화석연료는 산업화 이후 경제활동 및 생활의 대부분을 차지하는 에너지원으로서 그 중요성이 높았다. 그러나 최근 환경 문제가 크게 대두되고 화석 연료의 유한성에 대한 위기의식이 높아지면서 이를 대체할 만한 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 화석연료의 대체제로 연구되고 있는 신재생에너지 중 수소연료 전지에 대한 주목도가 높아지고 있는데 내연기관이 30-35%의 열효율로 전기를 생산하는데 반해 ...
화석연료는 산업화 이후 경제활동 및 생활의 대부분을 차지하는 에너지원으로서 그 중요성이 높았다. 그러나 최근 환경 문제가 크게 대두되고 화석 연료의 유한성에 대한 위기의식이 높아지면서 이를 대체할 만한 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 화석연료의 대체제로 연구되고 있는 신재생에너지 중 수소연료 전지에 대한 주목도가 높아지고 있는데 내연기관이 30-35%의 열효율로 전기를 생산하는데 반해 연료전지는 60%까지 전기 생산 효율을 높일 수 있으며 열효율까지 고려한다면 전체 에너지효율은 85%까지 이를 수 있기 때문이다. 또한 수소와 대기중의 산소를 화학 결합하여 에너지를 발생시키므로 환경오염에 대한 우려도 크게 감소된다[1]. 수소연료전지 시스템은 저장되어 있는 에너지를 공급하는 배터리와 달리 에너지를 생산하는 시스템이다. 즉 초기 기동 시 연료 전지 스택 활성화를 위해 산소를 공급하는 압축기 모터에 고전압 및 전력이 공급되어야 한다. 기존 수소연료전지 시스템은 고전압 배터리를 위한 컨버터의 양방향 동작으로 초기 기동 기능을 수행하였으나 고전압, 고전력 컨버터의 양방향 동작을 구현하기에는 원가 상승 및 개발의 어려움이 따른다. 이에 저전압 배터리를 활용한 연료 전지 스택 활성화가 요구되었고, BLDC(Bidirectional Low Voltage DC/DC Converter) 개발에 대한 연구가 진행되었다. 본 논문에서는 Buck/Boost 컨버터와 공진형 컨버터 직렬 구조를 갖는 BLDC의 고효율 방안에 대한 연구내용을 발표한다. 선행 연구되었던 단일 구조의 양방향 컨버터는 넓은 입출력 범위에서 안정적인 동작을 보장하기 위해 마진을 충분히 확보한 설계가 필요하다. 그럼에도 불구하고 동작조건에 따라 손실이 크게 발생하는 구간이 존재하여 효율이 급감하거나 특정 조건에서는 동작이 제한되기도 한다. 본 논문에서는 수소연료전지시스템을 위한 CCM(Continuous Conduction Mode) Buck/Boost 컨버터와 LLC 공진형 컨버터의 2단 구조 BLDC에 대한 연구결과를 발표한다. 2단 구조 때문에 각각의 컨버터를 넓은 동작 범위에도 효율에 유리한 조건에서 최적 설계가 가능하다. 그 결과로 전체 동작 범위내에서 높은 효율을 유지할 수 있다. 또한 필터부 크기를 최소화하고 도통 손실을 감소시키기 위해 병렬 인터리빙 (Interleaving) 동작을 채택하였다. 그리고 링크측 전류 제어만으로 전체 전력 밸런싱을 달성하기 위해, 상간 기생 성분 차이를 최소화할 수 있는 권선적층형트랜스포머를 개발하였다. 본 논문에서는 병렬 인터리빙 구조의 제어 방식과 상간 기생성분 영향을 최소화하는 자성소자 설계 방법도 제시한다. 설계의 타당성을 검증하기 위하여 고전압 260-430V, 저전압 10-15V 사양의 강압 2kW, 순시 승압 4kW 용량을 갖는 BLDC를 설계하고 프로토 타입을 제작하여 성능을 검증한다. 강압 동작 최대 95.75%의 효율과 조건에 따라 최소 91%, 최대 95% 이상의 평균 효율을 달성하였다.
