[논문]슈퍼 커패시터 및 태양전지를 이용한 로봇청소기용 양방향 충전시스템 설계

정도; 박성욱; 권대환; 구위경; 김희제

doi:10.5370/kiee.2016.65.1.97

슈퍼 커패시터 및 태양전지를 이용한 로봇청소기용 양방향 충전시스템 설계
Design and Implementation of a Bidirectional Power Supply Charger Using Super Capacitors and Solar Panel for Robot Cleaner Applications 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.1, 2016년, pp.97 - 102

정도 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Pusan National University) , 박성욱 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Pusan National University) , 권대환 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Pusan National University) , 구위경 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Pusan National University) , 김희제 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a bidirectional power supply charger is proposed. This system used a solar cell panel to generate electricity and used super capacitors to store these energies, which can be used for the robot cleaner or some other electronic products. This system include a phase-shift controlled bidirectional dual active bridge (DAB) converter, solar panel super capacitors and DSP controller. In the daytime it can charge to the super capacitors to store the energy generated by the solar cell panel and in the night it will release the energy stored in the super capacitors to loads. A prototype of the proposed bidirectional power supply charger system was designed which can achieve 18V to 30V input, 10V/20W output to super capacitors and 9V/6.5W output when it acts as a charger for the robot cleaner. The system is verified to be sTable and reliable by both the simulation and experimental results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서 태양광 및 슈퍼커패시터를 이용한 로봇 청소기 충전용 양방향 컨버터를 설계하였다. V_ad와 V_cd사이의 위상제어를 통해 태양전지에서 생산된 에너지를 효과적으로 로봇청소기에 충전하였으며 Soft start 방식을 통한 돌입전류 제한, 정전류 제어기술 등을 적용하여 충전회로의 안정성을 확보하였다.
또한 종래의 이차전지는 완전방전의 경우 배터리의 파손이 우려되지만 슈퍼커패시터는 완전방전되어도 무방하다. 본 논문은 슈퍼 커패시터를 에너지 저장소로 활용 하여 배터리의 단점을 보완하는 목적으로 사용하였으며 양방향 DAB 컨버터의 고성능, 고효율, 전기절연성 등 장점을 적용하여 태양광 양방향 충/방전시스템을 개발하였다[7-10].

가설 설정

그림 9(a)로부터 알 수 있는바 충전전류는 2A를 안정적으로 유지한다. 그림 9(b)는 슈퍼커패시터가 10V 전완충일 때 파형이며 이때 0A의 전류임을 알 수 있다.

제안 방법

본 논문에서 태양광 및 슈퍼커패시터를 이용한 로봇 청소기 충전용 양방향 컨버터를 설계하였다. V_ad와 V_cd사이의 위상제어를 통해 태양전지에서 생산된 에너지를 효과적으로 로봇청소기에 충전하였으며 Soft start 방식을 통한 돌입전류 제한, 정전류 제어기술 등을 적용하여 충전회로의 안정성을 확보하였다. 또한 양방향 컨버터 충전시스템의 전반적인 설계방법을 이론적으로 상세히 제안하고 회로 시뮬레이션과 실제 측정파형의 비교를 통해 설계방법의 적합성을 증명하였으며 로봇 청소기에 대한 적용사례를 통해 본 연구방법으로 기타 다양한 가전제품에 대한 적용가능성을 보여주었다.
본 논문에서DSP (TMS320F28335)를 사용하여 컨트롤러를 구현하였다. 그림 5는 제어 블록 다이어그램을 나타낸다.
양방향 컨버터 전원시스템의 안정성을 검증하기 위하여 상술한 설계방법으로 그림 7과 같이 전원시스템 시제품을 구성하였다.
동작 순서는 일조량이 많을 때 슈퍼 커패시터에 충전하여 에너지를 저장하였다가 로봇청소기에 충전 필요 시 양방향 컨버터는 역방향으로 동작하여 슈퍼 커패시터로 부터 에너지를 공급한다. 전반 제어과정은 DSP 컨트롤러를 사용하였으며 PI제어기법을 적용하여 정전류 제어를 구현하였다.

