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문제 정의
- 본 논문에서 배터리의 수명은 배터리의 방전 특성으로부터 예측하도록 하였다. 실제 배터리의 정밀한 수명의 예측은 매우 어려우나, 배터리의 잔존용량과 방전특성을 통해 근사적으로 배터리의 수명을 예측할 수 있다.
- 본 논문에서는 단일전원으로 배터리의 충전 및 부하전류를 공급하도록 설계된 비상전원장치에서, 배터리의 안정적인 충전과 배터리 상태 모니터링이 가능한 충방전 제어 방식과 회로를 제안하였다. 제안된 방식에서 충전 및 방전경로는 완전히 분리되어 있으며, SMPS와 부하의 연결에도 방전특성 모니터링을 위해 주제어 스위치로 연결하도록 하였다.
- 본 논문에서는 비상전원 장치에서 단일전원으로 통화장치에 전력을 공급하면서 배터리에 충전을 하도록 하는 단일 전원을 가지는 비상통화장치용 전원장치를 제안한다. 제안된 비상전원장치는 PFC(Power Factor Controller)가 포함된 LLC 방식의 SMPS(Switched Mode Power Supply)로 단일 출력 28V의 전원으로 비상통화장치에 전력을 공급하며, 이와 동시에 배터리를 충전하는 회로를 포함하고 있다.
- 본 논문에서는 비상통화장치의 비상전원이 정전상태에서 안정적인 전원공급과 모니터링 및 배터리의 수명 예측이 가능한 충방전 제어회로를 제안한다. 제안된 충방전 제어회로에서, 비상전원을 위한SMPS(Switched Mode Power Supply)를 설계하였다.
제안 방법
- 제안된 방식에서 충전 및 방전경로는 완전히 분리되어 있으며, SMPS와 부하의 연결에도 방전특성 모니터링을 위해 주제어 스위치로 연결하도록 하였다. 16비트 마이크로 프로세서의 충방전 제어 시퀀스 신호와 연동하여 안정적인 배터리의 충전제어가 가능한 2-레벨 비교기로 충전전류를 제한하고, 주기적으로 주제어 스위치를 차단하여 배터리의 방전특성을 모니터링하여, 배터리의 근사적인 수명예측이 가능하도록 설계하였다.
- 그림 7은 본 연구에서 제작된 제어기의 실제 모양을 나타내고 있으며, 부하는 저항부하로 대체하여 실험을 수행하였다. 그림 7에서 설계된 충방전 제어기는 SMPS의 출력전압 뿐만 아니라, 상용전원의 주파수를 같이 검출하여 상용전원의 정전상태 등이 검출될 수 있도록 설계되었다.
- 이상적인 경우에서는 동일한 방전이 발생하였으므로, Vo1과 Vocs(k)가 동일해야 하지만, 실제 배터리의 수명이 감소하여 배터리의 용량이 감소하게 되면, 동일한 방전에 의해서도 점선의 실제 SOC 특성처럼 빠르게 전압이 감소하게 된다. 따라서 두 배터리의 용량 Qbat(k)와 #의 차이로 근사적으로 배터리의 수명을 예측할 수 있으며, 배터리의 용량이 실제 용량보다 50% 이상 차이가 나서 실제 용량이 1시간의 통화부하를 견디지 못하게 되는 경우에는 배터리 교체 신호를 발생하도록 하였다. 이때 배터리의 용량 오차율은 다음과 같이 계산하였다.
- 또한 SMPS를 구성하는 LLC 파워 컨버터의 공진주파수는 100㎑로 하여 변압기의 코어는 EER4445로 하고, 코어의 단면적은 173mm2이며, 1차측과 2차측의 턴수비는 32 : 3 턴으로 설계하였다. 변압기 1차측 인덕턴스는 450μH이고, 공진을 위한 누설인덕턴스 Lleak1은 110μH로 설계하였다.
- 제안된 충방전 제어방식은 마이크로프로세서에서는 충전 및 모니터링 시퀀스 제어 신호를 발생하고, 충전 스위치의 신호는 충전 시퀀스(sequence) 신호에서 시작하여 2단 비교기에서 턴-오프되며, 턴-오프 시점에서는 충전시간이 자동적으로 프로세서에서 충전량이 연산되는 방식이다. 또한 기존의 방전회로와 달리 SMPS에서 부하에 전력을 전달하는 주제어 스위치를 사용하여 주기적으로 배터리를 방전함으로써, 배터리의 방전특성으로부터 근사적인 배터리 수명이 예측되어 모니터링될 수 있도록 설계하였다.