화석연료는 산업화 이후 경제활동 및 생활의 대부분을 차지하는 에너지원으로서 그 중요성이 높았다. 그러나 최근 환경 문제가 크게 대두되고 화석 연료의 유한성에 대한 위기의식이 높아지면서 이를 대체할 만한 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 화석연료의 대체제로 연구되고 있는 신재생에너지 중 수소연료 전지에 대한 주목도가 높아지고 있는데 내연기관이 30-35%의 열효율로 전기를 생산하는데 반해 연료전지는 60%까지 전기 생산 효율을 높일 수 있으며 열효율까지 고려한다면 전체 에너지효율은 85%까지 이를 수 있기 때문이다. 또한 수소와 대기중의 산소를 화학 결합하여 에너지를 발생시키므로 환경오염에 대한 우려도 크게 감소된다[1]. 수소연료전지 시스템은 저장되어 있는 에너지를 공급하는 배터리와 달리 에너지를 생산하는 시스템이다. 즉 초기 기동 시 연료 전지 스택 활성화를 위해 산소를 공급하는 압축기 모터에 고전압 및 전력이 공급되어야 한다. 기존 수소연료전지 시스템은 고전압 배터리를 위한 컨버터의 양방향 동작으로 초기 기동 기능을 수행하였으나 고전압, 고전력 컨버터의 양방향 동작을 구현하기에는 원가 상승 및 개발의 어려움이 따른다. 이에 저전압 배터리를 활용한 연료 전지 스택 활성화가 요구되었고, BLDC(Bidirectional Low Voltage DC/DC Converter) 개발에 대한 연구가 진행되었다. 본 논문에서는 Buck/Boost 컨버터와 공진형 컨버터 직렬 구조를 갖는 BLDC의 고효율 방안에 대한 연구내용을 발표한다. 선행 연구되었던 단일 구조의 양방향 컨버터는 넓은 입출력 범위에서 안정적인 동작을 보장하기 위해 마진을 충분히 확보한 설계가 필요하다. 그럼에도 불구하고 동작조건에 따라 손실이 크게 발생하는 구간이 존재하여 효율이 급감하거나 특정 조건에서는 동작이 제한되기도 한다. 본 논문에서는 수소연료전지시스템을 위한 CCM(Continuous Conduction Mode) Buck/Boost 컨버터와 LLC 공진형 컨버터의 2단 구조 BLDC에 대한 연구결과를 발표한다. 2단 구조 때문에 각각의 컨버터를 넓은 동작 범위에도 효율에 유리한 조건에서 최적 설계가 가능하다. 그 결과로 전체 동작 범위내에서 높은 효율을 유지할 수 있다. 또한 필터부 크기를 최소화하고 도통 손실을 감소시키기 위해 병렬 인터리빙 (Interleaving) 동작을 채택하였다. 그리고 링크측 전류 제어만으로 전체 전력 밸런싱을 달성하기 위해, 상간 기생 성분 차이를 최소화할 수 있는 권선 적층형 트랜스포머를 개발하였다. 본 논문에서는 병렬 인터리빙 구조의 제어 방식과 상간 기생성분 영향을 최소화하는 자성소자 설계 방법도 제시한다. 설계의 타당성을 검증하기 위하여 고전압 260-430V, 저전압 10-15V 사양의 강압 2kW, 순시 승압 4kW 용량을 갖는 BLDC를 설계하고 프로토 타입을 제작하여 성능을 검증한다. 강압 동작 최대 95.75%의 효율과 조건에 따라 최소 91%, 최대 95% 이상의 평균 효율을 달성하였다.
Fossil fuels have been of high importance as an energy source that accounts for most of economic activities and daily life after industrialization. Recently, as environmental problems have emerged and the awareness of the crisis about the finiteness of fossil fuels has increased, interest in energy ...
