[논문]슈퍼커패시터를 이용한 전기차량용 회생제동 에너지 저장장치 개발

정대원

doi:10.5370/kiee.2011.60.3.544

슈퍼커패시터를 이용한 전기차량용 회생제동 에너지 저장장치 개발
Development of Regenerative Energy Storage System for An Electric Vehicle Using Super-Capacitors 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.3, 2011년, pp.544 - 551

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This paper presents the circuit arrangement and effective control method of regenerative energy storage system for an electric vehicle using super-capacitors as the braking energy storage element. A bi-directional controlled current flow of the DC-DC converters with the capacitor bank is connected in parallel with battery, and is controlled so that the whole of the braking energy is effectively absorbed into the capacitors and released back to the electric motor upon acceleration. The converter needs the series-parallel switching circuit for making the best use of the series capacitors and for limiting the step-up ratio of the boost converter. The proposed methods are verified by computer simulation and experimental set-up. They are usefully applied to the electric vehicles such as green cars, electric motorcycles, bike, etc which are power- supplied by the electric batteries.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 회생제동 충방전 장치를 위한 슈퍼커패시터를 이용한 배터리 보조 충전장치에 관한 회로설계와 제어 방식에 대하여 주로 다룬다. 회생제동 충방전장치를 위한 보조수단으로 슈퍼커패시터의 활용에 관한 연구는 최근에 전기자동차 개발에 대한 관심이 높아지면서 활발하기 시작하였다[1~12].
회생에너지 충방전을 보다 효율적으로 저장하고 관리하기 위해 슈퍼 커패시터를 활용한 양방향 DC-DC 충방전 회로와 제어방법을 새로이 제안하였다. 본 제안된 장치의 근본적인 목적은 회생제동시 흔히 발생하는 현상으로 배터리에서 발생하기 쉬운 빈번한 충방전에 따른 열화현상을 방지하고 회생제동에 의해 발생된 전기 에너지의 손실을 최소한으로 줄여 줌으로써 전기 에너지 효율향상을 꾀하는데 있다. 이를 위해 충방전 능력이 뛰어난 슈퍼 커패시터를 활용함으로써 배터리의 전기 에너지 저장효율향상과 과도현상을 억제할 수 있었다.
회생제동 충방전장치를 위한 보조수단으로 슈퍼커패시터의 활용에 관한 연구는 최근에 전기자동차 개발에 대한 관심이 높아지면서 활발하기 시작하였다[1~12]. 연구의 주된 관심은 어떻게 충방전시 DC 버스에서의 과도전압 상승을 억제하고, 회생전류 에너지를 짧은 과도시간에 에너지 저장장치에 효과적으로 저장하고 반대로 정상운전 시에는 모터 부하에 다시 흘릴 수 있느냐 하는 문제들이다. 결국에는 에너지 저장장치와 전류변환장치간의 효율성과 스위칭 소자들의 제어성의 문제로 귀착된다.

가설 설정

제안된 회로의 성능을 확인하기 위해 Simplorer Tool[16]을 이용한 회로 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 조건은 회생제동시에는 발전기 역할에 의한 전압원으로 가정되고 반대로 정상적인 모터부하인 경우에는 모터부하로 가정하였다. 배터리의 충방전 특성을 고려하여 배터리 모델과 회생제동 IGBT의 On-Off를 PWM 신호와 출력상태를 고려하였다.