- 제안된 비상전원장치는 PFC(Power Factor Controller)가 포함된 LLC 방식의 SMPS(Switched Mode Power Supply)로 단일 출력 28V의 전원으로 비상통화장치에 전력을 공급하며, 이와 동시에 배터리를 충전하는 회로를 포함하고 있다. 배터리의 방전 경로는 충전경로와 별도의 회로로 설계되며, 충전상태에서 배터리의 과전류 충전과 전원의 전압 변동을 억제하기 위한 2단의 비교기 회로를 통해서 설정된 전류로 배터리가 안정적으로 충전이 가능한 회로를 제안하고 있다. 제안된 충전 및 방전회로는 2단 비교회로가 충전량과 방전량이 모니터링될 수 있도록 충전 및 모니터링 시퀀스(monitoring sequence) 제어 방식을 제안하여 적용되고 있다.
- 배터리 충방전 회로는 10A 이상의 정격을 가진 MURF1060 다이오드와 IRF9540N의 P-채널 MOSFET로 구성하였다. 배터리의 충방전 전류는 칩형 전류센서 ACS714LLCTR-05AT로 검출하며, 제안된 2단 비교회로를 통한 충전전류의 제어는 2개의 LM2903 비교기와 PIC24FV32KA304의 캡쳐 인터럽터(Capture Interrupt)를 사용하여 구현하였다.
- 본 논문에서 설계된 LLC 파워 컨버터의 출력전압의궤환은 주 스위치 QM에서의 전압강하를 고려하여, 주스위치를 지난 출력단의 전압을 검출하여 비상통화장치에 안정적인 28V 전압을 공급할 수 있도록 하였다. LLC 파워 컨버터는 배터리 충전과 동시에 부하에 전력을 공급하도록 하고 있으며, 방전회로는 상용전원이정전일 경우와 배터리의 방전특성을 점검하기 위한 경우에만 동작하여 사용하게 된다.
- 본 논문에서 제안된 배터리 충방전 회로 및 충전 모니터링 시스템의 특성을 검증하기 위하여 회로를 구성하고 실험을 수행하였다. 배터리 충방전 제어회로는 Microchip사의 16비트 프로세서인 PIC24FV32KA304로 설계하였는데, 이는 16비트 프로세서중에서 고속 12비트 ADC(Analog to Digital Converter)모듈을 내장하고 있기 때문이다.
- 본 논문에서는 12V–1200㎃H의 용량을 가진 배터리 2개를 직렬로 하여 24V 충전이 가능하도록 하였으며, 전원의 출력은 28V 정전압이 출력되도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 12V–1200㎃H의 용량을 가진 배터리 2개를 직렬로 하여 24V 충전이 가능하도록 하였으며, 전원의 출력은 28V 정전압이 출력되도록 설계하였다. 본 논문에서는 정전압의 출력을 위한 SMPS(Switched Mode Power Supply)는PFC(Power Factor Control) 기능이 포함된 LLC 파워 컨버터로 설계하였다. 그림 2는 본 논문에서 적용한 PFC 회로를 포함한 LLC 방식의 파워 컨버터를 나타내고 있다.
- 배터리의 충전은 충전과 모니터링 시퀀스에서 자동으로 이루어지고 있으나, 상용전원이 차단되었을 경우에는 배터리로부터 부하에 전력을 공급하여야 하며, 이때 배터리의 잔존용량(SOC, State of Charge)은 배터리의 사용시간을 알 수 있는 중요한 요소이므로 반드시 모니터링되어야 한다. 본 연구에서 적용한 배터리 잔존용량 예측 방식은 배터리의 개방전압으로부터 내부 저항과 방전전류를 연산하여 전압에 대한 용량 그래프로부터 잔존용량을 계산한다. 이때 전압에 대한 배터리 잔존용량의 함수 f(Vocs)는 마이크로프로세서에서 그림 5에서 보이는 바와 같이 룩-업 테이블(Look-up table)로 1V 단위로 메모리로 저장된다.
- 이때 용량 오차율이 0%이면, 배터리의 수명이 2.5년으로 하고, 50%가 되면 배터리의 수명이 0으로 되는 선형함수로 배터리의 근사적인 수명을 예측하여 모니터링하도록 설계하였다.
