[논문]비상용 발전기 제어시스템의 배터리 충전기를 위한 고효율 LLC 공진형 컨버터의 연구

이준민; 박민기; 이용근; 나재두

doi:10.5207/jieie.2013.27.10.093

비상용 발전기 제어시스템의 배터리 충전기를 위한 고효율 LLC 공진형 컨버터의 연구
Study of High Efficiency LLC Resonant Converter for a Battery Charger of Emergency Electric Power Generator Control System 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.27 no.10, 2013년, pp.93 - 100

이준민 (인하대학교 공대 전기공학과) , 박민기 (인하대학교 공대 전기공학과) , 이용근 (인하공업전문대학 정기정보과) , 나재두 (인하공업전문대학 정기정보과)

Abstract ▼ AI-Helper

Generally, the conventional battery charging system using an analog method has the large, heavy hardware and low efficiency. Also, it has the disadvantage that it is necessary to replace the control circuit on the basis of the characteristic curve of the specific battery cell. The proposed programmable digital LLC resonant charging system use high efficiency control system(CC-CV), and has characteristic a small hardware and advantage that a digital programming of the voltage, current, and battery capacity characteristics can be flexible. The system proposed the use of Half-bridge LLC resonant converter is possible to improve efficiency and reduce switching losses by using ZVS topology. Further, a constant voltage - constant current(CC-CV) control algorithm apply to the charger which using a buck converter. The performance of the proposed system is demonstrated through experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 LLC 공진형 컨버터를 이용한 자가발전기용 고효율 배터리 충전기를 설계하고 실험을 통해 성능을 입증하였다. 본 연구의 특징은 다음과 같다.
이 논문은 비상용 자가발전기 제어 시스템을 위하여 디지털 방식을 제어되는 마이크로컨트롤러를 이용한 Half-bridge LLC 공진형 컨버터 충전 시스템을 제안한다.

제안 방법

배터리 충전 시스템은 배터리를 CC/CV 제어를 통해 비상용 자가 발전기용 전력을 배터리에 저장하는 역할을 한다. 본 연구는 충전제어 알고리즘의 타당성을 검증하기 위하여 6개의 셀이 직렬로 구성되어 있는 12V, 12AH의 용량을 갖는 납축전지를 직렬로연결하고 24V, 12AH 용량을 갖는 그림 2와 같은 시스템을 구현하였다.
첫째, 공진형 LLC 컨버터의 특징인 변압기를 작게 설계하고, 고효율 전원을 공급할 수있는 것이다. 일반적인 컨버터가 통상 최대 85%정도의 효율을 보이는 것에 반해, LLC 공진형 ZVS와 ZCS스위칭으로 인해 컨버터는 90% 이상의 효율을 보이는 고효율 컨버터임이 본 논문을 통해 확인 가능하다.

