태양전지용 충전컨트롤러

 

 

1.충전 컨트롤러의 기능

태양광 충전컨트롤러의 주요 기능은 배터리의 정상적인 충전을 통해 배터리의 용량을  최대한 사용하면서 배터리의 수명을 연장시켜주는 것입니다.

자세히 설명하면 가장 기본적인 기능은 태양전지로 부터 충전 되는 전류의 역방향 흐름을 방지하고 배터리의 과충전을 방지하는 것입니다.

부수적인 기능으로는 배터리의 과방전 방지기능(LVD기능), 일몰 조도를 감지하여 전원을 ON-OFF 시켜주는 일몰, 일출 감지기능, 그리고 배터리의 충전상태와 전압, 전류를 표시하는 디스플레이기능을 포함한 제품도 있습니다.

기본기능 제품(과충전방지, 역전류방지) : SG-4, SS6-12V, SS10-12V, SC-05

기본기능 + 과방전방지기능(LVD기능) : ESC1206, ESC1210, SS6L-12V, SS10L-12V 외

기본기능 + 과방전기능 + 일몰.일출 감지기능 : ESC1206L, ESC1210L, SL10-12V 외

(태양광가로등에 많이 사용됩니다)

기본기능 + 디스플레이기능 : PS-15M, PS-30M 외

이제부터 기능 하나 하나를 살펴봅시다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

역전류 방지 기능

해가 비치지 않는 흐린 날이나 야간에는 배터리 전압이 태양전지에서 발생되는 전압보다 높기 때문에 전기가 배터리에서 태양전지로 흘러 배터리가 방전됩니다.

이것을 방지하기 위하여 충전컨트롤러에 방지기능 회로를 넣습니다.

충전컨트롤러를 사용하지 않을 경우 블로킹 다이오드(Blocking diode)라는 반도체 소자를 직렬로 연결하여 전기가 항상 태양전지에서 배터리로만 흐르도록 하여야합니다.

이때는 용량에 맞는 다이오드를 사용하여야하며 다이오드의 전류 방향에 유의 하십시오.

 

과충전 방지 기능:

배터리가 만충전이 된 상태에서 태양전지로 부터 계속적으로 충전이 된다면 배터리에는 어떤 영향을 미칠까요?

배터리가 과충전 되어 배터리 전압이 과도하게 높아지면 배터리 내부 전해질 속의 물이 산소와 수소로 분해되어 가스가 발생하게 되고 이 과정에서 증류수가 줄어들어 배터리가 폭발할 가능성이 있습니다. 설사 폭발은 되지 않더라도 배터리는 열화 되어 수명이 급속히 단축됩니다.

이것이 충전컨트롤러를 사용해야하는 가장 큰 이유입니다.

충전 컨트롤러를 사용함으로서 배터리의 충전전압이 일정한 전압에 도달하면 전류의 흐름을 차단시켜 과충전 현상이 일어나지 않도록 합니다.

 

 

과방전 방지 기능 

또한 배터리의 특성상 기준 전압 이하의 전기를 뽑아 쓰면 배터리의 수명이 단축됩니다.

그래서 충전컨트롤러에 과방전방지기능(LVD기능)을 추가하여 배터리의 전압이 일정 전압 이하로 떨어지면 출력회로를 차단하고 다시 일정전압 이상으로 충전되었을 때 출력 전류의 흐름을 연결시켜줍니다.

 

 

 

2.과충전 방지 제어 방식의 종류

 

가. PWM(Pulse Width Modulation)방식

가장 간단한 제어방법은 배터리로의 전류흐름을 차단 또는 연결을 반복하면서 전류흐름을  조절한다. 이것을 on/off control 방식이라고 한다.

이 방식에 비하여 PWM-진폭변조(pulse width modulation) 제어방식은 전류흐름을 점차적으로 증가 혹은 감소시킵니다.

PWM 제어방식은 두 단계의 조절을 통해 이루어 집니다.

먼저 첫 단계에서는 배터리가 만충전이 도달할 때까지 안전한 범위 내에서의 최대 전압을 배터리에 충전시킵니다..

