In the conventional E-bike, a 42 V/10 A Li-ion battery drives a 24 V/10 A BLDC motor via a 6-switch PWM DC/AC inverter. The major problems of the conventional battery-fed motor drive systems are listed as follows. To charge the battery, an external battery charger (adapter) is required, which degrad...
In the conventional E-bike, a 42 V/10 A Li-ion battery drives a 24 V/10 A BLDC motor via a 6-switch PWM DC/AC inverter. The major problems of the conventional battery-fed motor drive systems are listed as follows. To charge the battery, an external battery charger (adapter) is required, which degrades the portability of E-bike users. In addition, given the high-frequency operation of the motor drive inverter, the switching losses are significant, which degrades the whole power efficiency. High-voltage batteries (42 V) require a complex battery management system (BMS), which degrades the reliability of the battery pack. In this paper, an embedded boost-converter battery charger for E-bikes is proposed. The variable output boost converter, which converts 16.8 V battery voltage to the required variable voltage of the inverter input, can use a low-voltage battery and thus improve the reliability of batteries. By varying the inverter input voltage via boost converter, a DC link voltage control method can be applied to reduce the switching frequency of the inverter, which improves the whole power efficiency. Given that the function of a flyback charger is integrated in the proposed boost converter, the portability of the E-bike user can be maximized by excluding an external adapter. The validity of the proposed circuit will be confirmed by operation mode analysis and simulation. Moreover, experimental results of integrative charger using Li-ion battery and 200 W motor test will be showed with a prototype sample as well.
In the conventional E-bike, a 42 V/10 A Li-ion battery drives a 24 V/10 A BLDC motor via a 6-switch PWM DC/AC inverter. The major problems of the conventional battery-fed motor drive systems are listed as follows. To charge the battery, an external battery charger (adapter) is required, which degrades the portability of E-bike users. In addition, given the high-frequency operation of the motor drive inverter, the switching losses are significant, which degrades the whole power efficiency. High-voltage batteries (42 V) require a complex battery management system (BMS), which degrades the reliability of the battery pack. In this paper, an embedded boost-converter battery charger for E-bikes is proposed. The variable output boost converter, which converts 16.8 V battery voltage to the required variable voltage of the inverter input, can use a low-voltage battery and thus improve the reliability of batteries. By varying the inverter input voltage via boost converter, a DC link voltage control method can be applied to reduce the switching frequency of the inverter, which improves the whole power efficiency. Given that the function of a flyback charger is integrated in the proposed boost converter, the portability of the E-bike user can be maximized by excluding an external adapter. The validity of the proposed circuit will be confirmed by operation mode analysis and simulation. Moreover, experimental results of integrative charger using Li-ion battery and 200 W motor test will be showed with a prototype sample as well.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문은 E-bike 응용을 위한 충전 기능 내장형 부스트 컨버터를 제안하고, 200W급 시작품을 통하여 제안 회로의 타당성을 검증한다. 기존은 외장형 충전기를 휴대하기 위해서 구매가 필수적이라는 단점이 있다.
본 논문은 전기자전거 응용을 위한 배터리 충전 기능 내장형 부스트 컨버터의 충전, 방전 모드의 동작 원리, 제어 특성과 주요 기능의 특징에 대하여 설명한다. 마지막으로 이론적 분석의 타당성과 제안회로 효과를 실험 결과를 통해 증명한다[1-2].
가설 설정
1) 기존 E-bike는 배터리 충전을 위하여 별도의 외장형 충전기가 필요하다. 반면 제안은 통합형 회로에 내장된 충전 회로를 통하여 가능하다.
제안 방법
제안 회로는 충전, 방전 기능을 통합하면서 배터리 부피 절감 방안 및 기능적 손실이 없는 충전 기능 내장형 부스트 컨버터를 제안한다. 배터리 충전 시, 60W급 절연형 플라이백 컨버터를 이용하여 그 기능을 수행한다.
본 논문에서는 제안된 배터리 충전 기능 내장형 부스트 컨버터 통합형 회로를 검증하기 위해 표 1의 조건하에서 200W급 저항과 모터 부하의 PSIM 모의실험과 시작품 실험을 수행하였다. 이를 통해 제안한 회로의 우수성을 검증하였다.
제안 회로는 충전, 방전 기능을 통합하면서 배터리 부피 절감 방안 및 기능적 손실이 없는 충전 기능 내장형 부스트 컨버터를 제안한다. 배터리 충전 시, 60W급 절연형 플라이백 컨버터를 이용하여 그 기능을 수행한다.