제안 방법

그림 16에서 나타낸 바와 같이 제안된 회로의 성능을 검증하기 위해 전기자전거를 이용하여 회생제동 모드와 정상 모터의 가속모드에 대하여 성능시험을 수행하였다. 회로에 사용된 실험 장치에는 24V, 250W, 1800rpm 브러시리스 모터의 전기자전거를 사용하였다.
또한 슈퍼 커패시터 뱅크에는 10A 부하전류와 20KΩ의 균등화 저항을 사용하여 직렬 커패시터에서 발생하기 쉬운 불균화 충전을 방지하도록 고려하였다.
시뮬레이션 조건은 회생제동시에는 발전기 역할에 의한 전압원으로 가정되고 반대로 정상적인 모터부하인 경우에는 모터부하로 가정하였다. 배터리의 충방전 특성을 고려하여 배터리 모델과 회생제동 IGBT의 On-Off를 PWM 신호와 출력상태를 고려하였다. 시뮬레이션에 사용된 능동조사의 파라메터는 표 1과 같다.
슈퍼 커패시터 과충전에 의한 소손을 방지하기 위해 제너다이오드로써 과전압을 억제하고 있으며, 충전전류 검출에 의해 과충전을 억제하도록 제안된다(그림 3 참조).
따라서 요구하는 전압레벨에 적합하도록 사용하기 위해서는 다수의 커패시터를 직렬로 연결한 뱅크 형태로 사용해야 하고, 이 경우에 직렬연결에 의한 불균등 충전현상이 발생하기 쉽다. 이러한 현상을 방지하기 위해 균등화 충전회로가 필요하고 과충전현상을 방지하기 위해 제너다이오드를 이용하여 일정 전압을 유지하도록 한다. 그림 2에서 이에 대한 회로도와 슈퍼 커패시터 소자를 나타내고 있다.
양방향 전류원은 DC-DC 변환기 역할과 슈퍼 커패시터 뱅크 및 제어용 MCU(마이크로프로세스) 및 해당 피동소자 등으로 구성된다. 제안된 회로는 컴퓨터 시뮬레이션과 실험장비 세팅에 의한 성능실험을 통해 그 성능을 검증하였으며, 그 핵심적인 회로와 제어기술을 중심으로 그 결과를 새로이 제안한다. 본 장치는 전기자동차를 비롯한 전기 오토바이 및 전기 자전거에서 회생에너지 저장장치로 널리 활용될 것으로 기대된다.
회생에너지 충방전을 보다 효율적으로 저장하고 관리하기 위해 슈퍼 커패시터를 활용한 양방향 DC-DC 충방전 회로와 제어방법을 새로이 제안하였다. 본 제안된 장치의 근본적인 목적은 회생제동시 흔히 발생하는 현상으로 배터리에서 발생하기 쉬운 빈번한 충방전에 따른 열화현상을 방지하고 회생제동에 의해 발생된 전기 에너지의 손실을 최소한으로 줄여 줌으로써 전기 에너지 효율향상을 꾀하는데 있다.
결국에는 에너지 저장장치와 전류변환장치간의 효율성과 스위칭 소자들의 제어성의 문제로 귀착된다. 회생제동 충방전 장치의 스위칭소자의 정확한 동작을 보장하기 위해, 기존 연구결과[6,7]에서 뒷받침하고 있듯이 2개의 스위치를 직렬로 연결하여 사용하는 것은 큰 용량을 가진 직렬 인덕터(L)의 영향으로 2개 스위치의 동기화된 On-Off 동작이 보장되지 못하여 실패한 연구경험에 비추어, 본 연구에서는 축전기와 병렬로 연결된 슈퍼커패시터 충방전 스위칭을 위해 양방향 스위치를 제안하였으며, 양방향 제어되는 전류원의 역할을 하게 된다. 양방향 전류원은 DC-DC 변환기 역할과 슈퍼 커패시터 뱅크 및 제어용 MCU(마이크로프로세스) 및 해당 피동소자 등으로 구성된다.

