에너지 저장 시스템에서 서미스터와 DC-DC 컨버터의 역할

현대 에너지 저장 시스템(ESS)에서는 에너지 관리와 응용을 위해 효율적이고 안정적인 작동이 필수적입니다. 재생 가능 에너지의 급속한 발전과 에너지 활용 효율에 대한 관심이 높아지면서, ESS는 에너지 전환을 달성하기 위한 필수 기술적 지원으로 자리 잡고 있습니다. 이 시스템 내에서는 서미스터와 DC-DC 컨버터가 ESS의 핵심 구성 요소로, 각각 온도 모니터링과 에너지 변환에서 필수적인 역할을 합니다. 이 기사에서는 Murata가 도입한 관련 솔루션을 비롯하여 ESS에서 서미스터와 DC-DC 컨버터의 주요 역할 및 기술적 특성을 탐구합니다.

ESS는 주로 전기 에너지를 저장하고 안정적인 전력 출력을 제공하는 데 사용되며, 핵심 구성 요소는 배터리 모듈입니다. 온도에 매우 민감한 센서인 서미스터는 ESS의 배터리 모듈에서 중요한 역할을 합니다.

ESS(리튬 이온 배터리와 같은)에서 사용되는 대부분의 배터리는 온도에 매우 민감합니다. 서미스터는 배터리 팩의 온도를 실시간으로 모니터링하여 배터리가 안전한 온도 범위 내에서 작동하도록 합니다. 또한, 충전 및 방전 중에 배터리가 열을 발생시키는데, 이러한 열이 과도하게 축적되면 열 폭주 또는 화재로 이어질 수 있습니다. 서미스터는 온도가 설정된 임계값을 초과할 때 보호 회로를 작동시켜 전원을 차단하거나 출력을 줄일 수 있습니다. 저온 환경에서는 배터리 성능이 저하되거나 손상을 입을 수도 있는데, 서미스터는 이러한 저온 상태를 모니터링하여 시스템이 예열 기능을 활성화하도록 유도할 수 있습니다.

한편, 서미스터는 또한 배터리 성능을 최적화할 수 있습니다. 배터리의 충전 및 방전 특성이 온도와 밀접하게 관련되어 있기 때문입니다. 서미스터가 제공하는 온도 데이터는 시스템이 충전 및 방전 매개변수를 최적화하도록 도와 에너지 활용 효율을 개선할 수 있습니다. 정밀한 온도 제어를 통해 서미스터는 과열 또는 과냉에 의한 배터리 노화를 방지하여 배터리 수명을 연장하는 데 기여합니다.

써미스터는 고장 진단과 예측 유지보수에서 중요한 역할을 합니다. 특정 셀이나 영역의 온도가 비정상적으로 상승하면, 써미스터는 문제가 확대되는 것을 방지하기 위해 적시에 경고를 발할 수 있습니다. 또한, 써미스터가 수집한 온도 데이터는 역사적 분석에 사용되어 배터리 노화 경향이나 잠재적 고장 지점을 예측하는 데 도움을 주며, 이를 통해 운영 및 유지보수 결정의 기초를 제공합니다.

서미스터는 에너지 저장 시스템(ESS)이 실내 또는 실외에 배치되며 환경 온도의 변동이 큰 다양한 상황에 적응하는 데 도움을 줍니다. 서미스터의 높은 민감도와 넓은 온도 측정 범위는 여러 상황에 적응할 수 있도록 합니다. 풍력 및 태양광 에너지와 같은 재생 가능 에너지 분야에서 ESS에 사용되는 서미스터는 배터리 온도 변동을 관리하여 시스템 안정성과 신뢰성을 보장합니다.

서미스터는 온도에 따라 저항값이 변하는 반도체 소자입니다. 주로 온도 감지 및 전류 제어 응용 분야에 사용되며, ESS 응용 분야에서 온도 센서로 사용할 수 있습니다. 온도에 따른 저항값 변화 방식에 따라 서미스터는 두 가지 주요 유형으로 나뉩니다: 양의 온도 계수(PTC) 서미스터와 음의 온도 계수(NTC) 서미스터.

PTC 써미스터는 온도가 상승함에 따라 저항값이 증가하며, 주로 과전류 보호, 온도 스위치, 난방 장치의 자기 복구 보호에 사용됩니다. 전자 장치에서 전류가 정격값을 초과하면 보호 회로에 직렬로 연결된 PTC 써미스터가 자기 발열을 통해 저항값을 증가시켜 과도한 전류를 억제합니다. 또한 PTC 써미스터는 온도 스위치 역할을 할 수 있습니다. 시스템 온도가 설정 값을 초과하면 PTC의 저항이 증가하여 해당 스위치 동작을 유발합니다.

