선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 150W급 태양광 모듈을 이용하여 배터리 충전기를 만들기 위해 하드웨어를 제작하였다. 하드웨어의 소자 설계를 위해 입출력 조건을 정리하였으며 배터리의 경우 리튬-인산철을 9셀을 직렬로 연결한 전압으로 출력전압 변동을 정하였다.
- 본 논문은 Cascaded Buck-Boost 컨버터 구조의 MIC를 이용한 태양광 발전 시스템의 저전압 배터리 충전을 위한 알고리즘과 제어기를 제안하였고 150W 하드웨어설계를 통해 시작품을 제작하였다. 제안한 알고리즘은 태양광 발전 특성을 고려하여 충전 모드가 결정되고 이에 따라 배터리를 최적으로 충전할 수 있다.
제안 방법
- 또한 각각의 동작 모드에서 쉽게 동작할 수 있는 Cascaded Buck-Boost 컨버터의 제어기를 제안하였다. 150W급 하드웨어 설계를 통해 시작품을 제작하였으며 이를 통해 제안한 시스템의 효율 및 제안한 알고리즘을 검증하였다.
- 입출력 조건에 의해 총 4가지 동작 모드로 구성되며 이 중 Floating 모드는 배터리가 완전히 충전된 상태로 Q1 및 Q3 스위치를 오프 시켜 태양광 모듈과 배터리를 분리시키는 모드를 뜻한다. CC 모드와 CV 모드에서 MPPT 모드로 변경 되도록 각각의 조건문을 추가하였다.
- MPPT 모드도 출력전압과 전류를 이용하여 제어할 수 있지만 제어 특성이 입력전압 전류를 이용하는 제어 방식보다 떨어지기 때문에 본 논문에서는 입출력전압 전류를 이용하여 제어를 수행하였다. 제어기가 센싱되는 값들이 바뀌게 되지만 각각의 변수와 이전에 저장되었던 값들을 제어기가 변경될 때 동일하게 사용하며 같은 구조의 제어기를 사용하기 때문에 안정적으로 제어된다.
- 따라서 출력전압이 작아진다는 의미는 출력 발전량이 충전량보다 작기 때문에 원하는 대로 제어가 되지 않는 것을 의미한다. 따라서 본 논문에서는 출력전압의 현재 값과 과거 값을 비교하여 이 값이 0보다 작을 경우 MPPT 모드로 변경된다. CV 모드에서도 출력전압은 고정되고 배터리의 임피던스 증가로 인해 충전 전류가 줄어들기 때문에 현재 전압 값이 과거 값보다 작아지면 마찬가지로 MPPT 모드로 변경된다.
- 태양광 모듈의 전압 및 전류 특성을 고려하여 시스템의 효율을 증가시키기 위해 다이오드 대신 스위치를 사용하여 동기정류 방식을 적용하였으며, 승강압 동작은 Q1 및 Q2 스위치가 상보로 동작하여 강압 운전 (Buck 모드)을 하게 되고, Q3및 Q4 스위치가 상보적으로 동작하여 승압 운전 (Boost모드)을 한다. 또한 CC-CV 및 입력의 MPP를 추종하기 위해 입출력에 전압 전류 센서를 추가하였다.
- 본 논문에서는 모든 조건에서 최대의 전력량으로 2차 전지를 충전하기 위해 승강압이 가능하며 효율 향상을 위해 동기정류방식을 적용한 Cascaded Buck-Boost 컨버터를 적용하여 시스템을 구성하였으며, 입출력 조건에 따른 CC-CV 및 MPPT 충전모드 알고리즘을 제안하였고 이를 바탕으로 시스템 흐름도를 구현하였다. 또한 각각의 동작 모드에서 쉽게 동작할 수 있는 Cascaded Buck-Boost 컨버터의 제어기를 제안하였다. 150W급 하드웨어 설계를 통해 시작품을 제작하였으며 이를 통해 제안한 시스템의 효율 및 제안한 알고리즘을 검증하였다.