제안된 컨버터의 타당성을 검증하기 위하여 60W 급충전 회로와 부스트 컨버터에 200W 급 저항 부하 및 모터 연동 실험을 수행하였다. 5F super capacitor로 충전 기능 실험과 부스트의 출력 전압 변화 즉, 속도 변화를 제어하는 실험이다.
이는 기존 E-bike의 부피와 무게를 크게 하며 휴대하기가 불편하고 제품 단가 상승의 원인이 된다. 제안은 배터리 전압은 낮고 모터를 구동하는 전압은 크게 하는 승압형(boost) 컨버터를 통하여 배터리 셀의 직렬연결 개수를 감소시킨다. 모터의 속도 제어는 Throttle 회전을 통하여 가능하게 하였다.
이는 승압형 컨버터 사용으로 입력 전압이 출력 전압보다 작아지므로, 배터리 셀의 직렬연결 개수의 감소가 가능하다. 제안은 별도의 외장형 충전기가 불필요하여 휴대성이 극대화된다. 또한 부스트 컨.
이때 출력에 흐르는 전류는 점차 감소되어 Cut-off 전류에 이르게 된다. 제안회로는 3.5A CC로 16.8V CV로 충전하도록 설계하였다.
대상 데이터
그림 9는 팩 안에 장착되는 One-board PBA(Printed Board Assembly)이다. PBA의 사이즈는 가로 14.9cm, 세로 9cm, 높이 3.6cm이다.
그림 8은 기존 E-bike의 배터리 팩과 외장형 충전기, 제안회로가 적용된 배터리팩을 비교한다. 제안 배터리 팩은 전원 케이블을 내장한 충전 겸용 부스트 컨버터, 모터 드라이버와 배터리를 포함한다. 이는 휴대성 극대화뿐만 아니라 무게와 부피를 감소시킨다.
성능/효과
2) 기존 모터는 강압형(buck) 방식으로 구동하여, 모터 정격전압(24V)보다 배터리 전압(36V)을 높게 설정해야한다. 이는 배터리 셀의 직렬연결 개수가 많아져, 배터리의 부피와 무게를 증가시킨다.
3) 부스트 컨버터 초기 동작 시, 출력단의 큰 캐패시터가 0V라면 입력 단에서 큰 inrush 전류가 발생한다. 이것은 소자와 인덕터에 파손을 일으킨다.
모의실험과 실험 결과파형을 통해 제안된 충전 기능 내장형 부스트 컨버터의 동작을 확인하였다. CCCV로 배터리 충전이 가능함을 확인하고 Vthrottle 전압의 변화에 따라서 모터 구동 시 가변 속도가 가능함을 보았다.
모의실험과 실험 결과파형을 통해 제안된 충전 기능 내장형 부스트 컨버터의 동작을 확인하였다. CCCV로 배터리 충전이 가능함을 확인하고 Vthrottle 전압의 변화에 따라서 모터 구동 시 가변 속도가 가능함을 보았다.
참고문헌 (8)
J. Weinert, C. Ma, and C. Cherry, "The transition to elctric bikes in china : history and key reasons for rapid growth," Journal of Transportation, Vol. 34, Issue 3, pp. 301-318, May 2007.
T. C. Jeong, C. S. Jin, S. J. Kim, J. H. Han, and J. Lee "A study on high performance through improvement of PWM commutation method for E-bike BLDC motor," The Korean Institute of Electrical Engineers, pp. 71-73, Nov. 2012.
Y. M. Lee, B. S. Kim, and C. W. Roh. "Boosting two-way about battery charge and discharge circuit," Power Electronics Annual Conference, pp. 423-424, Jul. 2014.
C. C. Hua and M. Y. Lin. "A study of charging control of lead-acid battery for electric vehicles," IEEE Trans. Industrial Electron, Vol. 1, pp. 135-140, 2000.
S. S. Park, J. H. Kim, and K. B. Leee, "Performance improve of transient state in CC-CV mode change for PV battery chargers," Power Electronics Annual Conference, pp. 206-207, Jul. 2013.
C. Sreekumar and V. Agarwl. "A hybrid control algorithm for voltage regulation in DC-DC boost converter," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 55, No. 6, pp. 2530-2538, June 2008.
J. M. Um, T. E. Kim, J. H. Kim, and B. K. Lee, "Modeling of variable DC link inverter for high efficient motor drives," Power Electronics Annual Conference, pp. 237-239, Oct. 2008.
S. H. Lee, S. G. Kang, P. Awasthim J. G. Hwang, S. Y. Lee, H. B. Wi, and S. J. Park. "Variable output and paralle operation control of EV charger," The Transactions of Korean Institute of Power Electronics, Vol. 18, No. 2, pp. 153-160, Apr. 2013.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.