[논문]5kW 배터리 충전기용 양방향 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터 설계 및 실험

이우종; 엄주경; 한병문; 차한주

doi:10.6113/tkpe.2011.16.3.227

5kW 배터리 충전기용 양방향 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터 설계 및 실험
Design and Experiment of Three-phase Interleaved DC-DC Converter for 5kW Lead-Acid Battery Charger 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.3, 2011년, pp.227 - 233

이우종 (충남대 대학원) , 엄주경 (인텍에프에이) , 한병문 (명지대 전기공학과) , 차한주 (충남대 전기공학과)

초록
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본 논문은 5kW 배터리 충전기용 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터 설계 및 실험에 대하여 서술하였으며, 배터리 시스템은 풍력 시스템의 안정화를 위해 사용한다. 배터리 충전기는 배터리, 3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터, 직류단, 계통연계형 인버터로 구성된다. 납축전지는 matlab으로 간단한 R-C모델링 하였으며, 스텝 전류 방전 실험에 따라 배터리 파라미터를 구하였다. 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터를 이용해 배터리의 전류 리플을 감소시켰으며, 5kW 배터리 충전기를 제작하여 충·방전모드 제어기를 설계하고 실험하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a design and experiment of three phase interleaved dc-dc converter for 5kW battery charger. The charger consists of a three-phase interleaved dc-dc converter, which interfaces batteries and DC link, and a grid connected inverter. Lead-acid battery is modeled in a simple R-C model by matlab. Parameters of the battery are estimated based on step current discharging test. The battery is connected to three-phase interleaved DC-DC converter in order to reduce the ripple current to the battery and so, increase the lifetime of battery. Controller for charging and discharging mode is designed and tested in a 5kW charger prototype.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 배터리 모델링을 하고, 배터리와 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터를 연결하는 알고리즘을 통해 배터리 충·방전 시스템의 동작 방법에 대해 제시하고 실험을 통하여 그 특성을 확인하였다.

제안 방법

5㎾ 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터를 제작하고, 배터리와 연결하여 배터리 충·방전 시스템에서 전력을 효율적으로 제어하였다.
3상의 전류 합은 입력전류가 되므로, 입력전류 기준치를 만족시킬 수 있다. PI제어를 사용하였으며, 상전류 기준치와 현 상전류의 차이로 PI제어 결과 값을 산출 후, 현재의 입력전압 V_bat와의 합을 출력 전압 V_dc 비율에 맞게 PWM을 내보낸다.
공칭전압이 12V인 배터리 20개를 직렬로 연결한 후, DC 전자부하의 CC 모드를 이용하여 일정한 전류로 방전하였다. 배터리의 5시간률 용량은 15.
동일한 인덕터 전류 리플 조건을 만족시키는 인덕터 용량은 방전모드로 동작할 때 충전 모드 시 보다 더 큰 용량이 필요하다. 따라서 인덕터 설계는 방전모드를 기준으로 설계한다. DC-DC 컨버터는 3상 동작, 즉각은 상 120°의 위상차를 갖는다.
인덕터의 경우 충·방전 모드와 관련하여 두 가지 모드의 전류 입출력 동작 변화를 모두 감안하여 인덕터 전류를 항상 연속모드로 동작하도록 인덕턴스 값을 결정한다. 본 논문에서는 입력전압과 출력전압에 의해 0.514의 듀티값이 정해지고, 식 (6)에 의해 식 (9)를 유추하여 전류리플 크기를 20%로 선정, 인덕터를 설계하였다.
5㎾ 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터를 제작하고, 배터리와 연결하여 배터리 충·방전 시스템에서 전력을 효율적으로 제어하였다. 스텝 전류실험을 통하여 배터리 파라미터를 산출하여, 배터리 모델을 만들었으며, 이를 시뮬레이션과 실험으로 확인하였다. 제작한 충전기 시스템 실험을 통하여, 입력된 전류 기준치만큼 충·방전 모드에서 원하는 상전류가 출력되었고, 각각의 모드가 변했을 시 안정적으로 3상의 전류가 균형을 이루면서 제어되고 있음을 확인하였다.
그림 3과 같이, 6개의 스위치를 통하여 배터리 충·방전 모드를 자유자재로 바꾸면서 전류 및 전압을 제어하는 방식으로 6개의 스위치에 의해 각각 충전모드, 방전모드로 동작하게 된다. 직류단을 제어하고, 전류 기준치를 원하는 값으로 입력하여 출력전력을 결정한다.
충·방전 모드의 변화는 MITSUBISHI사 PM150CSD120 IPM(Intelligent Power Module)으로 제어하였다.

대상 데이터

배터리 충전기용 3상 인터리브드 컨버터 실험 하드웨어는 그림 9와 같이 구성된다. 28개의 배터리를 사용하고(배터리전압:285~386V), TI사 DSP28335보드로 시스템을 제어하였다. 충·방전 모드의 변화는 MITSUBISHI사 PM150CSD120 IPM(Intelligent Power Module)으로 제어하였다.
상의 수는 상승되는 고전압의 출력 측이 갖는 전력 품질을 고려하여, 설계 계획 시, 만족하는 수준에서 결정한다. 본 논문에서의 다상 채널의 수는 3상으로 구성하였다. 인터리브드 방식의 동작은 각 상의 위상을 2π/N 만큼 (N : 상의 개수) 차이가 나도록하여, 이에 맞추어 스위치를 ON, OFF하며 결국 전류의 120° 위상을 발생시킨다.

