[논문]리튬-이온 배터리 시스템을 위한 전압안정화 회로

박경화; 이강현

doi:10.9723/jksiis.2013.18.5.073

리튬-이온 배터리 시스템을 위한 전압안정화 회로
Voltage Balancing Circuit for Li-ion Battery System 원문보기

한국산업정보학회논문지 = Journal of the Korea Industrial Information Systems Research, v.18 no.5, 2013년, pp.73 - 80

초록
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최근 인공위성의 에너지 저장 매체로서 리튬-이온 배터리가 각광을 받는 추세이다. 리튬-이온 배터리는 다른 화학적 특성을 가지는 배터리들에 비해 높은 작동 전압과 큰 용량을 가지면서 부피도 작기 때문에 위성의 eclipse 기간 동안 위성에 전력을 공급하는 데에 매우 효과적이다. 위성에 전력을 공급하기 위한 에너지 저장 장치로서 리튬-이온 배터리를 사용하기 위해서는 하나의 cell이 아닌 다중 cell을 직렬 연결해서 사용해야 한다. 그러나 cell 간의 미소한 내부저항 차이 때문에 cell 전압의 언밸런스 (Unbalance)가 야기되고 충전 시 저항이 낮은 cell이 과 충전 되어 전지 용량이 급격히 저하되고 이로 인해 배터리의 수명이 줄어들게 된다. 따라서 본 논문에서는 Fly-back topology를 이용하여 다중 cell을 직렬 연결할 때 각 cell간의 전압 편차를 줄여주는 전압안정화 회로를 구현하였으며, prototype 제작 및 시험을 통해 배터리의 전압이 균일해지는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, Li-ion battery is regarded as a potential energy storage device in the lime light and it can supply power to the satellite very effectively during eclipse. Because it has better features as high voltage range, large capacity and small volume than any other battery. Generally, multi cells are connected in series to use Li-ion batteries in satellite application. Since the internal resistance of cells is different each other, voltage in some cells can be overcharged or undercharged, so capacity of the cell is reduced and the life of whole battery pack is decreased. Therefore, a voltage balancing circuit with Fly-back converter is proposed and the voltage equalization of each cell is verified the prototype in this paper.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 전압안정화 회로를 소개하고 개량된 Fly-back 컨버터를 각 셀마다 연결하여 셀 전압을 균일하게 유지시켜주는 새로운 능동형 전압안정화 회로를 제안한다. 그리고 제안된 회로의 설계 방법과 전압안정화 회로를 수식으로 도출해 보았으며 회로의 성능을 검증하기 위해서 소형인공위성을 위한 8개 리튬-이온 셀이 직렬 연결된 배터리 모듈용 전압 안정화 회로의 prototype 제작 및 시험을 통해 초기값이 다른 특정 셀의 전압이 직렬 연결된 다른 셀 전압으로 수렴하는 결과를 확인하였다.
본 논문에서는 소형인공위성을 위한 리튬-이온 배터리를 충 방전 하는 데에 따른 전압 불균형 문제를해결하기 위하여 개선된 Fly-back 컨버터를 적용한 셀 전압 안정화 회로를 제안하고 작동 원리를 살펴보았다. 제안된 회로는 모든 셀 전압이 같아질 때까지 셀 간 전압 차를 줄여주어 전압 안정화가 이루어지게 하는데 보완된 Fly-back 구조를 가지고 있기 때문에 높은 효율로 인해 발열은 최소화 하면서 셀 전압을 빠르게 regulation 할 수 있다.
그리고 직접 셀 전압을 제어할 수 있기 때문에 전압안정화에 걸리는 시간이 비교적 짧다. 본 논문의 소형인공위성을 위한 전압안정화 회로는 이러한 DC-DC 컨버터를 이용한 방법으로 구현하였다.

가설 설정

8V의 전압이 전압안정화회로 1차 측 입력 전압이 될 수 있다. 모든 배터리 셀이 4.1V로 완전히 충전되어 있는 상태라고 가정한 상황에서 하나의 셀에 대해 0.5A의 충전 전류가 흐른다고 가정하였다. 이를 통해 하나의 셀에 충전되는 에너지는 2W 정도라고 볼 수 있고, 8개의 셀이 존재하므로 손실이 없는 이상적인 상황에서는 총 16W의 에너지를 primary 측에서 제공하여야 한다는 것을 알 수 있다.
이를 통해 하나의 셀에 충전되는 에너지는 2W 정도라고 볼 수 있고, 8개의 셀이 존재하므로 손실이 없는 이상적인 상황에서는 총 16W의 에너지를 primary 측에서 제공하여야 한다는 것을 알 수 있다. 실제 상태에서는 Fly-back 컨버터 자체의 효율을 고려하여야 하므로 이를 80%로 가정하고 설계하였다.

