[논문]LLC 공진형 컨버터 기반 리튬이온 배터리 충전기의 통합 전류-전압 보상기 설계방법 연구

최영준; 최시영; 김래영

doi:10.6113/tkpe.2017.22.2.126

[국내논문] LLC 공진형 컨버터 기반 리튬이온 배터리 충전기의 통합 전류-전압 보상기 설계방법 연구
Design of an Integrated Current-Voltage Charging Compensator for the LLC Resonant Converter-Based Li-ion Battery Charger 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.2, 2017년, pp.126 - 133

최영준 (Dept. of Electrical Eng., HYPEC-EECS lab., Hanyang University) , 최시영 (Dept. of Electrical Eng., HYPEC-EECS lab., Hanyang University) , 김래영 (Dept. of Electrical Eng., HYPEC-EECS lab., Hanyang University)

Abstract ▼ AI-Helper

The conventional battery charger requires two separate voltage and current compensators to achieve constant current and constant-current-charging profile. This compensator configuration leads to an inevitable transient response during the mode change between the constant current and the constant voltage operation. Futhermore, a tedious and complicated design process is required to consider a widely changing battery voltage and the nonlinear electrical properties of Li-ion battery. This study proposes a single integrated voltage-current compensator of the LLC resonant converter for Li-ion battery charger applications to overcome the aforementioned drawbacks. The proposed compensator is designed to provide a smooth and reliable performance during the entire charging process while providing the reduced design efforts and seamless mode transient response. Several experimental results based on a 300 W prototype converter and its theoretical analysis are provided to verify the effectiveness of the proposed compensator.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서는 LLC 공진형 컨버터 기반 배터리 충전기의 통합 전류-전압 보상기를 제안하고 그에 대한 설계방법을 제시하였다. 제안한 보상기는 정전류, 정전압 충전을 하나의 보상기로 수행하여 충전 모드 변환시의 과도상태를 제거할 수 있다.
본 논문은 앞서 언급한 문제점 해결을 위하여 LLC 공진형 컨버터를 기반으로 배터리 충전기의 통합 전압 전류 보상기를 제안하고 그 설계법을 제시하였다. 제안한 보상기의 설계는 확장기술함수 (Extended Describing Function)와 배터리팩의 등가 저항 모델을 활용한 LLC 공진형 컨버터의 모델을 기반으로 얻어진 두 충전모드의 전달함수를 통합하여 진행하였다.

제안 방법

그림 7을 통해 알 수 있듯이 정전류 충전과 정전압 충전의 충전모드 변환점 D가 가장 낮은 주파수의 극점을 가지며 교차 주파수 부근의 위상여유가 가장 낮다. 따라서 이 지점을 설계 최악 점으로 판단하고 보상기 설계를 진행하였다. 보상기는 정상상태 오차를 줄이기 위한 적분기와, 고 주파수 공진을 감쇄시키기 위한 두 개의 극점 그리고 저주파수 극점의 효과를 상쇄시키기 위한 영점을 포함하도록 했으며, 식 (22)와 같다.
실험시 LLC 공진형 컨버터의 스위칭 IC는 FSFR2100, DSP는 Cortex-M3를 사용하였으며, 세부 회로 파라미터는 설계예제의 표 1과 같다. 보상동작 수행시, DSP는 제안된 보상기의 연산동작과 출력 주파수 지령 생성을 담당하며, 이를 전압값으로 변환하여 스위칭 IC의 스위칭 주파수를 가변한다.
뿐만 아니라, 배터리의 등가저항 모델을 기반으로 전체 충전 구간내의 안정도를 비교, 가장 안정도가 낮은 지점에서 보상기를 설계하여 전 구간에서의 안정적인 동작을 보장한다. 제안방식은 300W급 LLC 공진형 컨버터 기반 배터리 충전기 시작품과 리튬이온 배터리팩을 이용하여 그 유효성을 검증하였다.
본 논문에서는 LLC 공진형 컨버터 기반 배터리 충전기의 통합 전류-전압 보상기를 제안하고 그에 대한 설계방법을 제시하였다. 제안한 보상기는 정전류, 정전압 충전을 하나의 보상기로 수행하여 충전 모드 변환시의 과도상태를 제거할 수 있다. 뿐만 아니라, 배터리의 등가저항 모델을 기반으로 전체 충전 구간내의 안정도를 비교, 가장 안정도가 낮은 지점에서 보상기를 설계하여 전 구간에서의 안정적인 동작을 보장한다.
본 논문은 앞서 언급한 문제점 해결을 위하여 LLC 공진형 컨버터를 기반으로 배터리 충전기의 통합 전압 전류 보상기를 제안하고 그 설계법을 제시하였다. 제안한 보상기의 설계는 확장기술함수 (Extended Describing Function)와 배터리팩의 등가 저항 모델을 활용한 LLC 공진형 컨버터의 모델을 기반으로 얻어진 두 충전모드의 전달함수를 통합하여 진행하였다. 따라서 보상기 설계절차를 간단하게 할 수 있으며, 추가 회로 없이 모드전환시의 과도상태를 제거할 수 있다.