성능/효과

둘째, 사용자편의를 위하여 배터리 특성에 따라 프로그래밍이 가능한 비상전원 상치를 사용하는 모든 곳에 폭 넓게 사용가능할 수 있는 것이다. 시장의 요구에 따라 마이크로 그리드 시스템이 대두될 것으로 예상되는 지금 제안된 시스템의 효과는 점점 더 커질 것이라 생각할 수 있다.
LLC 컨버터의 상-하암 스위치는 상보 스위칭을 하며 정격 부하에 부합한 전류인 10A전류를 출력함을 확인 가능하다. 또한 220Vac의 상용전압을 정류한 DC 전압을 컨버터에 입력하여 배터리 충전을 위한 DC 30Vdc와 정격 전류 10Adc를 출력하는 것을 확인할 수 있다.
첫째, 공진형 LLC 컨버터의 특징인 변압기를 작게 설계하고, 고효율 전원을 공급할 수있는 것이다. 일반적인 컨버터가 통상 최대 85%정도의 효율을 보이는 것에 반해, LLC 공진형 ZVS와 ZCS스위칭으로 인해 컨버터는 90% 이상의 효율을 보이는 고효율 컨버터임이 본 논문을 통해 확인 가능하다.
표 4는 정격전압의 ± 10%입력 범위에서 동작시킨 LLC 컨버터의 효율 측정 결과이다. 제안된 컨버터는 정격부하에서도 90% 이상의 효율을 내는 것을 확인 가능하며 배터리를 충전하기 위하여 30Vdc의 전압을 출력하는 것을 확인 가능하다.
제안하는디지털 공진형 비상 발전기 시스템은 아날로그 발전기 시스템과 비교할 때 하드웨어의 특성 상 크기가 작고, 고효율 제어 방식을(CC-CV) 사용하며, 배터리 특성에 따라 전압(V), 전류(A), 배터리 용량특성(Ah)을 디지털로 프로그래밍 할 수 있는 유연한 장점을 가지고 있다. 또한 마이크로 컨트롤러의 유연한 시스템 제어 성능을 이용하여 정전이나 화재를 감시하며 비상시에 엔진을 시동시키고 엔진 측과 직결되어 있는 동체에서 전압을 감시 보호할 수 있고, 엔진의 과열 오일부족, 배터리 이상 등을 감시하는 이상검출 기능과 발전된 전기의 전압, 주파수, 전력을 검출하야 이상 시 전원을 차단하여 부하 단을 보호하는 사용자 지향적인 보호기능을 제공한다[4].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비상 발전기의 중요성이 날로 증가하는 이유는?	게다가 2011년 9월 15일 대규모 정전사태(이하 9․15 정전)으로 말미암아 전국적으로 엄청난 재산, 인명 피해가 발생하였으며 9․15 정전시 비상발전기 대부분이 정상 가동이 안되어 피해가더 커진 것으로 나타났다. 대 정전 이후에도 매년 전력공급이 전력수요를 감당하지 못하여 전력 준비, 경보 발령이 여름철 뿐만 아니라 겨울철에도 발령이 되는 등 1년 내내전력부족현상에 시달리고 있는 현 상황에서 비상발전기는 이제 비상 시 뿐만 아니라 전력 부족 시에도 가동을 해야 하는 실정으로 비상 발전기의 중요성이 날로 증가하고있다. 따라서 배터리 저장장치는 비상 발전기 등에 사용하기 위한 목적으로 활발히 연구가 진행되고 있다[1-2].
	일반적으로 비상용 자가 발전장치는 언제 사용되는가?	일반적으로 비상용 자가 발전장치는 태풍이나 풍수해 등 천재에 의한 예기치 않았던 정전사고와 기기교체등 보완작업으로 발생할 수 있는 재산 및 인명피해를 미연에 방지하기 위하여 사용된다. 일반 공공장소 및 방송국, 전화국, 공장호텔, 병원 및 일반 빌딩의 비상전원장치로 널리 보급되고 있으며 최근에는 전력비 절감을 목적으로 공장내 부산물(폐열, 폐가스 등)을 이용하는 상용, 자가발전장치(열병합 발전) 및 첨두부하시에도 사용할 수 있는 비상용 자가발전장치도 점차 증가하고 있다.
	현재 사용하는 비상용발전기의 배터리 충전기의 단점은?	비상용발전기의 배터리 충전기는 그림 1에서 보는 바와 같이 컨트롤 판넬 내부에 위치하여 한전의 전력을 받아 배터리를 충전하는 기능을 한다. 현재 사용하는 비상발전기의 배터리 충전기는 아날로그 방식으로 하드웨어 특성 상 크기가 크고 무거우며, 충전효율이 낮고 전압조정을 수동으로 조정해야 하므로 정밀한 제어가 어려우며 충전기 내부운도가 높아 외관에 알루미늄을 적용하여 내부의 열을 방열하는 구조로 되어있는 등의 단점이 있다. 또한 배터리 충전기의 특성상 배터리 특성곡선에 따라 제어회로를 교체해야 하는 단점을 가지고 있다.

참고문헌 (10)

H.S Lee, "The Kind of Emergency Private Power System and Caution of Selection", Journal of Korea Electric Association No.141, 1988.9, pp. 19-26.
H.S. Ahn, et al, "Experiment of Single-phase Grid Connected Battery Charger", Journal of the Korean Institute of Power Electronics, Vol 18, No 1, 2013.2, pp.84-90.

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Myeong-il Choi, et al., "The Study of Accidents on an auxiliary power system in case of a blackout", KIEE, Proceedings of the Korean Institute of Electrical Engineers, 2009.10, 192-194 (3 pages).
Y.B.Byun, et al., "Development of Digital Type Battery Charger based on Milti-Mode Control" Journal of the korean institute of llluminating and Electrical installation Engineers Vol, 15.No 5,pp. 55-60 September 2001.
H. Choi, "Analysis and design of LLC resonant converter with integrated transformer," inProc. IEEE Appl. Power. Electron. Conf., 2007, pp. 1630-1635.
S.De Simone, et al., "design-oriented steady state analysis of LLC resonant converter based on FHA", Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2006. SPEEDAM 2006. International Symposium, May, 2006, pp. 200-207.
Bo Yang, Fred C. Lee, Alpha Zhang. and G. Huang, "LLC Resonant Converter for Front End Dcloc Conversion," Proceedings of rhe IEEE Applied Power Electronics Conference., February, 2002, pp. 1108-1112.
Young Jin Lee, et al., "A Study on the Grid Connected Battery Charge System", KIPE, Power electronics annual conference, Vol.2010.11, 367-368 (2 pages).
Tae-Hoon Kim, et al., "Design of the Phase Shift Full Bridge Converter for the Battery Charger", KIPE, Power electronics annual conference, Vol.2010.11, 22-23 (2 pages).
SEBANG, ES Series, Detailed Specifications "http://www.gbattery.com/dtcenter/brochure".

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