- 실제 배터리의 정밀한 수명의 예측은 매우 어려우나, 배터리의 잔존용량과 방전특성을 통해 근사적으로 배터리의 수명을 예측할 수 있다. 이를 위해서 본 논문에서는 정상상태에서도주기적으로 배터리의 방전특성을 검출하기 위해 그림2의 충방전 회로에서 주 스위치를 차단하여 배터리로부터 전력을 공급하여 방전특성을 검사하며, 방전상태에서 배터리로부터 방전되는 방전용량은 다음과 같이 계산된다.
- 입력단의 다이오드는 220V 상용 교류의 입력범위를 고려하여 600V–3A로 설계하였으며, 직류단 커패시터 CDC는 충방전 시간동안 변동되는 전력 에너지와 최대 입력전압 및 최소 입력전압을 고려하여 150㎌ 이상으로 다음과 같이 설계되었다.
- 그림 8은 제안된 충전 및 모니터링 시퀀스 제어 방식의 실험 결과를 보이고 있다. 제안된 방식에서 샘플링 주기는 200㎲로 설계되었으며, 1번의 충전 주기와 3번의 모니터링 주기가 한 제어 사이클(cycle)을 구성한다. 각 사이클의 신호는 마이크로프로세서의 QCON신호에서 시작되고, 충전 주기에서 충전제어 신호인Qchg가 턴-온되며, 충전전류가 양의 값으로 충전이 된다.
- 본 논문에서는 단일전원으로 배터리의 충전 및 부하전류를 공급하도록 설계된 비상전원장치에서, 배터리의 안정적인 충전과 배터리 상태 모니터링이 가능한 충방전 제어 방식과 회로를 제안하였다. 제안된 방식에서 충전 및 방전경로는 완전히 분리되어 있으며, SMPS와 부하의 연결에도 방전특성 모니터링을 위해 주제어 스위치로 연결하도록 하였다. 16비트 마이크로 프로세서의 충방전 제어 시퀀스 신호와 연동하여 안정적인 배터리의 충전제어가 가능한 2-레벨 비교기로 충전전류를 제한하고, 주기적으로 주제어 스위치를 차단하여 배터리의 방전특성을 모니터링하여, 배터리의 근사적인 수명예측이 가능하도록 설계하였다.
- 제안된 비상전원 장치를 검증하기 위하여 1200㎃H의 정격용량을 가지는 배터리를 사용하고, 28V 정격출력을 가지는 150W급의 비상전원장치를 설계하고, 부하 시험 및 배터리 충방전 실험을 통해 그 유효성을 검증하였다.
- 본 논문에서는 비상전원 장치에서 단일전원으로 통화장치에 전력을 공급하면서 배터리에 충전을 하도록 하는 단일 전원을 가지는 비상통화장치용 전원장치를 제안한다. 제안된 비상전원장치는 PFC(Power Factor Controller)가 포함된 LLC 방식의 SMPS(Switched Mode Power Supply)로 단일 출력 28V의 전원으로 비상통화장치에 전력을 공급하며, 이와 동시에 배터리를 충전하는 회로를 포함하고 있다. 배터리의 방전 경로는 충전경로와 별도의 회로로 설계되며, 충전상태에서 배터리의 과전류 충전과 전원의 전압 변동을 억제하기 위한 2단의 비교기 회로를 통해서 설정된 전류로 배터리가 안정적으로 충전이 가능한 회로를 제안하고 있다.
- 제안된 충전 및 방전회로는 2단 비교회로가 충전량과 방전량이 모니터링될 수 있도록 충전 및 모니터링 시퀀스(monitoring sequence) 제어 방식을 제안하여 적용되고 있다. 제안된 충방전 제어방식은 마이크로프로세서에서는 충전 및 모니터링 시퀀스 제어 신호를 발생하고, 충전 스위치의 신호는 충전 시퀀스(sequence) 신호에서 시작하여 2단 비교기에서 턴-오프되며, 턴-오프 시점에서는 충전시간이 자동적으로 프로세서에서 충전량이 연산되는 방식이다. 또한 기존의 방전회로와 달리 SMPS에서 부하에 전력을 전달하는 주제어 스위치를 사용하여 주기적으로 배터리를 방전함으로써, 배터리의 방전특성으로부터 근사적인 배터리 수명이 예측되어 모니터링될 수 있도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 비상통화장치의 비상전원이 정전상태에서 안정적인 전원공급과 모니터링 및 배터리의 수명 예측이 가능한 충방전 제어회로를 제안한다. 제안된 충방전 제어회로에서, 비상전원을 위한SMPS(Switched Mode Power Supply)를 설계하였다. 배터리의 충전을 위한 전원회로는 다양하게 연구되었으며, 배터리의 충전 특성에 따라 회로가 설계되고 있다[2-5].