대상 데이터

표 1은 본 논문에서 설계 예시로 든 LLC 공진형 컨버터 기반 배터리 충전기의 회로 파라미터를 나타낸다. 배터리 셀은 10 직렬, 4 병렬로 구성된 리튬 이온 배터리팩을 기준으로 전체 회로 파라미터는 설계되었으며, 정전류 모드의 전류지령 I_ref는 7A, 정전압 모드의 전압지령 V_ref는 42V로 선정하였다. 본 설계 예제에서 설계한 보상기의 교차 주파수 (Crossover frequency)는 100Hz 부근으로 선정하였다.
본 논문에서는 총 일곱 개의 지점에서의 Io , vt를 고려하여 Req를 선정하였다.
배터리 셀은 10 직렬, 4 병렬로 구성된 리튬 이온 배터리팩을 기준으로 전체 회로 파라미터는 설계되었으며, 정전류 모드의 전류지령 I_ref는 7A, 정전압 모드의 전압지령 V_ref는 42V로 선정하였다. 본 설계 예제에서 설계한 보상기의 교차 주파수 (Crossover frequency)는 100Hz 부근으로 선정하였다.
실험시 LLC 공진형 컨버터의 스위칭 IC는 FSFR2100, DSP는 Cortex-M3를 사용하였으며, 세부 회로 파라미터는 설계예제의 표 1과 같다.
제안한 보상기의 유효성을 검증하기 위해 그림 9의 300W급의 LLC 공진형 컨버터 기반 배터리 충전기와 리튬이온 배터리팩으로 실험을 진행하였다. 실험시 LLC 공진형 컨버터의 스위칭 IC는 FSFR2100, DSP는 Cortex-M3를 사용하였으며, 세부 회로 파라미터는 설계예제의 표 1과 같다.

이론/모형

계산된 Req를 적용하여 LLC 공진형 컨버터의 전압이득 곡선을 기본파 근사법(FHA : Fundamental Harmonic Approximation)을 기반으로 그릴 수 있으며 이는 그림 6과 같다[20]∼[24].
출력전압과 출력전류에 대한 비선형 상태방정식은 키르히호프의 전류 법칙(KCL : Kirchhoff’s current law)을 출력 커패시터 노드에 적용하여 식 (7), (8)과 같이 구할 수 있다.

