[논문]영전압 방전이 가능한 새로운 방식의 2차전지 충방전기

정대택; 채수용; 홍순찬

doi:10.5207/jieie.2012.26.11.062

영전압 방전이 가능한 새로운 방식의 2차전지 충방전기
New Secondary Battery Charger/Discharger Available for Zero Voltage Discharge 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.26 no.11, 2012년, pp.62 - 74

정대택 (단국대학교 대학원 전기공학과) , 채수용 (단국대학교 대학원 전기공학과) , 홍순찬 (단국대학교 전자전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a new secondary battery charger/discharger available for zero voltage discharge which is used for test equipments and formation process. The proposed system is a switching type converter, and thus the system is high efficiency and more compact as compared with linear type charger/discharger. Conventional switching type charger/discharger can not discharge secondary batteries to zero voltage because of voltage drops in the switching elements and long distributing line(typically 10m). However, the proposed system is able to discharge the battery to zero voltage in constant current mode regardless of the voltage drops. In this paper, we analyze the proposed charger/discharger and the validity of the system is verified by simulation and experiment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제안한 영전압 방전이 가능한 스위칭 충방전기의 유효성을 확인하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 툴은 Ansoft사의 Simplorer 6.
본 논문에서는 2차전지를 하나의 시스템으로 충방전시킬 수 있고 방전시에는 전지를 영전압까지 방전 시킬 수 있는 새로운 스위칭 방식의 충방전기를 제안하였다. 기존의 스위칭 방식 충방전기는 방전하한전압까지만 방전이 가능하고 영전압방전이 불가능하다.
본 논문에서는 스위칭 소자 및 긴 부하배선에서 전압강하가 발생하더라도 2차전지를 원하는 전압까지 충방전할 수 있는 새로운 방식의 2차전지 충방전기를 제안한다.

제안 방법

기존의 스위칭 방식 충방전기 중에서 풀브리지 변환기형을 예로 하여 기존 충방전기의 한계를 알아본다. 그림 8은 기존의 풀브리지형 스위칭 충방전기에서 부스트구간에서의 회로동작 및 변압기 2차측 등가회로를 나타낸 것이다.
그런데 그림 5 (c)의 경로를 살펴보면 충전모드 3에서 Q₃ 및 Q₆에 게이트 전압이 인가되어도 두 소자와 직렬로 접속되어 있는 Q₁ 및 Q₈이 OFF 상태이고 D_Q1 및 D_Q8도 역방향이므로 회로 동작에는 변함이 없다. 본 논문에서는 제어의 편의성을 위하여 충전모드 3에서도 Q₃ 및 Q₆에 게이트 전압을 인가하기로 한다. Q₄ 및 Q₅의 경우에도 Q₃ 및 Q₆의 경우와 마찬가지로 충전모드 1에서 게이트 전압을 인가하여도 회로동작에 변함이 없으므로 충전모드 1에서도 Q₄ 및 Q₅에 게이트전압을 인가하기로 한다.
실제 2차 전지충전시스템에서는 3상 220V의 교류를 입력으로 하는 PWMConverter의 가변직류출력전압을 공통전원으로 사용하는데 2,600mAH인 2차전지의 경우에는 공통전원에 1,024개의 충전기가 접속되기도 한다. 본 논문에서는 충방전기의 입력 직류전압으로 24V를 사용하였다. 실험장치는 그림 16과 같으며 충전 및 방전 실험결과는 각각 그림 17 및 그림 18과 같다.
본 논문에서 제안한 영전압 방전이 가능한 스위칭 충방전기의 유효성을 확인하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 툴은 Ansoft사의 Simplorer 6.0이며, 2차전지를 R-C 직렬회로로 등가화하였다[4-5].
제안한 충방전기의 타당성을 입증하기 위하여 충방전기를 설계 및 제작하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 파라미터는 표 2의 시뮬레이션 조건과 동일하며, 40AH 용량의 리튬폴리머 전지를 사용하였다.

대상 데이터

제어용IC로 MC56F8247을 사용하였고, 각 스위치의 게이트 신호를 절연하기 위하여 포토커플러 TLP351과 절연형 DC-DC Converter를 사용하였다. 또한 메인회로의 스위치로는 IRF3205를 사용하였다.
제안한 충방전기의 타당성을 입증하기 위하여 충방전기를 설계 및 제작하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 파라미터는 표 2의 시뮬레이션 조건과 동일하며, 40AH 용량의 리튬폴리머 전지를 사용하였다. 실험에 사용한 전지의 상세 규격은 표 3과 같다.
그림 16에서 실험장치는 충방전기 모듈, 게이트 구동드라이버보드, 제어보드 및 테스트보드로 구성된다. 제어용IC로 MC56F8247을 사용하였고, 각 스위치의 게이트 신호를 절연하기 위하여 포토커플러 TLP351과 절연형 DC-DC Converter를 사용하였다. 또한 메인회로의 스위치로는 IRF3205를 사용하였다.

이론/모형

실제 2차전지의 충방전에 소요되는 시간을 감안하여 상태공간평균화법[4]을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 14는 상태공간평균화법을 이용한 시뮬레이션구성도이고, 그림15는 상태공간평균화법을 이용한 시뮬레이션 결과이다.