이론/모형

더욱 방전이 진행되어 방전종지전압 이하로 방전을 하면 배터리의 특성은 나빠져 수명이 줄어든다. 본 연구에서 사용된 배터리 모델은 내부저항, 분극저항, 분극전압으로 SOC(State of Charge)의 함수로 표현된다.

성능/효과

제작한 충전기 시스템 실험을 통하여, 입력된 전류 기준치만큼 충·방전 모드에서 원하는 상전류가 출력되었고, 각각의 모드가 변했을 시 안정적으로 3상의 전류가 균형을 이루면서 제어되고 있음을 확인하였다.

후속연구

최근 추세로는 친환경적인 신재생에너지가 널리 사용될 수 있도록 많은 연구가 이루어지고 있고, 연구를 바탕으로 상용화 시키려고 하고 있다. 하지만 경제적인 측면에서 신재생에너지는 상용화되기까지 어려움이 있지만 현 시대적 흐름에 비추어 앞으로 경제적 요소가 보완된다면, 이러한 친환경에너지의 경우 효용성은 증대될 전망이다. 신재생에너지원 중 풍력발전의 경우 에너지 변환 효율이 높고, 발전단가가 싸기 때문에 앞으로도 발전 효과가 크기에 다른 신재생에너지원에 비해 많은 연구가 이뤄지고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인터리브드 방식의 장점은?	이러한 풍력발전과 함께 풍력발전의 불규칙 출력에 대응하기 위해 배터리의 사용 연구가 많이 이뤄지고 있다[1]-[2]. 배터리 충·방전기에 사용되는 DC-DC 컨버터 구조는 현재보다 높은 효율을 지향하기 위해 다양한 기법들이 논의 되고 있지만 그중에서 인터리브드 방식은 전류 흐름의 다분화와 상의 수만큼 분배된 위상차 발생으로 전류 간 리플전류의 상쇄효과에 기인하여 전체 전류 리플크기의 감소와 입·출력 필터의 용량과 체적을 줄일 수 있는 이점을 제공하며, 배터리 수명을 증가시킬 수 있다[3]-[5]. 현재 배터리 충전기는 리튬이온, 납축전지 등 다양한 배터리를 이용해 연구되고 있고[6], 연구된 배터리를 이용해 충·방전 시스템의 경우 최근까지 양방향 DC-DC 컨버터를 이용해 연구되어지고 있다[7].
	신재생에너지원 중 풍력발전이 많은 연구가 이뤄지는 이유는?	하지만 경제적인 측면에서 신재생에너지는 상용화되기까지 어려움이 있지만 현 시대적 흐름에 비추어 앞으로 경제적 요소가 보완된다면, 이러한 친환경에너지의 경우 효용성은 증대될 전망이다. 신재생에너지원 중 풍력발전의 경우 에너지 변환 효율이 높고, 발전단가가 싸기 때문에 앞으로도 발전 효과가 크기에 다른 신재생에너지원에 비해 많은 연구가 이뤄지고 있다. 이러한 풍력발전과 함께 풍력발전의 불규칙 출력에 대응하기 위해 배터리의 사용 연구가 많이 이뤄지고 있다[1]-[2].
	3상 인터리브드 DC-DC 컨버터로 이루어진 배터리 충전기는 무엇으로 구성되어 있는가?	본 논문은 5kW 배터리 충전기용 3상 인터리브드 DC-DC 컨버터 설계 및 실험에 대하여 서술하였으며, 배터리 시스템은 풍력 시스템의 안정화를 위해 사용한다. 배터리 충전기는 배터리, 3상 인터리브드 양방향 DC-DC 컨버터, 직류단, 계통연계형 인버터로 구성된다. 납축전지는 matlab으로 간단한 R-C모델링 하였으며, 스텝 전류 방전 실험에 따라 배터리 파라미터를 구하였다.

참고문헌 (8)

Zhenhua Jiang, Xunwei Yu, "Modeling and Control of an Integrated Wind Power Generation and Energy Storage System", IEEE, Power and Energy Society General Meeting (PES) , pp. 1-8, 2009, July.
SS Choi, KJ Tseng, DM Vilathgamuwa, TD Nguyen, "Energy Storage Systems in Distributed Generation Schemes", IEEE, Power and Energy Society General Meeting (PES), pp. 1-8, 2008, July.
John Betten, Robert Kollman, "Interleaving dc-dc converters boost efficiency and voltage", Texas Instruments. EDN, pp. 78, 84, 2005, October.
J. Allen Byrne, "An Update on the Codes, Standards and Guides Applicable to stationary Lead-Acid Batteries", Telecommunications Energy Conference (INTELEC), pp. 1-5, 2010, June.
Nadia M. L. Tan, Takahiro Abe, Hirofumi Akagi "A 6-kW, 2-kWh Lithium-Ion Battery Energy Storage System Using a Bidirectional Isolated DC-DC Converter", Power Electronics Conference (IPEC), pp. 46-52, 2010.
J. Allen Byrne, "An Update on the Codes, Standards and Guides Applicable to tationary Lead-Acid Batteries", Telecommunications Energy Conference (INTELEC), pp. 1-5, 2010, June.
Nadia M. L. Tan, Takahiro Abe, Hirofumi Akagi, "A 6-kW, 2-kWh Lithium-Ion Battery Energy Storage System Using a Bidirectional Isolated DC-DC Converter", Power Electronics Conference (IPEC), pp. 46-52, 2010.
Tremblay, O., Dessaint, L.-a., Dekkiche, A.-I., "A generic Battery Model for the Dynamic Simulation of Hybrid Electric Vehicles", Vehicles Power and Prepulsion Conference, 2007. VPPC 2007. IEEE, pp. 284-289, 2007, Sept. 9-12.

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