- 배터리의 방전 경로는 충전경로와 별도의 회로로 설계되며, 충전상태에서 배터리의 과전류 충전과 전원의 전압 변동을 억제하기 위한 2단의 비교기 회로를 통해서 설정된 전류로 배터리가 안정적으로 충전이 가능한 회로를 제안하고 있다. 제안된 충전 및 방전회로는 2단 비교회로가 충전량과 방전량이 모니터링될 수 있도록 충전 및 모니터링 시퀀스(monitoring sequence) 제어 방식을 제안하여 적용되고 있다. 제안된 충방전 제어방식은 마이크로프로세서에서는 충전 및 모니터링 시퀀스 제어 신호를 발생하고, 충전 스위치의 신호는 충전 시퀀스(sequence) 신호에서 시작하여 2단 비교기에서 턴-오프되며, 턴-오프 시점에서는 충전시간이 자동적으로 프로세서에서 충전량이 연산되는 방식이다.
- 따라서 배터리의 정상상태 전압을 모니터링하기 위해서는 배터리가 충전상태가 아닌 상태에서 전압을 검출하여야 하며, 이를 위해 충전 및 모니터링 시퀀스제어가 필요하게 된다. 특히 배터리의 방전상태에 따라 충전전류는 매우 높은 전류로 충전될 수 있으며, 이로 인하여 배터리의 수명이 단축되거나, 충전회로의 소자들이 소손될 수 있으므로, 이를 위해 별도의 제안된 회로를 사용하여 충전 및 모니터링 모드와 연동하여 배터리 충전과 충전량 및 배터리 전압이 모니터링될 수 있도록 설계하였다.
- 파워 컨버터 회로에서 출력은 28V–5A의 정격출력을 가지며, 여유마진을 고려하여 150W급으로 설계하였다.
대상 데이터
- PFC 회로에서 인덕터 L1은 단면적이196mm2인 PQ3535 코어(core)로 설계하였고, 387μH의 인덕턴스를 가지도록 설계하였다.
- 배터리 충방전 회로는 10A 이상의 정격을 가진 MURF1060 다이오드와 IRF9540N의 P-채널 MOSFET로 구성하였다. 배터리의 충방전 전류는 칩형 전류센서 ACS714LLCTR-05AT로 검출하며, 제안된 2단 비교회로를 통한 충전전류의 제어는 2개의 LM2903 비교기와 PIC24FV32KA304의 캡쳐 인터럽터(Capture Interrupt)를 사용하여 구현하였다.
- 실험의 수행은 성능인증시험기관에서 이루어졌으며, 전력분석기는 요코가와사의 WT-3000으로 효율 등이 측정되었고, 실험의 파형은 요코가와사의 DL-850으로 측정되었다. 실험실의 평균온도는 25℃에서 실험이 이루어졌으며, 배터리는 ES1.
이론/모형
- 특히 배터리의 용량특성은 온도에 따라 변동하게 되므로, 20℃ 단계로 5개의 룩-업 테이블이 사용된다. 온도는 온도센서(DZ35)로 검출된 온도를 통해 전압과 온도 모두를 3-D 데이터 보간법[11]을 사용하여 잔존용량을 계산하였다.
성능/효과
- 그림 9는 부하 변동의 특성에 대한 실험 결과를 나타내고 있다. 부하는 일반적으로 사용되고 있는 통화 장치의 약 3배 정도에 해당하는 1.2A의 저항 부하에 대하여 실험을 수행하였으며, 급격한 부하 변동에 대해서 설계된 전원장치는 안정하게 동작하고 있음을 보이고 있다.
- 그림 12는 설계된 전원장치의 효율을 나타내고 있다. 전체 시스템의 효율은 부하전류가 5A인 경우에 최대 효율인 89%를 나타내고 있다.
- 제안된 시스템은 실제 부하 시험에서 운전효율 89%로 안정적인 배터리의 충방전 및 배터리 모니터링이 가능함을 보이고 있다.
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