대상 데이터

그림 2에서 이에 대한 회로도와 슈퍼 커패시터 소자를 나타내고 있다. 본 회로 시뮬레이션과 회로시험에서 활용된 커패시터 뱅크소자는 전기자전거 모터부하(24V, 250W)을 고려하여 100F 2.7V 용량을 갖는 10개의 슈퍼 커패시터를 사용하여 직렬 커패시터의 용량은 27V, 10F을 갖는다. 또한 슈퍼 커패시터 뱅크에는 10A 부하전류와 20KΩ의 균등화 저항을 사용하여 직렬 커패시터에서 발생하기 쉬운 불균화 충전을 방지하도록 고려하였다.
그림 16에서 나타낸 바와 같이 제안된 회로의 성능을 검증하기 위해 전기자전거를 이용하여 회생제동 모드와 정상 모터의 가속모드에 대하여 성능시험을 수행하였다. 회로에 사용된 실험 장치에는 24V, 250W, 1800rpm 브러시리스 모터의 전기자전거를 사용하였다. 자전거 페달로써 회생전력을 발생시키는 발전기 역할을 모의할 수 있다.

이론/모형

전기차량용 슈퍼커패시터 충방전 양방향 Boost-Buck 쵸핑회로의 전류제어 알고리즘의 흐름도를 그림 4에서 나타내고 있다. 앞에서 상술한 바와 같이 회생전력및 정상적인 모터구동 전력제어에 따라 요구되는 전류제어를 위한 비례적분제어(PI Control) 알고리즘[13]을 적용하였다. 그림 1에서 나타낸 그림과 같이 요구되는 전력의 차이만큼 슈퍼커패시터로 전류가 유입되거나 유출되도록 Boost(Step-up) 시키거나 Buck(Step-down)용 IGBT의 PWM 듀티비를 가변시킨다.
제안된 회로의 성능을 확인하기 위해 Simplorer Tool[16]을 이용한 회로 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 조건은 회생제동시에는 발전기 역할에 의한 전압원으로 가정되고 반대로 정상적인 모터부하인 경우에는 모터부하로 가정하였다.

성능/효과

그 이후에는 슈퍼 커패시터의 방전은 멈춘다. 배터리 전압과 전류는 계측이 어려운 점 있었으며, 자전거 바퀴의 동작상태는 극히 정상상태임이 확인되었다. 본 실험을 통해서 회생에너지를 위해 슈퍼 커패시터가 제 역할과 기능을 충분히 하고 있음을 확인할 수 있다.
배터리 전압과 전류는 계측이 어려운 점 있었으며, 자전거 바퀴의 동작상태는 극히 정상상태임이 확인되었다. 본 실험을 통해서 회생에너지를 위해 슈퍼 커패시터가 제 역할과 기능을 충분히 하고 있음을 확인할 수 있다.
이를 위해 충방전 능력이 뛰어난 슈퍼 커패시터를 활용함으로써 배터리의 전기 에너지 저장효율향상과 과도현상을 억제할 수 있었다. 시뮬레이션과 자전거 실험장치의 시험측정을 통해 그 성능이 매우 효과적임을 확인하였다. 본 제안된 회로 기술과 방법은 배터리를 사용하는 전기차량용(전기자전거, 전기오토바이 및 전기자동차)의 회생에너지 충전장치로 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
이 과정에서 배터리 충전전류 및 인덕터 전압의 변화량을 확인할 수 있다. 이 결과에서 배터리에 충전되는 전류는 거의 0에서 머무르고 대부분이 슈퍼커패시터에 효과적으로 충전되고 있음을 알 수 있다. 또한 슈퍼커패시터 전압은 초기 0[V]에서 최고전압 27[V]에 이러르 더 이상 상승하지 않고 충전된 상태에서 머무러고 있다.
이 시험결과는 앞서 시물레이션 결과와 전류와 전압의 크기에서 다소 차이가 발생하고 있는데, 이는 시뮬레이션 조건과 실제 시험장치의 설계 파라메터 상의 차이에서 비롯되고 있는 것으로 판단되며, 전체적인 동작경향은 극히 정상적으로 동작되고 있음을 시험결과를 통하여도 확인할 수 있었다.
본 제안된 장치의 근본적인 목적은 회생제동시 흔히 발생하는 현상으로 배터리에서 발생하기 쉬운 빈번한 충방전에 따른 열화현상을 방지하고 회생제동에 의해 발생된 전기 에너지의 손실을 최소한으로 줄여 줌으로써 전기 에너지 효율향상을 꾀하는데 있다. 이를 위해 충방전 능력이 뛰어난 슈퍼 커패시터를 활용함으로써 배터리의 전기 에너지 저장효율향상과 과도현상을 억제할 수 있었다. 시뮬레이션과 자전거 실험장치의 시험측정을 통해 그 성능이 매우 효과적임을 확인하였다.

