[논문]3상 AC-DC 승압형 컨버터를 이용한 SOC 추정 기반의 효율적 배터리 충전 알고리즘

이정효; 원충연

doi:10.5207/jieie.2015.29.9.096

3상 AC-DC 승압형 컨버터를 이용한 SOC 추정 기반의 효율적 배터리 충전 알고리즘
An Efficient Battery Charging Algorithm based on State-of-Charge Estimation using 3-Phase AC-DC Boost Converter 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.29 no.9, 2015년, pp.96 - 102

이정효 (LG Innotek) , 원충연 (Electrical and Engineering at Sungkyunkwan Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents battery charging method using 3-phase AC-DC boost converter. General battery charging method is that charging the battery voltage to the reference voltage according to the constant current(CC) control, when it reaches the reference voltage, charging the battery fully according to the constant voltage(CV) control. However, battery chaging time is increased because of the battery impedance, constant current charging section which shoud take the large amount of charge is narrow, and constant voltage charging section which can generate insufficient charge is widen. To improve this problem, we proposes the method to reduce the charging time according to the SOC(State of Charge) estimation using battery impedance.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 실시간 SOC 추정에 적합한 알고리즘을 제안한다. 이 방법은 기존의 복잡한 연산을 단순화 하였으며 또한 정확성도 고려하였다.
본 논문은 3상 AC-DC 승압형 컨버터를 사용하여 빠른 배터리 충전을 위해 새로운 SOC 추정방법을 이용한정전류-정전압제어방법에대해제안하였다. 기존의 복잡한 고주파 주입 기반의 SOC 추정 방법을, 응답 전압의 크기에 대한 임피던스 차이를 추출하여 배터리 내부 저항을 추출하였으며, 일반적인 3상 AC-DC 승압형 컨버터의 벡터제어 방법을 배터리 충전 방식에 맞게 변형하여 배터리를 충전하였다.
특히 대용량 배터리를 사용하는 응용분야가 늘어나면서 3상 계통을 입력으로 하여 배터리를 충전하는 방식이 늘고 있다. 본 논문은 그림 1과 같이 3상 AC-DC 승압형 컨버터의 토폴로지를 이용한 배터리 충전 방법을 제안한다. 3상 AC-DC 승압형 컨버터는 계통입력인 AC를 별도의 정류회로 없이 6개의 스위치를 이용하여 승압된 DC전압을 출력할 수 있다.
이러한 충전 방법의 단점을 보완하기 위해 본 논문은 배터리의 SOC(State of Charge)를 이용한 충전 방법을 제안하였다. SOC를 이용한 개선된 CC-CV제어는 SOC를 계산하여 CC 제어 방식에서 CV 제어 방식으로 전환되는 시간을 결정하기 때문에 CC 제어에 의한 충전시간은 길게 유지할 수 있고 CV 제어에 의한 충전 구간은 상대적으로 줄어들어 전체 충전시간을 감소시킨다.

가설 설정

배터리의 SOC와 OCV는 그 크기가 매우 유사하다. 따라서 본 논문은 OCV와 SOC가 같다고 가정한다[2]. 이러한 가정을 기반으로 배터리의 SOC를 측정하기 위해서는 배터리 내부 직렬저항과 R_ctC_dl를 측정하여야 함을 알 수 있다.

제안 방법

본 논문은 3상 AC-DC 승압형 컨버터를 사용하여 빠른 배터리 충전을 위해 새로운 SOC 추정방법을 이용한정전류-정전압제어방법에대해제안하였다. 기존의 복잡한 고주파 주입 기반의 SOC 추정 방법을, 응답 전압의 크기에 대한 임피던스 차이를 추출하여 배터리 내부 저항을 추출하였으며, 일반적인 3상 AC-DC 승압형 컨버터의 벡터제어 방법을 배터리 충전 방식에 맞게 변형하여 배터리를 충전하였다. 제안된 방법은 기존의 전류적산법과 실험을 통해 비교하였으며, 기존의 방법에 비해 배터리 충전시간을 단축 시킬 수 있음을 증명하였다.
그림 9는 배터리 SOC를 추정한 실험 파형이다. 배터리 SOC의 실시간 추정을 위해, 컨버터 출력 전류에 고주파를 주입하여 이에 대한 배터리 전압응답을 측정하였다. 배터리의 분극 저항을 측정하기 위해 3상 AC-DC 승압형 컨버터의 출력 전류 주파수는 10mHz 에서 100mHz로 가변하였고 크기는 3Apk이다.
본 논문에서 제안하는 SOC 추정방법은 복잡하고 가격이 비싼 기존의 스펙트럼 분석을 사용하지 않고, 그 크기만을 이용하여 SOC를 추정한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 방법은 SOC를 기반으로 정전류-정전압 제어 구간을 구별하도록 하였다. 주의해야 할 것은 충전 중의 SOC 전압이 100%에 도달할 경우 배터리 파괴의 위험이 있으므로 정전류 제어는 정전압 제어를 통해 배터리의 전압이 공칭값을 넘지 않도록 해야한다.
제안된 SOC 추정 방법을 설명하기 위해 먼저 그림 2의 테브넌 배터리 등가모델에 대해 분석한다. 테브넌 모델에 대한 전압 방정식은 다음과 같이 표현된다.

