈퍼 캐패시터는 용량 단위가 Farad 단위 입니다. 1000 F 이면 어느 정도의 전기를 저장 가능한지를 실험적으로 알아 봅니다. 충전 전류가 정해질 때 충신 시간을 알아봅니다. 한번 충전된 전기량을 배터리와 같이 이용하는 방법을 알아 봅니다.

1000F 슈퍼캡 6 개 직열로 연결하여 12V 로 충전하고 부하로 5V 일 때 1A 를 소비하는 LED를 구동합니다.

슈퍼캡 6개를 직열로 연결하여 12V 충전이 가능하도록 하고 슈퍼캡간의 편차를 잡아줄수 있는 능동 밸런스 회로를 부착합니다. SE-ABM 은 내부 저항이 100K 으로 크므로 실험 결과에 영향을 주지 않습니다.

계산을 편하게 하기 위하여 1000F 슈퍼캡을 사용합니다.

충전 전류를 공급하기위하여 30 V / 3A 가 출력 가능한 정전압 DC 파워 장치를 사용합니다.

1000F 슈퍼캡을 6 개 직열로 연결 (직열 연결시 최종 용량값은 166F (1000/6)입니다)하고 정 전류 1 A 를 공급할때 12V 만충전이 되는 시간을 알아봅니다. 실험에서 1A 로 충전한 것이 슈퍼캡 충전 능력은 아닙니다. 슈퍼캡은 수천 A 로도 충전이 가능합니다. 충전 전류를 1 A 로 한 것은 용량(실험에서 1000F)과 충전 가능 전류용량이 주어지면 충전되는 시간을 다른 조건에서 예측하기 위한 것이 목적입니다. 예를 들어 이 실험 결과를 바탕으로 솔라 패널에 슈퍼캡이 연결되어 있을 때 충전되는 시간을 예상할 수 있을 것입니다.

전원 공급장치의 출력전압을 12V 로 설정합니다. (슈퍼캡에 연결하기 전 개방상태에서)

출력을 쇼트 시키고 출력 전류가 1A 가 되도록 전류를 설정합니다. 테스터기를 15A 전류 측정모드로 설정하고 테스터 리드를 전원 공급기의 출력 잭에 연결합니다. 1A 의 전류가 테스터기로 유입되는 것을 확인합니다.

충전 준비 완료

충전 시작

1 분 20 초 경과 시 1V 전압 충전

4 분에서 2V 충전

6분 46초 3V 충전

9분 32초에서 4V 충전

12분 20초에서 5V 충전

15분 14초에서 6V 충전

18분 11초에서 7V 충전

21분 13초에서 8V 충전

24분 18초에서 9V 충전

27 분 26초에서 10V 충전

30분 38초에서 11V 충전

33분 49초에서 12V 충전

12V 이후에 충전 전류가 급격히 감소합니다.

실험 결과:

1 A 로 충전시 12V 가 되기까지 35 분이 소요 된 것을 알 수 있습니다.
실험결과에 의하여 단순 계산으로 1000F 를 2A 로 충전한다면 16 분이면 충전되며 2000F 를 1A 로 충전한다면 70 분이 소요될 것으로 예상할 수 있습니다.

5V 에서 1 A 를 소비하는 부하를 만들어 슈퍼캡의 전류를 사용해 봅니다. 슈퍼캡은 출력전압이 일정한 배터리와 달리 방전 시작 시간부터 출력 전압이 감소합니다. 안정된 5V 출력을 만들기 위하여 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터를 사용합니다. TI 사에서 제조한 PT78SR105 는 일반 리니어 방식 5V 레귤레이터인 MC7805 와 같은 특성을 가지며 스위칭 동작합니다. 스위칭 변환효율이 좋은 DC-DC 컨버터 이므로 열손실이 거의 없습니다.

슈퍼캡의 출력과 LED 의 전류와 전압을 측정하는 아나로그식 판넬 메터

TI 사의 고효율 5V 정전압 레귤레이터 입력범위: 7V~30V 출력 5V 1.5A

슈퍼캡의 출력 전압/전류 확인

부하 (LED) 의 전압 / 전류 확인

5V 에서 1A 를 소비하는 부하 ( 3W 파워 LED 로 제작 )

충전 완료후 방전 시작 준비

방전 시작

23 분이 경과하면 슈퍼캡의 전압이 7V 가되며 이때 전류가 1A 입니다.

24 분 에 슈퍼캡 전압이 6V 가 되어 78SR105의 출력이 5V 이하로 떨어지기 시작합닏.

그림 - 1
경과시간(분)	슈퍼캡 전압	슈퍼캡 전류	부하 전압	부하 전류
0	12	0.5	5.0	1.0
1	11.8	0.51	5.0	1.0
2	11.6	0.52	5.0	1.0
3	11.5	0.53	5.0	1.0
4	11.4	0.55	5.0	1.0
5	11.2	0.58	5.0	1.0
6	11.0	0.59	5.0	1.0
7	10.8	0.6	5.0	1.0
8	10.4	0.6	5.0	1.0
9	10.2	0.61	5.0	1.0
10	10.1	0.62	5.0	1.0
11	9.6	0.63	5.0	1.0
12	9.5	0.65	5.0	1.0
13	9.2	0.68	5.0	1.0
14	9.0	0.7	5.0	1.0
15	8.6	0.72	5.0	1.0
16	8.2	0.73	5.0	1.0
17	8.0	0.76	5.0	1.0
18	7.7	0.78	5.0	1.0
19	7.4	0.8	5.0	1.0
20	7.2	0.82	5.0	1.0
21	6.8	0.86	5.0	1.0
22	6.2	0.92	5.0	1.0
23	6.0	0.98	5.0	1.0
24	5.5	0.85	4.8	0.96
25	5.2	0.8	4.6	0.84
26	5.0	0.7	4.2	0.76
27	4.9	0.58	4.0	0.65
28	4.8	0.46	3.8	0.55
29	4.7	0.4	3.5	0.46
30	4.5	0.38	0.32	0.39
31	4.5

그림 - 2
그림 - 3
그림 -4
*** 실험 결과 *** 그림-1 은 실험회로 입니다. 실험 목적은 5V 에서 1A 를 소비하는 회로에서 슈퍼캡의 사용시간을 측정하는 것입니다. 그림-2 는 슈퍼캡의 전압 출력입니다.그림-3은 부하에서의 전압 전류 입니다. 그림-4는 4 개의 측정 항목을 동시에 표시한 것입니다.(그림-3 과 그림-4 합성) 5V /1A (5W)를 소비하는 부하는 350mA 정격의 고휘도 Power LED 를 사용합니다. Power LED 내부에 350mA 를 소비하는 LED 가 3 개 들어있는데 각각 7.5 Ohm 을 연결하면 333mA 가 흐릅니다. 3 개 소비전류 합이 1 A 가 되도록 구성한 것입니다. 정전압 레귤레이터는 출력 전압이 5V 로 정확하고 1A 를 출력하여도 열손실이 발생하지 않는 TI 사의 PT78SR105 를 사용 하였습니다. 측정 항목은 슈퍼캡의 전압/전류, 부하의 전압/전류 4 가지 입니다. 아나로그식 메터를 사용하여 측정치의 가독 오차가 약간 있습니다. 실험 결과에서 슈퍼캡 1,000 F 를 6 개 직열연결 (166F 가 됩니다.) 하여 12V 로 만충전하면 5W (5V/1A) 부하를 약 23 - 25분 구동 가능함을 알 수 있습니다.