성능/효과

V_ad와 V_cd사이의 위상제어를 통해 태양전지에서 생산된 에너지를 효과적으로 로봇청소기에 충전하였으며 Soft start 방식을 통한 돌입전류 제한, 정전류 제어기술 등을 적용하여 충전회로의 안정성을 확보하였다. 또한 양방향 컨버터 충전시스템의 전반적인 설계방법을 이론적으로 상세히 제안하고 회로 시뮬레이션과 실제 측정파형의 비교를 통해 설계방법의 적합성을 증명하였으며 로봇 청소기에 대한 적용사례를 통해 본 연구방법으로 기타 다양한 가전제품에 대한 적용가능성을 보여주었다.
신호 4는 출력 전압 9V 즉 로봇청소기의 충전 전압이다. 실측 파형과의 비교를 통해 설계된 시뮬레이션과 일치함을 알 수 있고 설계의 정확성을 증명하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광 발전 시스템의 단점은 무엇인가?	태양에너지를 주택용 전기 대체 에너지로 적용한 사례는 이미 보편화 되었으며 태양광 발전을 가전제품에 대한 다양한 적용이 지속적으로 연구 개발되고 있다. 그러나 태양광 발전 시스템에 있어서 에너지 저장소인 2차 전지는 메모리 효과로 인한 수명단축 및 긴 충전시간 등 단점이 있으며 가전제품에 대한 적용에 있어서 효율성 및 편이성 향상을 위해 아직 많은 개선이 필요하다[1, 2].
	슈퍼 커패시터의 장점은 무엇인가?	슈퍼 커패시터는 기존에 사용되고 있는 2차전지에 비해 내구성이 좋고 내부 저항이 작으며 효율이 높고 에너지 밀도가 큰 장점을 가지고 있다. 슈퍼커패시터 충전전류는 2차전지의 10배 이상 높으므로 충전시간을 대폭 단축시킬 수 있다[3-6]. 경제적인 면에서 볼 때 유지보수 비용도 효과적으로 절감할 수 있다. 특히 태양광 발전시스템의 경우 충전/방전과정이 거듭 반복됨으로 수명이 긴 에너지저장소가 필요하다.
	양방향 DAB 컨버터의 토폴로지는 무엇으로 구성되어 있는가?	그림 2는 양방향 DAB 컨버터의 토폴로지이다. 절연 변압기 및 누설 인덕터에 두 개의 브리지회로로 구성되었다. 좌측의 브리지회로는 대양전지와 연결하고 우측의 프리지회로는 슈퍼커패 시터에 연결한다.

참고문헌 (9)

D. G. Kim, K. Y. Jeon, S. C. Lee, et al. Energy Saving Technique of Refrigeration Warehouse Cold Water Pump Using Photovoltaic Generation[J]. Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, 19(6): 92-99, 2005.

원문보기 상세보기
D. H. Jung, J. S. Choi, J. S. Ko. Development of Tracking Method and MPPT Controller of Photovoltaic System[J]. Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, 21(8): 54-63, 2007.
B. E. Conway, Electrochemical supercapacitors: scientific fundamentals and technological applications: Springer Science & Business Media, 2013.
D. Linzen, S. Buller, E. Karden, and R. W. De Doncker, "Analysis and evaluation of charge-balancing circuits on performance, reliability, and lifetime of supercapacitor systems," Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 41, pp. 1135-1141, 2005.

상세보기
L. Sun and N. Zhang, "Design, implementation and characterization of a novel bi-directional energy conversion system on DC motor drive using supercapacitors," Applied Energy, 2014.
H. Zhao, Q. Wu, S. Hu, H. Xu, and C. N. Rasmussen, "Review of energy storage system for wind power integration support," Applied Energy, vol. 137, pp. 545-553, 2015.

상세보기
K. Vangen, T. Melaa, A. K. Dnanes, and P. E. Kristiansen, "Dual active bridge converter with large soft-switching range," in Power Electronics and Applications, 1993., Fifth European Conference on, 1993, pp. 328-333.
F. Krismer, J. Biela, and J. Kolar, "A comparative evaluation of isolated bi-directional DC/DC converters with wide input and output voltage range," in Industry Applications Conference, 2005. Fourtieth IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2005, 2005, pp. 599-606.
L. Corradini, D. Seltzer, D. Bloomquist, R. Zane, D. Maksimovic, and B. Jacobson, "Minimum current operation of bidirectional dual-bridge series resonant DC/DC converters," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 27, pp. 3266-3276, 2012.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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