성능/효과

본 방식은 배터리팩의 전압이 만충 전압보다 낮을 경우 충전기를 배터리의 정격전류의 정전류원으로 동작시켜 과전류 충전을 방지 할 수 있으며 만충 전압 도달 시 충전기를 정전압원으로 동작시킴으로써 과전압 충전을 방지함과 동시에 배터리의 SOC(State of Charge)를 100%까지 충전을 보장할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나 충전 진행시 충전 전류, 충전 전압이 넓은 변동범위를 가지기 때문에 보상기 설계를 위한 배터리의 모델 선정 및 설계 최악조건의 선정이 어렵고, 일반적으로 분리된 전압, 전류 보상기를 각각 채택하고 있기 때문에 모드전환 시 과도상태가 존재한다는 단점이 있다.
실험파형을 통하여 확인할 수 있듯이 제안된 보상기는 넓은 출력전압 범위 변동을 가지는 정전류 충전 구간동안 발진 현상이나 과도상태 없이 출력 전류를 일정하게 유지 하였으며, 정전압 충전구간 동안에도 출력 전압을 안정적으로 일정하게 제어하였다. 뿐만 아니라 기존 방식과 달리 정전류, 정전압 모드 변환시 과도상태 없는 모드변환을 달성하였다.
제안한 보상기는 정전류, 정전압 충전을 하나의 보상기로 수행하여 충전 모드 변환시의 과도상태를 제거할 수 있다. 뿐만 아니라, 배터리의 등가저항 모델을 기반으로 전체 충전 구간내의 안정도를 비교, 가장 안정도가 낮은 지점에서 보상기를 설계하여 전 구간에서의 안정적인 동작을 보장한다. 제안방식은 300W급 LLC 공진형 컨버터 기반 배터리 충전기 시작품과 리튬이온 배터리팩을 이용하여 그 유효성을 검증하였다.
실험파형을 통하여 확인할 수 있듯이 제안된 보상기는 넓은 출력전압 범위 변동을 가지는 정전류 충전 구간동안 발진 현상이나 과도상태 없이 출력 전류를 일정하게 유지 하였으며, 정전압 충전구간 동안에도 출력 전압을 안정적으로 일정하게 제어하였다. 뿐만 아니라 기존 방식과 달리 정전류, 정전압 모드 변환시 과도상태 없는 모드변환을 달성하였다.
뿐만 아니라, 전체 충전 영역의 시스템의 안정도를 비교하여 최악 동작조건 까지 고려한 보상기를 설계했기 때문에 전 충전영역에서 안정적인 동작을 보장한다. 제안한 방식은 300W급 배터리 충전기 설계예제를 통하여 상세히 설명되었으며, 실험을 통하여 그 유효성을 검증하였다.
여기서 출력커패시터의 기생저항 r_c가 등가저항으로 표현된 배터리 부하R 보다 충분히 작다면, 정전류 충전시의 C 행렬인 C_cc와 정전압 충전시의 C 행렬인 C_cv는 같아질 수 있으며, 기존의 전압, 전류 보상기는 하나의 보상기로 통합될 수 있다. 통합된 보상기는 분리된 보상기 도입으로 인해 발생하는 과도상태를 제거할 수 있으며, 보상기 설계 또한 간단하다는 장점을 가진다. 제안한 통합 전류-전압 보상기는 그림 2와 같다.
그림 11과 12는 정전류 충전 구간동안 그리고 정전압 충전 구간동안 입력변동 시의 보상기의 과도 응답을 확인하기 위한 실험 결과이다. 파형을 통하여 확인할 수 있듯이, 입력 전압을 310V에서 300V로 감소 시켰음에도 불구하고 제안한 보상기는 발진현상 없이 안정적으로 지령을 추종 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬이온 배터리의 특징은?	리튬이온 배터리는 메모리 효과가 없으며, 에너지 밀도가 높고 자기 방전 효과 또한 낮아 소형 휴대장비부터 전기자동차에 이르기 까지 다양한 분야에 활용되고 있다. 이러한 추세에 따라 리튬이온 배터리의 충전기와 충전방식의 중요성 또한 증가하고 있다[1],[2].
	리튬이온 배터리의 활용 분야는?	리튬이온 배터리는 메모리 효과가 없으며, 에너지 밀도가 높고 자기 방전 효과 또한 낮아 소형 휴대장비부터 전기자동차에 이르기 까지 다양한 분야에 활용되고 있다. 이러한 추세에 따라 리튬이온 배터리의 충전기와 충전방식의 중요성 또한 증가하고 있다[1],[2].
	LLC 공진형 컨버터의 장점은?	LLC 공진형 컨버터는 전 부하영역에서 영전압 스위칭 특성을 가지기 때문에 고효율 운전이 가능하다[3]∼[5]. 또한 변압기의 누설 인덕턴스를 공진 인덕터로 활용하기 때문에 공진을 위한 추가적인 자기 소자가 필요하지 않아, 가격과 부피측면에서 장점을 가진다[6]. 한편, 리튬이온 배터리의 효율적이고 안정적인 충전을 위하여 충전 방식에 대한 연구 또한 활발히 이뤄지고 있다.

참고문헌 (24)

T. Horiba, T. Maeshima, T. Matsumura, M. Koseki, J. Arai, and Y. Muranaka, "Applications of high power density lithium ion batteries," Journal of Power Sources, Vol. 146, pp. 107-110, Aug. 2005.

상세보기
L. Yi-Hwa, T. Jen-Hao, and L. Yu-Chung, "Search for an optimal rapid charging pattern for lithium-ion batteries using ant colony system algorithm," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 52, pp. 1328-1336, 2005.