- 본 논문에서는 모든 조건에서 최대의 전력량으로 2차 전지를 충전하기 위해 승강압이 가능하며 효율 향상을 위해 동기정류방식을 적용한 Cascaded Buck-Boost 컨버터를 적용하여 시스템을 구성하였으며, 입출력 조건에 따른 CC-CV 및 MPPT 충전모드 알고리즘을 제안하였고 이를 바탕으로 시스템 흐름도를 구현하였다. 또한 각각의 동작 모드에서 쉽게 동작할 수 있는 Cascaded Buck-Boost 컨버터의 제어기를 제안하였다.
- 인덕터의 인덕턴스 경우는 동기정류방식을 사용함에 따라 전류불연속모드로 동작하게 되면 인덕터에 역전류가 흐르게 되고 이에 따라 태양광 모듈로 전류가 인가될 수 있는 문제가 발생할 수 있기 때문에 충전기가 동작하는 전영역에서 연속전류모드로 동작하도록 설계하였다. 인덕턴스의 불연속모드 경계조건은 Buck 모드와 Boost 모드가 동일하기 때문에 식 (8)을 만족하는 인덕턴스로 선정하였다[16].
- 본 논문은 Cascaded Buck-Boost 컨버터 구조의 MIC를 이용한 태양광 발전 시스템의 저전압 배터리 충전을 위한 알고리즘과 제어기를 제안하였고 150W 하드웨어설계를 통해 시작품을 제작하였다. 제안한 알고리즘은 태양광 발전 특성을 고려하여 충전 모드가 결정되고 이에 따라 배터리를 최적으로 충전할 수 있다. 또한 하드웨어 설계를 통해 최고 효율 96.
- 출력 캐패시턴스 선정은 배터리의 전압리플을 줄이기 위해 출력 전압의 0.1%의 리플 크기를 가지는 값을 선정하였다. Buck 모드에서 출력전압이 가장 작으므로 14.
- 사용한 토폴로지는 승강압 컨버터 중 상대적으로 효율이 높은 Cascaded Buck-Boost 컨버터이며 출력 전압이 반전되지 않는 특성을 가지고 있다. 태양광 모듈의 전압 및 전류 특성을 고려하여 시스템의 효율을 증가시키기 위해 다이오드 대신 스위치를 사용하여 동기정류 방식을 적용하였으며, 승강압 동작은 Q1 및 Q2 스위치가 상보로 동작하여 강압 운전 (Buck 모드)을 하게 되고, Q3및 Q4 스위치가 상보적으로 동작하여 승압 운전 (Boost모드)을 한다. 또한 CC-CV 및 입력의 MPP를 추종하기 위해 입출력에 전압 전류 센서를 추가하였다.
- 본 논문에서는 150W급 태양광 모듈을 이용하여 배터리 충전기를 만들기 위해 하드웨어를 제작하였다. 하드웨어의 소자 설계를 위해 입출력 조건을 정리하였으며 배터리의 경우 리튬-인산철을 9셀을 직렬로 연결한 전압으로 출력전압 변동을 정하였다. 각각의 파라메터는 표 1과 같다.
대상 데이터
- 이때 α는 공정 시 결정되는 계수다. Boost Unit의 스위치로 사용한 MOSFET는 Infineon사의 IPP065N04N을 사용하였다.
- 구현한 하드웨어 및 알고리즘을 검증하기 위해 150W 급 모듈을 대상으로 실험을 진행하였다. 배터리의 경우 14.
- Q1 및 Q2 스위치는 입력전압만큼의 전압 스트레스가 인가되며 Q3 및 Q4의 경우 출력전압만큼의 전압 스트레스가 인가된다. 따라서 Buck Unit 스위치 Q1 및 Q2는 전압마진을 고려하여 55V 정격을 가진 IOR사의 AUIRF3705Z MOSFET를 사용하였다. Boost Unit 스위치의 경우 인가되는 전압 스트레스가 30V 미만이므로 Buck Unit 의 스위치와 동일한 스위치를 사용할 수 있지만 식 (7)과 같이 실리콘 Device의 RDS(on) 의 경우 전압 정격 (Break Voltage)의 제곱에 비례하므로 낮은 전압 정격의 스위치를 사용하는 것이 시스템 효율과 단가 측면에서 장점을 가진다[15].