한편, NTC 서미스터는 온도가 상승함에 따라 저항 값이 감소합니다. 이 특성은 전자 부품이나 장치의 온도를 모니터링하여 올바르게 작동하도록 보장하는 데 사용할 수 있습니다. 일부 응용 분야에서는 장치의 온도 변화를 보상하여 안정적인 성능을 유지하기 위해 NTC 서미스터가 사용됩니다.

서미스터는 우리 일상 생활에서 매우 널리 사용되고 있습니다. 에어컨에서 온도계와 온도 센서로 사용될 뿐 아니라 스마트폰, 전기 주전자, 다리미에서 온도 조절기로 사용됩니다. 또한 서미스터는 전류 제어를 위한 다양한 전력 기기에도 널리 활용됩니다. 최근 차량의 전기화가 증가함에 따라 서미스터는 전기자동차 프로젝트, 예를 들어 온보드 배터리 팩 및 LiDAR에서 널리 사용되고 있습니다. 뿐만 아니라 서미스터는 EV 고속 충전 인프라, 태양광 인버터, 에너지 저장 인버터, 배터리 팩을 포함한 다양한 산업 및 에너지 프로젝트에서도 폭넓게 응용됩니다.

Murata는 ESS 애플리케이션의 요구를 충족시키기 위해 다양한 유형의 서미스터를 도입했습니다. Murata의 서미스터 제품은 두 가지 주요 시리즈로 나뉩니다: NTC 서미스터와 PTC 서미스터. NTC 서미스터 시리즈에는 고신뢰성이 요구되는 애플리케이션을 위한 NCU, 소비자 등급 애플리케이션을 위한 NCP, 전도성 접착제로 장착할 수 있는 NCG가 포함됩니다. PTC 서미스터 시리즈는 과열 보호를 위한 PRF와 과전류 보호를 위한 PRG를 특징으로 합니다. 이 중 NCU 시리즈는 자동차 및 에너지 프로젝트에서 널리 사용됩니다.

Murata의 NCU 시리즈는 SMD 타입 NTC 서미스터입니다. 독특한 구조 덕분에 외부 구리 전극은 높은 신뢰성을 제공하며, 까다로운 온도 감지 시나리오에 유연한 응용이 가능합니다. 이는 Murata 서미스터 제품 중 대표 제품으로, 자동차, 산업 및 에너지와 같은 고신뢰성 시장에 적합합니다. 넓은 온도 범위를 감지하고 온도 보상 기능을 제공합니다.

오늘날 ESS 시스템은 주로 모듈형 솔루션 형태로 나타납니다. 일반적으로 ESS 시스템은 배터리 모듈, 관리 모듈(열 관리/에너지 관리/배터리 관리) 및 전력 변환 모듈을 포함합니다. 예를 들어, ESS 시스템의 전력 변환 모듈에서는 MPPT 또는 3P T 인버터를 주로 사용하여 에너지 변환 및 전송을 제공합니다. 많은 양의 SiC 또는 GaN Mos 트랜지스터가 포함되어 있습니다. 이러한 스위칭 트랜지스터의 구동 전류는 더 크며, 구동 과정에서 더 높은 효율성과 빠른 게이트 전압 스위칭이 필요하여 지연으로 인한 에너지 손실을 줄입니다.

완전한 ESS 관리 모듈에는 일반적으로 많은 수의 CAN 버스, RS485, RS232 인터페이스뿐만 아니라 MCU, 셀 모니터링 칩 등이 포함됩니다. 이러한 인터페이스와 칩은 애플리케이션에서 전기적 절연이 필요합니다. 이러한 두 가지 실제 요구 사항에 대응하여 Murata는 게이트 절연 드라이브 모듈과 저고도 SMD 타입 인터페이스 절연 모듈 솔루션을 제공합니다.

Murata는 IGBT, SiC, MOS 및 GaN 제품 라인에 적합한 게이트 드라이버 회로를 위해 특별히 설계된 격리 DC-DC 컨버터 시리즈를 제공합니다. 이러한 컨버터는 재생 에너지, 모션 및 제어, 모빌리티, 헬스케어 솔루션과 같은 애플리케이션에 일반적으로 사용됩니다. 특징으로는 3pF의 초저격리 커패시턴스, IGBT/SiC 및 MOS 게이트 드라이브를 위한 최적화된 양극 출력 전압, 최대 3kV의 DC 링크 전압 내성, 부분 방전에 대한 신뢰성, 그리고 1.6kV에서 80kV/µs 이상의 dv/dt 민감도를 장시간 유지하는 성능이 포함됩니다.