대상 데이터

그림 8은 본 논문에서 사용된 10kW급 3상 AC-DC 승압형 컨버터의 실험 세트 사진이다. 제안된 알고리즘의 검증을 위해 28개의 공칭전압 12V의 배터리를 직렬연결하여 364V의 배터리를 충전하였다.
그림 8은 본 논문에서 사용된 10kW급 3상 AC-DC 승압형 컨버터의 실험 세트 사진이다. 제안된 알고리즘의 검증을 위해 28개의 공칭전압 12V의 배터리를 직렬연결하여 364V의 배터리를 충전하였다. 표 1은 실험에 사용된 배터리 사양이며, 표 2는 제어에 사용된 컨버터 사양을 나타내었다.

데이터처리

이 방법은 기존의 복잡한 연산을 단순화 하였으며 또한 정확성도 고려하였다. 제안된 방법은 실험을 통해 기존의 전류적산법과 비교하여 그 타당성을 검증하였다.
제안된 추정 방법을 검증하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 SOC 추정 방법인 전류적산법으로 추정된 SOC(VColoumb )와 비교하였다.

이론/모형

SOC 추정 방법의 경우 여러 가지 방법이 연구되었는데 본 논문은 이 중 배터리 모델을 이용한 SOC 추정방법을 이용한다[3-6]. 배터리 모델을 표현하는 방식 또한 여러 가지 방법이 있으나 분극현상과 직렬 임피던스 성분을 등가적으로 표현한 테브넌 등가 모델을 사용하였다.
SOC 추정 방법의 경우 여러 가지 방법이 연구되었는데 본 논문은 이 중 배터리 모델을 이용한 SOC 추정방법을 이용한다[3-6]. 배터리 모델을 표현하는 방식 또한 여러 가지 방법이 있으나 분극현상과 직렬 임피던스 성분을 등가적으로 표현한 테브넌 등가 모델을 사용하였다. 그림 2는 이러한 테브넌 등가 배터리 모델을 나타내었다.