- 4V를 기준으로 하였고 설계된 인덕턴스 값을 이용하여 37uF 이상의 캐패시턴스 값을 선정하였다. 본 논문에서는 3.3uF의 캐패시터 12개를 병렬로 사용하였다. Buck 모드에서는 출력 캐패시턴스보다 기생요소인 ESR에 영향을 많이 받을 수 있지만 본 논문에서 사용한 소자의 경우 5.
- 그림 1은 MIC를 이용한 저전압 배터리용 충전장치를 나타낸다. 사용한 토폴로지는 승강압 컨버터 중 상대적으로 효율이 높은 Cascaded Buck-Boost 컨버터이며 출력 전압이 반전되지 않는 특성을 가지고 있다. 태양광 모듈의 전압 및 전류 특성을 고려하여 시스템의 효율을 증가시키기 위해 다이오드 대신 스위치를 사용하여 동기정류 방식을 적용하였으며, 승강압 동작은 Q1 및 Q2 스위치가 상보로 동작하여 강압 운전 (Buck 모드)을 하게 되고, Q3및 Q4 스위치가 상보적으로 동작하여 승압 운전 (Boost모드)을 한다.
이론/모형
- 사용한 MPPT는 Perturbation & Observation 알고리즘을 사용하였다.
- 인덕터의 인덕턴스 경우는 동기정류방식을 사용함에 따라 전류불연속모드로 동작하게 되면 인덕터에 역전류가 흐르게 되고 이에 따라 태양광 모듈로 전류가 인가될 수 있는 문제가 발생할 수 있기 때문에 충전기가 동작하는 전영역에서 연속전류모드로 동작하도록 설계하였다. 인덕턴스의 불연속모드 경계조건은 Buck 모드와 Boost 모드가 동일하기 때문에 식 (8)을 만족하는 인덕턴스로 선정하였다[16]. 5% 부하 조건인 7.
성능/효과
- 제안한 알고리즘은 태양광 발전 특성을 고려하여 충전 모드가 결정되고 이에 따라 배터리를 최적으로 충전할 수 있다. 또한 하드웨어 설계를 통해 최고 효율 96.6%를 얻을 수 있었다. 이에 따라 기존의 승압 또는 강압 조건으로 동작하는 저전압 배터리 충전시스템보다 다양한 조건에서 적용가능하며 각각의 조건에 따른 최적의 충전 모드가 결정되어 PV 모듈과 배터리를 최적으로 선정할 수 있다.
- 그림 8은 입력전압 29V 출력전압 26V인 조건에서 25W 단위로 시스템 효율을 측정한 결과이다. 입출력 Common Mode 필터, 제어기 및 보조회로의 소비 전력을 포함한 결과로 150W에서 96.6%의 효율 얻을 수 있었다.
- 따라서 제어기는 MPPT 모드로 변경되고 입력전압이 일정하게 제어되고 출력 전류는 출력 전압이 늘어나게 됨에 따라 줄어든다. 최종적으로 종지전압으로 도달할 경우 CV 모드로 변경되어 충전 과정이 완료되며 입출력 조건에 따라 잘 제어됨을 알 수 있다.
후속연구
- 이에 따라 기존의 승압 또는 강압 조건으로 동작하는 저전압 배터리 충전시스템보다 다양한 조건에서 적용가능하며 각각의 조건에 따른 최적의 충전 모드가 결정되어 PV 모듈과 배터리를 최적으로 선정할 수 있다. 개발된 시스템은 독립된 섬 지역, 가로등 및 안내판 등의 LED에 적용하게 되면 최적으로 배터리를 충전하여 운영할 수 있을 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.