상세보기
Y. Bo, F. C. Lee, A. J. Zhang, and H. Guisong,"LLC resonant converter for front end DC/DC conversion,"in Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2002. Seventeenth Annual IEEE, Vol. 2, pp. 1108-1112, 2002.
B. Yang, "Topology investigation for front end DC/DC power conversion for distributed power system," Virginia Polytechnic Inst. State Univ., Ph.D. dissertation, 2003.
H. Choi, "Analysis and design of LLC resonant converter with integrated transformer,"in Applied Power Electronics Conference, APEC 2007 - Twenty Second Annual IEEE, pp. 1630-1635, 2007.
G. Spiazzi and S. Buso, "Effect of a split transformer leakage inductance in the LLC converter with integrated magnetics,"Power Electronics Conference (COBEP), Brazilian, pp. 135-140, 2013.
Y. H. Liu and Y. F. Luo, "Search for an optimal rapid-charging pattern for li-ion batteries using the taguchi approach,"IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 57, pp. 3963-3971, 2010.

상세보기
L. R. Chen, "Design of duty-varied voltage pulse charger for improving li-ion battery-charging response,"IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 56, pp. 480-487, 2009.

상세보기
J. W. Huang, Y. H. Liu, S. C. Wang, and Z. Z. Yang, "Fuzzy-control-based five-step Li-ion battery charger,"in Power Electronics and Drive Systems, 2009. PEDS 2009. International Conference on, pp. 1547-1551. 2009.
A. A.-H. Hussein and I. Batarseh, "A review of charging algorithms for nickel and lithium battery chargers,"IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 60, pp. 830-838, 2011.

상세보기
Y. S. Dow, H. I. Son, and H. D. Lee, "A study on half bridge LLC resonant converter for battery charger on board,"in Power Electronics and ECCE Asia (ICPE & ECCE), 2011 IEEE 8th International Conference on, pp. 2694-2698, 2011.
J. Deng, S. Li, S. Hu, C. C. Mi, and R. Ma, "Design methodology of LLC resonant converters for electric vehicle battery chargers,"IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 63, pp. 1581-1592, 2014.

상세보기
F. Musavi, M. Craciun, D. S. Gautam, W. Eberle, and W. G. Dunford, "An LLC resonant DC-DC converter for wide output voltage range battery charging applications,"IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 28, pp. 5437-5445, 2013.

상세보기
K. H. Park, Y. J. Choi, S. Y. Choi, and R. Y. Kim, "Design consideration of CC-CV controller of LLC resonant converter for Li-ion battery charger,"in Future Energy Electronics Conference (IFEEC), 2015 IEEE 2nd International, pp. 1-6, 2015.
J. Jang, M. Joung, B. Choi, S. Hong, and S. Lee, "Dynamic analysis and control design of optocoupler-isolated LLC series resonant converters with wide input and load variations," IET Power Electronics, Vol. 5, No. 6, pp. 755-764, Mar. 2012.

상세보기
J. Jang, M. Joung, S. Choi, Y. Choi, and B. Choi, "Current mode control for LLC series resonant dc-to-dc converters,"in Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2011 Twenty-Sixth Annual IEEE, pp. 21-27, 2011.
J. Jang, M. Joung, B. Choi, and H. G. Kim, "Dynamic analysis and control design of optocoupler-isolated LLC series resonant converters with wide input and load variations,"in Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE 2009. IEEE, pp. 758-765, 2009.
S. H. Yang, J. W. Liu, and C. C. Wang, "A single-chip 60-V bulk charger for series Li-ion batteries with smooth charge-mode transition,"IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, Vol. 59, pp. 1588-1597, 2012.

상세보기
M. Chen and G. A. Rincon-Mora, "Accurate, compact, and power-efficient Li-ion battery charger circuit," IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, Vol. 53, pp. 1180-1184, 2006.

상세보기
FairChild, "AN-4151 : Half-bridge LLC resonant converter design using FSFR-series fairchild power switch," 2014.
C. H. Chang, E. C. Chang, C. A. Cheng, H. L. Cheng, and S. C. Lin, "Small signal modeling of LLC resonant converters based on extended describing function," in Computer, Consumer and Control (IS3C), 2012 International Symposium on, pp. 365-368, 2012.
E. X. Yang, F. C. Lee, and M. M. Jovanovic, "Small-signal modeling of series and parallel resonant converters," in Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1992. APEC '92. Conference Proceedings 1992., Seventh Annual, pp. 785-792, 1992.
Microchips, "AN1477 : Digital compensator design for LLC resonant converter," Nov. 21, 2012.
H. Choi, "Analysis and design of LLC resonant converter with integrated transformer," in Applied Power Electronics Conference, APEC 2007 - Twenty Second Annual IEEE, pp. 1630-1635, 2007.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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