배터리가 만충전이 이루어지면 두 번째 단계로 넘어가는데 이 단계에서는 배터리의 충전전압이 유지될 정도의 전압으로 충전시킵니다.(Trickle charge)

두 단계 충전조절은 전력 사용양이 너무 많거나 혹은 너무 적은 환경 즉 충방전이 일정치 않은  환경에 적합합니다. 즉 배터리의 증류수의 손실을 막고 수명을 연장시켜줍니다.

(ESC1206, ESC1210, SS6L-12V, SS10L-12V 등 대부분의 충전컨트롤러)

 

나. MPPT(Maximun Power Point Tracking)방식 

최대전력추적방식이라고 합니다. 

ON/OFF방식이나 PWM방식과의 가장 큰 차이점은 태양전지에서 발생하는 전기의 전압과 배터리의 전압을 매치시켜 최대한의 충전효율을 얻어내는 방법입니다.

 

즉 MPPT컨트롤러의 입력량=MPPT컨트롤러의 출력량

입력 V ｘ 입력 A = 출력 V ｘ 출력 A

예를들면

100W 모듈의 최대 전압은 18V이고 전류는 5.6A가 생성되고, 12V 배터리에 넣어줄때는 전압은 12V이고 8.33A로 집어넣주는 방식입니다.

 

특히 동절기에 일반PWM방식보다 최대 30%의 충전 효율 상승 효과를 얻을 수가 있습니다.

태양전지는 온도가 내려갈수록 전압은 올라갑니다.(온도보상참조)

단점은 회로가 복잡하고 제작원가가 높습니다.

(TS45 MPPT, TS60 MPPT 등)

 

 

 

3.온도보상기능

 

대부분의 충전컨트롤러는 온도보상기능을 가지고 있습니다.

충전컨트롤러는 배터리의 낮은 온도를 감지하여 온도가 낮을 때는 조절점을 높혀 줍니다.

그렇지 않으면 배터리의 온도가 낮은 경우 충전전류흐름을 너무 일찍 낮출 수 있기 때문입니다

(배터리는 온도에 따라 충방전 특성이 달라진다. 예를 들어 동절기에 자동차 시동이 안걸리는 경우) 만약 배터리가 온도차가 17℃이상 차이나는 환경에 노출되어 있으면 온도보상은 필수적입니다.

일부 컨트롤러는 온도센서가 내장된 경우가 있다. 이때 컨트롤러의 설치장소가 배터리의  온도와 근접한 장소가 되어야 합니다. 보다 고급형인 경우 배터리에 직접 부착된 원격형 센서를 지원하고 있습니다.

표준온도보다 편차가 1도 차이 날 때마다 0.05V를 보상해주어야 합니다.

 

 

 

4.충전컨트롤러의 선정

 

가.전압

PWM방식의 컨트롤러는 태양전지에서 배터리로 충전시키는 충전전압에 알맞은 제품을 선택하여야합니다.(12V, 24V, 36V, 48V)

예를들면 태양전지의 최대전압(Vmp)이 18V일 경우는12V 제품을 사용하고 태양전지의 최대전압(Vmp)이 36V일 경우 또는 최대전압(Vmp) 18V의 태양전지를 직렬연결하여 36V를 만들어서 24V의 제품을 사용하여야 합니다.

간혹 계통형으로 제작된 최대전압이 30V인 제품은 적합한 MPPT 제품을 사용하여야합니다.

 

만들고자 하시는 시스템 전압을 생각하시고 태양전지의 최대전압을 선정하시면 됩니다.

배터리를 충전할 경우 배터리 최대 충전 전압보단 반드시 태양전지가 높아야 합니다.

12V 시스템 : Vmp > 15V

24V 시스템 : Vmp > 30V

36V 시스템 : Vmp > 45V

48V 시스템 : Vmp > 60V

 

 

 

나.전류

컨트롤러의 전류량은 태양전지모듈의 최대입력전류와 사용하는 전기제품의 출력전류(부하전류) 중 큰 수치에 맞추어 선정하여야합니다.

태양전지 or 사용하는 전기제품의 최대입력전류

= 태양전지 or 사용하는 전기제품의 단락전류(Isc) × 1.15