제안 방법

제안된 회로는 모든 셀 전압이 같아질 때까지 셀 간 전압 차를 줄여주어 전압 안정화가 이루어지게 하는데 보완된 Fly-back 구조를 가지고 있기 때문에 높은 효율로 인해 발열은 최소화 하면서 셀 전압을 빠르게 regulation 할 수 있다. Prototype 회로를 설계하고 실험결과를 통해 셀 전압이 안정화 회로의 동작을 검증하여 보았다. 따라서 제안된 회로를 리튬-이온 배터리를 에너지 저장 장치로 인공위성에 사용할 경우 배터리의 신뢰성을 향상시키고 배터리 전압을 안정화함으로써 궁극적으로 위성의 긴 수명을 보장하는 것이 가능하다.
이러한 회로는 10개 미만의 셀들이 직렬로 연결된 구조의 배터리 팩의 전압안정화 회로구현에 있어 별도의 제어장치(PWM 등) 없이 주스위치의 On/Off 작동만을 제어함으로써 일정 duty를 사용하는 전압안정화회로를 구현할 수 있다. 또한 추가적으로 회로의 신뢰성 확보를 위해 primary 회로와 redundant 회로를 갖는 병렬 구조를 채택하였다. 또한 주 스위치 전류 감지를 통해 컨버터에 과전류가 흐르는 경우 회로를 차단하여 배터리 시스템을 보호하고, 스위치 손상이 감지되었을 때에는 배터리와 전하 균일 컨버터를 단락시키는 릴레이 구동을 통해 전체 시스템을 보호한다.
따라서 1차 측에는 하나의 MOSFET 스위치만을 사용하였다. 만약 2차 측에 개별의 Fly-back 컨버터를 연결할 경우에는 트랜스포머에 연결되는 노드의 수가 많아 bobbin 선정에 제약이 있다는 단점이 있는데 트랜스포머 bobbin의 필요 핀수를 줄이기 위해 4쌍의 multi-winding 구조를 사용하여 구현하였다. 이러한 회로는 10개 미만의 셀들이 직렬로 연결된 구조의 배터리 팩의 전압안정화 회로구현에 있어 별도의 제어장치(PWM 등) 없이 주스위치의 On/Off 작동만을 제어함으로써 일정 duty를 사용하는 전압안정화회로를 구현할 수 있다.
제안된 인공위성용 전압안정화 회로의 성능을 검증하기 위하여 위에서 설계된 소자 값을 가지고 prototype을 제작하여 실험을 하였다. 제작된 배터리와 전압안정화 회로의 prototype 형상을 <그림 5>와 <그림 6>에 나타내었다.

대상 데이터

제작된 배터리와 전압안정화 회로의 prototype 형상을 <그림 5>와 <그림 6>에 나타내었다. 실험을 위해 30Ah의 용량을 가지는 리튬-이온 배터리 셀을 직렬로 8개 연결하여 배터리 팩을 구성하였다. 전압안정화 회로를 동작시키기 위해 2번째 셀과 8번째 셀의 전압을 다른 셀들과 달리하였는데, 2번째 셀은 다른 셀들의 평균전압보다 100㎷정도 낮게 방전을 하였고 8번째 셀은 다른 셀들의 평균전압보다 100㎷정도 높게 충전을 하였다.