후속연구

제안된 회로는 컴퓨터 시뮬레이션과 실험장비 세팅에 의한 성능실험을 통해 그 성능을 검증하였으며, 그 핵심적인 회로와 제어기술을 중심으로 그 결과를 새로이 제안한다. 본 장치는 전기자동차를 비롯한 전기 오토바이 및 전기 자전거에서 회생에너지 저장장치로 널리 활용될 것으로 기대된다.
시뮬레이션과 자전거 실험장치의 시험측정을 통해 그 성능이 매우 효과적임을 확인하였다. 본 제안된 회로 기술과 방법은 배터리를 사용하는 전기차량용(전기자전거, 전기오토바이 및 전기자동차)의 회생에너지 충전장치로 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기차량 제동시 발생되는 기계에너지를 전기에너지로 변환하기 위해 전기모터의 발전기 역할대처와 배터리 저장기술만을 단순히 이용하는 것만으로 회생전력을 효과적으로 저장할 수 없는 이유는?	그러나 전기차량 제동시 발생되는 기계에너지를 전기에너지로 변환하기 위해 전기모터의 발전기 역할대처와 배터리(Battery) 저장기술만을 단순히 이용하는 것만으로 회생전력을 효과적으로 저장할 수 없다. 이는 전력변환의 효과적인 상호작용과 회로의 최적화가 이루어져야 하고 그보다 배터리의 경우 빈번한 충방전이 발생할 경우에 배터리 열화현상이 두드러지게 나타나서 배터리의 수명을 단축시키는 원인이 되고 과도적인 고조파 성분의 충전전류에 매우 취약한 동시에 충전시정수가 커서 비교적 짧은 시간에 방생하는 회생전류를 효과적으로 충전시키지 못하기 때문이다. 슈퍼커패시터는 전기화학적 반응을 이용하는 배터리와는 달리 전극과 전해질 계면으로 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충방전 현상을 이용하여 고에너지 밀도와 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율과 반영구적인 충방전 사이클 수명 특성을 가지고 있어 보조 배터리의 수단으로 개발되고 있는 차세대 에너지 저장용 전기소자로써 최근에 많은 기술적 진전이 되고 있다[10],[14],[15].
	전기차량에서 매우 중요한 핵심기술로써 받아들여지는 문제는?	전기자동차를 비롯한 전기차량에서는 공통적으로 배터리에 저장된 전기 에너지를 이용하여 전기모터를 구동함으로써 단한번의 충전으로 얼마만큼 장시간 혹은 장거리를 사용할 수 있는가? 하는 문제가 매우 중요한 핵심기술로 받아들여지고 있다. 장시간(혹은 장거리)의 사용을 위해서 배터리 용량을 단순히 증가시키는 것을 생각하기 쉬우나 배터리 용량 증가는 자동차 무게와 충전장치의 가격상승을 동시에 불러 일으켜 무한정으로 증가시킬 수 없는 제한이 따른다.
	슈퍼 커패시터 과충전에 의한 소손을 방지하기 위한 방법은?	슈퍼 커패시터 과충전에 의한 소손을 방지하기 위해 제너다이오드로써 과전압을 억제하고 있으며, 충전전류 검출에 의해 과충전을 억제하도록 제안된다(그림 3 참조).

참고문헌 (16)

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Maxwell Super-capacitors Data sheets and technical information for 100 and 250 Farads, [Maxwell publications]
Simplorer (version 8) User Manual, ANSYS inc. http://www.ansys.com.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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