1. 서 론

현재 가전 산업은 사용자의 편의성에 대한 요구와 배터리 기술의 발달로 인하여 다양한 분야에서 무선화에 대한 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 연구는 가전제품 분야에서도 나타나고 있는데 그 중에서도 헤어아이론과 같은 미용관련 분야의 무선제품도 다양하게 생산되고 있다.

현재 생산되는 헤어아이론의 경우 몇 가지 개선점을 가지고 있다. 첫 째, 일정한 온도제어가 불가능하다는 것이다. 헤어아이론의 경우 머리카락과 직접 접촉되어 스타일링을 하는 만큼 머리카락이 손상되지 않도록 정확한 온도와 일정한 온도 유지가 매우 중요하다. 현재 헤어아이론의 경우 목표온도에 도달하기 위한 필요 에너지를 미리 계산하고 가변 저항을 통하여 흐르는 전류를 조절하는 방식을 사용하고 있다. 이러한 방식은 주변 환경과 상관없이 일정한 값을 가지기 때문에 발열체 주변 환경 변화에 따른 온도변화에 대응하지 못하고 목표온도를 벗어나게 된다. 또한, 배터리와 발열체가 바로 연결된 형태로 고정된 전압으로 인하여 배터리를 목표온도까지 상승시키기 위한 예열시간이 길고 에너지 사용에 따라서 점차 낮아지는 배터리의 전압으로 인하여 발열체의 온도도 점점 낮아지는 현상이 나타난다. 따라서 기존의 시스템은 그림 1과 같이 동작 초기에는 목표 온도보다 높은 온도에서 동작하고 이후 목표온도를 지나서 목표온도보다 낮은 온도까지 운전하여 일정한 온도로 동작하지 못하며 예열시간이 길다는 단점이 있다. 둘째, 헤어아이론의 배터리 수명 및 사용시간이다. 휴대성이 필요한 무선 헤어아이론의 특성상 배터리가 차지하는 공간은 제한적이다. 이에 따라서 배터리의 용량 역시 제한적이게 되며 이는 결국 헤어아이론의 사용시간의 부족으로 이어지게 된다. 또한, 헤어아이론의 경우 초기에 발열체의 발열 구간에 약 3∼4 C-rate 수준의 고방전이 일어나게 되는데 이는 곧 배터리의 수명 저하로 이어지는 단점을 가지게 된다.

최근 이러한 배터리의 상대적으로 낮은 전력밀도문제 및 배터리의 수명과 사용시간의 개선을 위하여 다양한 방식의 전력변환장치 기반의 하이브리드 에너지 저장 시스템(HESS : Hybrid Energy Storage System)의 적용에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 중에서도 배터리의 상대적으로 낮은 전력밀도 특성을 보완하기 위하여 높은 전력밀도 특성을 가지는 슈퍼커패시터를 활용한 연구가 가장 활발히 진행되고 있으나 연구의 대부분이 철도, 차량 분야에서 이루어지고 있으며 헤어아이론 등 무선소형가전에 대한 연구는 매우 부족한 상황이다^[1-4].

기존의 HESS에 대한 연구들은 헤어아이론이 가지는 휴대성 및 제한된 공간에 적용하기에는 적합하지 않다. 따라서 본 논문에서는 무선 헤어아이론의 HESS의 적용 및 성능개선을 위하여 헤어아이론의 동작 특성을 분석하고 특성에 맞는 회로와 동작 시퀀스를 개발하였다. 또한, 헤어아이론의 동작시간 및 예열시간의 성능개선을 확인하기 위하여 시스템의 동작을 PSIM 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증하였다.

2. 헤어아이론의 전원 특성

일반적으로 헤어아이론에서 사용되고 있는 리튬 이온 배터리의 경우 많은 양의 에너지를 충전 및 방전할 수 있는 높은 에너지밀도(Wh/kg) 특성을 가지고 있지만 그에 반해 상대적으로 낮은 전력밀도 특성(W/kg)을 가지는 단점을 가지고 있다. 이에 따라서 순간적으로 큰 에너지가 필요한 구간에서는 과전류에 의하여 고방전을 하게 되며 이러한 과방전은 배터리 내부의 저항 증가로 인하여 노후화를 일으킨다.