Fossil fuels have been of high importance as an energy source that accounts for most of economic activities and daily life after industrialization. Recently, as environmental problems have emerged and the awareness of the crisis about the finiteness of fossil fuels has increased, interest in energy sources that can replace them is increasing. Among the new and renewable energy being studied as an alternative to fossil fuels, interest in hydrogen fuel cells is increasing. While internal combustion engines produce electricity with a thermal efficiency of 30-35%, fuel cells can increase electricity production efficiency by up to 60%. If thermal efficiency is also considered, the total energy efficiency can reach 85%. In addition, since hydrogen and oxygen in the atmosphere are chemically combined to generate energy, concerns about environmental pollution are greatly reduced[1]. A hydrogen fuel cell system is a system that produces energy unlike a battery that supplies stored energy. That is, high voltage and power must be supplied to the compressor motor that supplies oxygen to activate the fuel cell stack during initial startup. The existing hydrogen fuel cell system performed an initial start function by bidirectional operation of a converter for a high voltage battery. However, to implement the bidirectional operation of high voltage and high power converters, cost increases and development difficulties follow. Accordingly, activation of a fuel cell stack using a low-voltage battery was required, and research on the development of a Bidirectional Low Voltage DC/DC Converter (BLDC) was conducted. In this paper, we present a study on a high-efficiency method of BLDC with a buck/boost converter and a resonant converter series structure. A bidirectional converter with a single structure, which has been studied before, needs a design with sufficient margin to ensure stable operation in a wide input/output range. Nevertheless, depending on the operating conditions, there is a section where a large loss occurs, resulting in a sharp drop in efficiency or limited operation under certain conditions. On the other hand, the two-stage structure restricts the operating range of each converter and controls it to operate under favorable conditions, enabling optimal design. This can maintain overall even and high efficiency within the entire operating range. By canceling each phase ripple by parallel interleaving operation, the size of the filter unit is minimized and the overall transmission loss is reduced. By properly designing the winding stacked transformer and PCB, the parasitic deviation between phases was minimized to maintain the overall balance and simplify the control only by sensing the link-side current. In this paper, we present the research results of the two-stage structure BLDC of a CCM (Continuous Conduction Mode) Buck/Boost converter and LLC resonant converter for a hydrogen fuel cell system. We present a control and magnetic element for a parallel interleaving structure that has improved the existing two-stage BLDC structure. To verify the feasibility of the design, a BLDC with high voltage 260-430V, low voltage 10-15V specification, step-down 2kW, and instantaneous step-up 4kW capacity is designed and a prototype is manufactured to verify the performance. The step-down operation achieved an efficiency of up to 95.75% and an average efficiency of at least 91% and a maximum of 95% or more depending on the conditions.
Fossil fuels have been of high importance as an energy source that accounts for most of economic activities and daily life after industrialization. Recently, as environmental problems have emerged and the awareness of the crisis about the finiteness of fossil fuels has increased, interest in energy sources that can replace them is increasing. Among the new and renewable energy being studied as an alternative to fossil fuels, interest in hydrogen fuel cells is increasing. While internal combustion engines produce electricity with a thermal efficiency of 30-35%, fuel cells can increase electricity production efficiency by up to 60%. If thermal efficiency is also considered, the total energy efficiency can reach 85%. In addition, since hydrogen and oxygen in the atmosphere are chemically combined to generate energy, concerns about environmental pollution are greatly reduced[1]. A hydrogen fuel cell system is a system that produces energy unlike a battery that supplies stored energy. That is, high voltage and power must be supplied to the compressor motor that supplies oxygen to activate the fuel cell stack during initial startup. The existing hydrogen fuel cell system performed an initial start function by bidirectional operation of a converter for a high voltage battery. However, to implement the bidirectional operation of high voltage and high power converters, cost increases and development difficulties follow. Accordingly, activation of a fuel cell stack using a low-voltage battery was required, and research on the development of a Bidirectional Low Voltage DC/DC Converter (BLDC) was conducted. In this paper, we present a study on a high-efficiency method of BLDC with a buck/boost converter and a resonant converter series structure. A bidirectional converter with a single structure, which has been studied before, needs a design with sufficient margin to ensure stable operation in a wide input/output range. Nevertheless, depending on the operating conditions, there is a section where a large loss occurs, resulting in a sharp drop in efficiency or limited operation under certain conditions. On the other hand, the two-stage structure restricts the operating range of each converter and controls it to operate under favorable conditions, enabling optimal design. This can maintain overall even and high efficiency within the entire operating range. By canceling each phase ripple by parallel interleaving operation, the size of the filter unit is minimized and the overall transmission loss is reduced. By properly designing the winding stacked transformer and PCB, the parasitic deviation between phases was minimized to maintain the overall balance and simplify the control only by sensing the link-side current. In this paper, we present the research results of the two-stage structure BLDC of a CCM (Continuous Conduction Mode) Buck/Boost converter and LLC resonant converter for a hydrogen fuel cell system. We present a control and magnetic element for a parallel interleaving structure that has improved the existing two-stage BLDC structure. To verify the feasibility of the design, a BLDC with high voltage 260-430V, low voltage 10-15V specification, step-down 2kW, and instantaneous step-up 4kW capacity is designed and a prototype is manufactured to verify the performance. The step-down operation achieved an efficiency of up to 95.75% and an average efficiency of at least 91% and a maximum of 95% or more depending on the conditions.
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