성능/효과

(1) 위의 식을 통해, 모든 배터리 셀이 완전히 충전되어 있는 상태에서 입력전력은 20W임을 알 수 있다. 배터리 팩의 전압은 24V부터 32.
위의 과정들을 통해 트랜스포머를 제작하기 위한 core는 PQ2020S을 선정하였고 위에서 구한 AP 수식인 수식 (4)에 값들을 대입하면 3750의 값을 얻을 수 있다. PQ2020S의 AP값은 4079로써 전압안정화회로의 트랜스포머 제작의 core로 적합함을 검증하였다. PQ2020Score의 AL값은 3000nH/N2이므로 요구되는 Lm값 105uH를 만족시키기 위해서는 6 turn이 필요하다.
본 논문에서는 기존의 전압안정화 회로를 소개하고 개량된 Fly-back 컨버터를 각 셀마다 연결하여 셀 전압을 균일하게 유지시켜주는 새로운 능동형 전압안정화 회로를 제안한다. 그리고 제안된 회로의 설계 방법과 전압안정화 회로를 수식으로 도출해 보았으며 회로의 성능을 검증하기 위해서 소형인공위성을 위한 8개 리튬-이온 셀이 직렬 연결된 배터리 모듈용 전압 안정화 회로의 prototype 제작 및 시험을 통해 초기값이 다른 특정 셀의 전압이 직렬 연결된 다른 셀 전압으로 수렴하는 결과를 확인하였다.
실험결과, <그림 7>과 같이 136분의 전압안정화 동작에 의해 방전하였던 2번째 셀 전압은 50㎷ 정도 상승하였고 충전하였던 8번째 셀 전압은 50㎷ 정도 하강한 것을 확인하였다. 따라서 전압안정화 회로의 동작 전에는 셀 간 최대 전압 격차가 200㎷이었으나 136분의 전압 안정화 동작 이후에는 96㎷ 정도로 감소하였다. 30Ah용량의 리튬-이온 배터리의 경우, 수천 시간 이상 운용했을 때 100㎷ 정도의 전압 격차가 발생한다는 제작사의 코멘트를 고려할 때, 2시간 안에 100㎷이상의 전압안정화가 이루어진 것은 위성의 운용측면에서 효과적이라고 말할 수 있다.
Prototype 회로를 설계하고 실험결과를 통해 셀 전압이 안정화 회로의 동작을 검증하여 보았다. 따라서 제안된 회로를 리튬-이온 배터리를 에너지 저장 장치로 인공위성에 사용할 경우 배터리의 신뢰성을 향상시키고 배터리 전압을 안정화함으로써 궁극적으로 위성의 긴 수명을 보장하는 것이 가능하다.
실험결과, 과 같이 136분의 전압안정화 동작에 의해 방전하였던 2번째 셀 전압은 50㎷ 정도 상승하였고 충전하였던 8번째 셀 전압은 50㎷ 정도 하강한 것을 확인하였다.
실험을 위해 30Ah의 용량을 가지는 리튬-이온 배터리 셀을 직렬로 8개 연결하여 배터리 팩을 구성하였다. 전압안정화 회로를 동작시키기 위해 2번째 셀과 8번째 셀의 전압을 다른 셀들과 달리하였는데, 2번째 셀은 다른 셀들의 평균전압보다 100㎷정도 낮게 방전을 하였고 8번째 셀은 다른 셀들의 평균전압보다 100㎷정도 높게 충전을 하였다. 실험결과, <그림 7>과 같이 136분의 전압안정화 동작에 의해 방전하였던 2번째 셀 전압은 50㎷ 정도 상승하였고 충전하였던 8번째 셀 전압은 50㎷ 정도 하강한 것을 확인하였다.
본 논문에서는 소형인공위성을 위한 리튬-이온 배터리를 충 방전 하는 데에 따른 전압 불균형 문제를해결하기 위하여 개선된 Fly-back 컨버터를 적용한 셀 전압 안정화 회로를 제안하고 작동 원리를 살펴보았다. 제안된 회로는 모든 셀 전압이 같아질 때까지 셀 간 전압 차를 줄여주어 전압 안정화가 이루어지게 하는데 보완된 Fly-back 구조를 가지고 있기 때문에 높은 효율로 인해 발열은 최소화 하면서 셀 전압을 빠르게 regulation 할 수 있다. Prototype 회로를 설계하고 실험결과를 통해 셀 전압이 안정화 회로의 동작을 검증하여 보았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 인공위성의 배터리 모듈은 어떤 구조를 갖는가?	일반적으로 인공위성의 배터리 모듈은 여러 개의 셀이 직렬 연결된 구조를 가진다. 이 때 각 셀들은 내부저항의 차이 때문에 약간씩 다른 셀 전압을 나타낸다.
	과거에는 소형인공위성의 배터리로서 어떤 배터리가 주로 사용되었는가?	과거에는 소형인공위성의 배터리로서 Ni-Cd 또는 Ni-H2 배터리가 주로 사용되어 왔다. 그러나 최근에는 높은 충전 전압과 에너지 밀도, 그리고 메모리 효과가 없다는 등의 이유로 항공우주 분야에서 리튬-이온 배터리가 각광을 받고 있다 [1-3].
	스위치와 저항을 셀과 병렬로 달아주는 방법의 단점은 무엇인가?	셀 전압이 기준 전압보다 높을 경우에는 스위치가 켜져서 저항을 통해 전류를 흘려 셀 전압이 더 이상 높아지지 않게 해주고 기준전압보다 낮을 경우에는 스위치가 켜지지 않기 때문에 계속해서 충전회로에 의해 셀이 충전 된다. 그러나 스위치가 켜져서 전압안정화 회로가 작동하는 경우에는 충전 전류가 모두 저항을 통해 흐르기 때문에 큰 전력 손실이 발생하게 되어 회로의 효율이 낮아진다는 단점이 있다.

참고문헌 (18)

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상세보기
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