그림 2는 리튬 이온 배터리의 방전특성에 대한 그래프로써 고방전시에 배터리의 충방전 횟수 및 사용 에너지밀도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

표 1을 통하여 슈퍼커패시터와 배터리의 특성을 비교하였다. 표에서 나타내는 것과 같이 슈퍼커패시터의 경우 리튬이온 배터리와는 반대로 상대적으로 낮은 에너지밀도특성을 가지고 있지만 전력밀도 측면에서는 상대적으로 높은 전력밀도 특성으로 순간적으로 큰 전류의 공급이 가능하다. 이러한 특성으로 리튬이온 배터리에서 과방전이 이루어지는 구간을 슈퍼커패시터가 담당함으로써 리튬 이온 배터리의 노후화 및 낮아지는 에너지 밀도를 개선할 수 있다.

3. HESS 토폴로지

4. 제안하는 동작 시퀀스

앞 절에서 제안한 토폴로지를 기반으로 충전상태의 여부와 가열구간, 온도유지구간, 냉각구간 등을 고려하여 그림 5와 같은 동작 시퀀스를 제안하였다. 스위치의 동작여부 및 충전상태에 따라서 동작 모드는 6가지로 구분되며 각 모드별 동작은 다음과 같다.

[Mode1] : 배터리와 슈퍼커패시터를 충전하기 위하여 충전단자가 연결된 상태로 S1스위치를 On하여 배터리와 슈퍼커패시터를 동시에 충전하는 상태이며S2는 Off하여 부하 측으로 전달되는 에너지를 차단하는 상태이다.

[Mode2] : Mode1과 스위치의 상태는 동일하지만 충전단자가 연결되지 않은 상태로 슈퍼커패시터의 충전량을 파악하여 슈퍼커패시터의 에너지가 방전되었을 경우 배터리의 에너지로 슈퍼커패시터를 충전하는 상태이다.

[Mode3] : 충전단자의 연결과 무관하게 S1 스위치가 Off되고 S2의 스위치가 On되어 있는 상태로 배터리와 슈퍼커패시터 중 배터리의 에너지만 부하 측으로 전달되는 상태로 발열체의 온도를 유지하거나 발열체의 목표 온도가 낮아져서 발열체의 온도를 낮추는 상태이다.

[Mode4] : S1 스위치와 S2 스위치가 모두 Off된 상태로 사용자가 헤어아이론을 Off하여 동작하지 않는 동작대기 상태이다.

[Mode5] : Mode4와 스위치의 상태는 동일하나 배터리와 슈퍼커패시터가 모두 방전되어 더 이상 동작할 수 없는 상태로 배터리와 슈퍼커패시터의 충전량을 파악하여 사용자가 헤어아이론을 On하여도 동작하지 않는 상태이다.

[Mode6] : S1 스위치와 S2 스위치가 모두 On된 상태로 배터리와 슈퍼커패시터의 에너지가 모두 발열체로 전달되는 상태로써 초기에 발열체를 목표온도까지 예열하거나 사용 중 목표 온도를 높게 변경하였을 때 발열체를 가열하는 상태이다.

배터리의 충전상태 및 사용자의 사용여부 및 목표온도 설정과 발열체의 온도를 기반으로 동작하게 되며 제안된 동작 시퀀스를 표 2의 헤어아이론의 파라미터를 가지고 시뮬레이션을 진행하였다. 표 2의 값을 기반으로 그림 6과 PSIM을 통해 시뮬레이션 회로를 구성하였으며 제안한 동작 시퀀스를 모드별로 C Block을 통해 구현하여 시뮬레이션을 진행하였다.

표 3에서 보이는 것과 같이 Mode1, Mode2의 상태에서는 배터리와 슈퍼커패시터를 충전하는 동안에는 배터리와 슈퍼커패시터의 전압이 상승하고 이후에는 만충 전압을 유지하는 것을 확인할 수 있으며 Mode3의 구간에서는 단순 배터리의 구동을 통한 일정 전압을 유지하고 Mode4, Mode5의 온도 하강 또는 전원이 꺼진 상태에서는 스위치가 동작하지 않는 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 발열체의 온도 상승 구간인 Mode6 에서는 배터리와 슈퍼커패시터가 동시에 방전하는 것을 확인할 수 있다.