Murata는 또한 고주파를 처리할 수 있는 차세대 GaN 전력 반도체에 적합하게 설계된 절연형 DC-DC 컨버터를 상용화하여 다양한 애플리케이션에서 요구되는 빠른 전력 변환에 기여하고 있습니다. MGN1 시리즈 1W 출력 DC-DC 컨버터는 GaN 디바이스 게이트 드라이버에 필요한 전압을 제공하도록 설계되었습니다.

MGN1 시리즈 장치는 얇고 소형의 표면 실장 솔루션을 제공하여 공간이 제한된 시스템에 쉽게 통합될 수 있습니다. 또한, 가벼운 설계를 특징으로 하여 보다 유연한 배치를 제공합니다. 사용 가능한 출력 전압은 +8V, +12V, 및 +6/-3V입니다.

MGN1 시리즈 DC-DC 컨버터의 주요 특징 중 하나는 2.5pF(전형적인 값)의 초저 절연 정전 용량입니다. 이는 절연 게이트에서 순간 결합을 최소화하여 신호 왜곡을 방지합니다. 또한, 시스템 EMI 문제를 완화하는 데도 도움이 됩니다. 200kV/μs를 초과하는 공통모드 과도 내성(CMTI)을 통해 이 컨버터는 고속 스위칭을 갖춘 GaN 기반 시스템에 매우 적합하여 게이트 드라이버 신호의 무결성을 보장합니다. 부분 방전에 대한 내성은 고전압 조건에서의 신뢰할 수 있는 작동을 가능하게 합니다.

Murata의 MGN1 시리즈 DC-DC 컨버터는 1.1kV의 지속적인 절연 내전압을 지원합니다. 이러한 컨버터는 6.5mm의 연면 거리와 이격 거리를 특징으로 하며, -40°C에서 +105°C까지의 동작 온도 범위를 제공하여 까다로운 환경에서도 설치가 가능합니다. 또한, 역극성과 단락 보호 메커니즘이 통합되어 있습니다.

Murata는 또한 NXE 및 NXJ 시리즈의 새로운 세대 SMD 모듈을 소개하며, 이들 모듈은 소형화를 차별화 요인으로 하여 공간 절약형 고객 솔루션을 제공합니다. 이 모듈은 내장형 변압기를 특징으로 하며, 높은 신뢰성을 위해 완전 자동화된 생산 및 테스트 시스템을 채택하고 비용 효율적입니다. 260°C의 납땜 온도를 지원하며, AEC-Q104 표준을 준수합니다. NXE 및 NXJ 시리즈는 격리된 통신 전원 공급 장치를 지원하고 CAN 버스, RS485, RS232 인터페이스를 채택하며, 산업 네트워크 솔루션 장치 계층 버스 기술인 AS-Interface (Asi)를 지원합니다. 이러한 모듈은 아날로그 회로용 격리된 양극 및 음극 전압을 제공하며, 이미지 신호와 센서 격리와 같은 산업용 응용 분야에 적합합니다.

NXE 시리즈는 3kVDC 절연 테스트 전압, 2.1-3pF (일반적인) 절연 커패시턴스를 지원하며 1W-2W 출력을 제공합니다. 강화 유형은 125Vrms를 준수하며, 기본 유형은 250Vrms 안전 승인을 준수합니다. 이 시리즈는 오픈 프레임 SMD 패키지를 채택하며 -40°C에서 105°C 사이의 온도 범위에서 작동합니다. NXJ 시리즈는 4.2kVDC 절연 테스트 전압, 2-2.5pF (일반적인) 절연 커패시턴스를 지원하며 1W-2W 출력을 제공합니다. 강화 유형은 200에서 250Vrms를 준수하며, 기본 유형은 250Vrms 안전 승인을 준수합니다. 또한 오픈 프레임 SMD 패키지를 채택하며 -40°C에서 110°C 사이의 온도 범위에서 작동합니다.

써미스터와 DC-DC 컨버터는 ESS 내에서 온도 모니터링과 에너지 관리를 담당하는 핵심 역할을 하며 ESS의 효율적이고 안전하며 지능적인 운영을 위한 기술적인 기초를 형성합니다. 써미스터의 높은 민감도와 신뢰성은 배터리 모듈이 최적의 온도 범위 내에서 작동하도록 보장하여 과열 및 과냉으로 인한 위험을 줄이고 배터리 수명을 연장합니다. 한편, DC-DC 컨버터는 정확한 전압 조정과 효율적인 에너지 전송을 통해 다양한 장치 간의 동적 에너지 분배를 달성하며 시스템의 다양한 요구를 충족시킵니다. Murata는 써미스터와 DC-DC 컨버터 제품의 종합적인 범위를 제공하여 ESS를 더욱 높은 효율성, 지능성, 지속가능성으로 이끌어갑니다.