성능/효과

따라서 제안한 충방전기에서는 전지의 전압이 낮은 구간에서도 방전이 가능하여 영전압 방전 구현이 가능해진다.
그림13 (b)는 인덕터전류 파형이며, 그림 13 (c)는 입력전류 파형이다. 본 논문에서 제안한 충방전기의 영전압 방전구현은 인덕터 L에 에너지를 저장하는 부스트 구간에서 전원 V_S에 의해 에너지가 공급됨으로써 가능하다. 그림 13 (c)에서 i_S의 값이 양(+)인 영역이 전원 V_S에 의해 공급된 에너지가 인덕터 L에 저장되는 부스트 구간이 되며, i_S의 값이 음(-)인 영역은 2차 전지 V_B의 방전에너지와 인덕터 L에 저장되었던 에너지가 입력전원 V_S로 에너지가 전달되는 회수 구간이다.
상태공간평균화법을 이용한 시뮬레이션을 통해 제안한 충방전기가 충전과 방전 동작을 정상적으로 수행하며, 특히 방전 결과에서 2차전지의 전압이 낮은 영역에서도 방전동작이 정상적으로 수행되어 0V까지 방전됨을 확인하였다.
실험결과 제안한 충방전기는 전지의 전압이 낮은 영역에서도 스위칭 소자 및 부하배선의 전압강하 값에 관계없이 전지의 전압이 0V에 도달할 때까지 전지를 방전시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
제안한 충방전기는 기존의 풀브리지 변환기형 충방전기에 비해 능동스위치 4개가 추가되었지만 기존의 스위칭 방식 충방전기에서는 구현할 수 없었던 영전압 방전이 가능하다. 또한 리니어 방식 충방전기와는 달리 영전압 방전 구현을 위한 별도의 전원이 필요없다는 장점이 있다.
제안한 충방전기는 전지의 전압 및 전압 강하성분들에 의해 제약받지 않고 구동이 가능하여 넓은 전압범위에서 사용이 가능하므로 모든 2차전지에 적용 가능한 높은 활용성을 확보하였다.
제안한 충방전기는 전지의 전압이 낮은 영역에서도 스위칭 소자 및 긴 부하배선에서의 전압강하 성분에 제한받지 않고 전지를 0V까지 설정전류를 유지하면서 방전할 수 있으며 별도의 전원장치가 필요없다. 제안한 충방전기를 구성하고 충방전 동작을 해석하였으며, 시뮬레이션과 실험을 통하여 타당성을 확인 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2차전지의 제조공정은 어떻게 나누어지는가?	최근 휴대용 전자기기의 보급과 전기자동차의 상용화로 인하여 이러한 장치의 전원으로서 2차전지의 수요가 지속적으로 증가하는 추세이다. 2차전지의 제조공정은 크게 전지 조립공정인 전공정과 전지 시험공정인 후공정으로 나눌 수 있다. 전지의 후공정은 전지의 형태를 만드는 조립공정을 거친 후 아직까지는 전기적 특성을 가지지 않은 전공정 상태의 전지를 정해진 공정에 따라 충전과 방전을 반복하여 전기적 특성을 가지도록 하는 활성화 공정(Forming process)과 전지의 성능과 수명을 시험하기 위한 시험공정(Test process)으로구성된다.
	리니어 방식 충방전기의 장단점은?	이러한 이유로 현재 2V 이하 방전이 필요한 경우에는 그림 2와 같은 리니어 방식 충방전기를 사용하고 있다. 리니어 방식 충방전기는 구현이 간단하다는 이점이 있지만 효율이 낮고 영전압 방전을 구현하기 위한 전원장치가 별도로 필요하며 방전 에너지를 회수할 수 없다는 단점을 가지고 있다.
	현재 2V 이하 방전이 필요한 경우에는 리니어 방식 충방전기을 쓰는 이유는?	따라서 기존의 스위칭 방식 충방전기는 리튬계열 2차전지의 일부 활성화 공정에는 적용이 가능하지만 영전압 방전이 필요한 시험공정과 그 외 사용전압 범위가 낮은 2차전지 및 EDLC에는 사용할 수 없다.

참고문헌 (5)

Majid Delshad and M. Mahdavi, "A New Zero Voltage Switching Buck-Boost Bidirectional DC-DC Converter," Proceedings of 2010 International Conference on Applied Electronics, pp.1-9, Sept. 2010.
Yung-Chu Chen, Jeng-Gung Yang, and Chia-Ling Kuo, "Isolated Bidirectional Full-Bridge DC-DC Converter with a Flyback Snubber", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 25, no. 7, pp.1915-1922, July 2010.

상세보기
Cang-Youl Jeong, "Improved Phase-Shift Pulse-Width Modulation Full-bridge Converter Using a Blocking Capacitor", Journal of KIIEE, vol. 25, no. 8, pp.20-29, Aug. 2011.
Sang-Hwa Jung, Young-Jin Woo, Nam-In Kim, and Gyu-Hyeong Cho, "Analog-Digital Switching Mixed Mode Low Ripple-High Efficiency Li-Ion Battery Charger", IEEE ISIE Proceedings, pp.2473-2480, 2001.
Hwa-Young Won, Soo-Yong Chae, and Soon-Chan Hong, "State Space Averaging Based Analysis of the Lithium Battery Charge/Discharge System", The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, vol. 14, no. 5, pp.387-396, Oct. 2009.

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