5. 실 험

그림 7은 기존 무선 헤어아이론의 실험 결과를 나타낸 그래프 이다. 160도를 기준으로 동작을 시켰지만 초기에 최고온도 175도까지 상승하는 것을 확인할 수 있으며 최고온도까지 도달하는데 약 3분가량의 시간이 필요하다. 또한, 총 동작시간은 30분이지만 22분이후로는 150도 이하로 떨어지며 그 이후 급격히 온도가 하강하며 목표 온도인 160도보다 10∼20도 낮은 온도로 동작하는 것을 확인할 수 있다.

그림 8은 슈퍼커패시터와 배터리를 단순 병렬 구성한 경우의 실험 결과그래프이다. 이 경우 배터리와 슈퍼커패시터가 동일 노드이기 때문에 방전이 시작된 이후 동일하게 전압이 하강하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 예열시간동안의 슈퍼커패시터의 동작으로 인하여 목표온도까지 도달하는 시간은 약 1분정도이다. 그리고 전력변환장치의 적용으로 인하여 목표온도인 160도를 오차 3% 이내로 유지한다. 또한 슈퍼커패시터의 추가적인 에너지로 인하여 전체 동작시간은 33분이다. 그러나 초기의 예열구간과 가열구간을 보조하기 위하여 추가된 슈퍼커패시터가 배터리와 함께 항상 동작하는 불필요한 동작으로 인하여 이후 목표온도 변화 또는 사용 환경에 따른 온도 변화에 의한 가열구간에서 제 역할을 하지 못하여 배터리의 과방전이 발생하는 단점을 가진다.

그림 9는 제안하는 토폴로지와 동작 시퀀스를 적용한 실험 결과 그래프로써 제안하는 토폴로지는 전체적인 동작은 배터리와 슈퍼커패시터를 단순 병렬로 연결한 형태와 동일하게 동작한다. 그러나 슈퍼커패시터가 발열체의 예열구간에만 동작하고 이후에는 배터리의 에너지만 사용되는 것을 확인할 수 있다.이렇게 슈퍼커패시터를 개별 운용하여 불필요한 구간에서의 동작을 줄이고 이로 인해 이후 초기 가열 발생하는 가열구간에서의 배터리의 과방전을 감소시키고 배터리의 노후화에 대한 개선이 가능하다.

그림 10은 전력변환 장치를 적용하여 각각 160도, 180도, 200도 온도제어에 대한 실험 결과 그래프 이다. 기존의 무선 헤어아이론과는 다르게 주어진 지령온도에 대하여 일정한 온도제어를 수행하는 것을 확인할 수 있다.

6. 결 론

본 논문에서는 기존 무선 헤어아이론에 문제점을 기술하고 이를 해결하기 위한 방법으로 HESS 기반의 전력변환장치의 적용을 제안하였다. HESS를 적용하기 위하여 기존의 차량, 철도 분야에서 연구되었던 HESS의 일반적인 토포롤지에 대하여 분석하였으며, 분석된 내용을 기반으로 무선 헤어아이론에 적용할 때 발생하는 문제점을 해결하기 위한 토폴로지 및 동작 시퀀스를 제안하고 이를 시뮬레이션 및 실험으로 검증하였다. 기존에 헤어아이론의 문제점이 불규칙한 온도 문제를 해결하기 위하여 전력변환장치를 적용하여 일정한 온도를 유지할 수 있도록 하였으며 개발된 토포롤지와 동작 시퀀스로 예열시간을 기존에 비해 35% 수준으로 단축하고 헤어아이론의 사용시간을 약 20% 증가시켰다.

이러한 본 논문의 연구 결과는 무선 헤어아이론뿐만 아니라 온도제어가 필요한 시스템 및 순간적으로 큰 에너지를 사용하는 기타 발열가전이나 무선 전동드릴과 같은 무선 가전에도 적용 가능할 것으로 기대된다.