성능/효과

본 논문은 그림 1과 같이 3상 AC-DC 승압형 컨버터의 토폴로지를 이용한 배터리 충전 방법을 제안한다. 3상 AC-DC 승압형 컨버터는 계통입력인 AC를 별도의 정류회로 없이 6개의 스위치를 이용하여 승압된 DC전압을 출력할 수 있다. 또한 양방향 스위치를 사용하므로 계통전류의 위상을 제어할 수 있어 PFC(Power Factor Correction) 제어가 가능하다.
그림 9의 (a)를 살펴보면 배터리의 고주파 전류에 따른 전압 변동을 알 수 있다. 또한 고주파 응답에 대한 전압, 전류 실효치가 잘 추출되는 것을 알 수 있다. 한편 그림 9의 (b)를 살펴보면 고주파 전류 주입에 따른 추정 SOC( V_{Prop _ Estimate} )를 도시하였다.
그러나 이러한 경우 온도나 기타 여러 가지 파라미터 변동 성분에 대한 오차를 반영하지 못해 누적오차가 발생됨을 알 수 있다. 또한, 전류적산법에 의해 추정된 SOC의 경우 단자전압과 비슷하여 정전류 제어 구간을 크게 늘리지 못하는 것을 알 수 있다. 하지만 제안된 방법으로 SOC를 추정하는 경우 기존 전류적산법보다 보다 더 정확한 SOC가 추정되는 것을 알 수 있으며 이로써 기존의 방법보다 빠른 배터리 충전이 가능함을 알 수 있다.
기존의 복잡한 고주파 주입 기반의 SOC 추정 방법을, 응답 전압의 크기에 대한 임피던스 차이를 추출하여 배터리 내부 저항을 추출하였으며, 일반적인 3상 AC-DC 승압형 컨버터의 벡터제어 방법을 배터리 충전 방식에 맞게 변형하여 배터리를 충전하였다. 제안된 방법은 기존의 전류적산법과 실험을 통해 비교하였으며, 기존의 방법에 비해 배터리 충전시간을 단축 시킬 수 있음을 증명하였다.
표 3은 충전완료 후 OCV에 대한 추정전압 오차를 나타내었다. 제안된 방법을 적용하였을 때, 단자전압 오차가 기존 전류적산법을 사용하였을 때보다 작음을 알수 있다.
또한, 전류적산법에 의해 추정된 SOC의 경우 단자전압과 비슷하여 정전류 제어 구간을 크게 늘리지 못하는 것을 알 수 있다. 하지만 제안된 방법으로 SOC를 추정하는 경우 기존 전류적산법보다 보다 더 정확한 SOC가 추정되는 것을 알 수 있으며 이로써 기존의 방법보다 빠른 배터리 충전이 가능함을 알 수 있다. 표 3은 충전완료 후 OCV에 대한 추정전압 오차를 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3상 AC-DC 승압형 컨버터의 특징은?	본 논문은 그림 1과 같이 3상 AC-DC 승압형 컨버터의 토폴로지를 이용한 배터리 충전 방법을 제안한다. 3상 AC-DC 승압형 컨버터는 계통입력인 AC를 별도의 정류회로 없이 6개의 스위치를 이용하여 승압된 DC전압을 출력할 수 있다. 또한 양방향 스위치를 사용하므로 계통전류의 위상을 제어할 수 있어 PFC(Power Factor Correction) 제어가 가능하다.
	CC-CV충전방식의 단점은?	일반적인 CC-CV충전방식은 CC충전에서 CV충전으로의 전환 시 배터리의 단자전압을 센싱하여 충전모드를 전환하게 된다. 그러나 이러한 단자전압을 이용하여 충전을 하게 되면 CV충전시간이 길어지게 되므로 전체적인 충전시간이 증가하는 단점이 있다. 또한 기존의 CC-CV를 이용하여 빠른 충전을 하게 될 경우, 큰 전류로 CC 충전을 해야 한다. 그러나 큰 CC 전류는 배터리의 내부 임피던스 특성에 의해 SOC에 비해 단자전압을 크게 만들고 결국 CC 제어구간은 짧아지고 CV 제어구간이 길어지게 되므로 충전시간 단축이 사실상 어렵다.
	가장 일반적으로 사용되고 있는 배터리 충전 방법은?	한편, 배터리의 안정적이고 효율적인 이용을 위해 배터리의 충전 방식 또한 여러 가지 방법으로 연구되어 왔다. 이러한 방법 중, 가장 일반적으로 사용되고 있는 배터리 충전 방법은 정전류-정전압(Constant Current- Constant Voltage : CC-CV) 제어 방법이다. 일반적인 CC-CV충전방식은 CC충전에서 CV충전으로의 전환 시 배터리의 단자전압을 센싱하여 충전모드를 전환하게 된다.

참고문헌 (8)

Tetsuro Okoshi, Keizo Yamada, Tokiyoshi Hirasawa and Akihiko Emori, "Battery condition moniroing (BCM) technologies about lead-acid batteries," J. Power of Source, Vol. 158, No. 2, pp. 874-878, Aug. 2006.

상세보기
Novie Ayub Windarko and Jaeho Choi, "SOC Estimation Based on OCV for NiMH Batteries Using an Improved Takacs Model," Journal of Power Electronics, Vol. 10, No. 2, pp. 181-186, Mar. 2010.

원문보기 상세보기
Lalit P. Mandal and Robert W. Cox, "A Transient-Based Approach to Estimation of the Electrical Parameters of a Lead-Acid Battery Model," Energy Conversion and Exposition (ECCE), pp. 181-186, Mar. 2010.
Stephan Buller, Marc Thele and Rik W. A. A De Doncker, "Impedance-Based Simulation Models of Supercapacitors and Li-Ion Batteries for Power Electronic Applications,"IEEE Trans. Ind. Appl,. Bol. 41, No. 3, pp. 742-747, May/Jun. 2005.

상세보기
Dinh Vinh Do, Christophe Forgez, Khadija El Kadri Benkara and Guy Friedrich, "Impedance Observer for a Li-ion Battery Using Kalman Filter," IEEE Trans. on Vehicular Technology, Vol. 58, No. 8, pp. 3930-3937, Sep. 2009.

상세보기
Stephan Buller, Marc Thele, Eckhard Karden and Rik W. De Doncker, "Impedance-based non-linear dynamic battery modeling for automotive application," J. Power Source, Vol. 113, No. 2, pp. 422-430, Jan. 2003.

상세보기
Martin Coleman, William Gerard Hurley and Chin Kwan Lee, "An Improved Battery Characterization Method Using a Two-Pulse Load Test," IEEE Trans. Energy Conversion, Vol. 23, No. 2, pp. 708-713, Apr. 2008.

상세보기
Jin-Ho Park, Kyung-Min Kim, Jung-Hyo Lee and Chung-Yuen Won, "Reduction of DC-Link Voltage Ripple of Three-phase AC/DC Converter for Uninterruptible Power Supply by Applying Fuel Cell", Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 24, No. 6, pp. 43-51, June 2010.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증