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저궤도 위성의 배터리를 이용한 출력 전력 필터 설계 방안 분석
LEO Satellite Battery Design and analysis as Output filter 원문보기

한국위성정보통신학회논문지 = Journal of satellite, information and communications, v.12 no.4, 2017년, pp.106 - 109  

윤석택 (한국항공우주연구원) ,  양정환 (한국항공우주연구원) ,  박정언 (한국항공우주연구원)

초록
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저궤도 위성의 배터리는 일반적으로 임무 및 식 구간에서의 부족한 전력 공급을 위해서 사용 되며, 버스 전압에 연결되어 있는 경우 출력 필터의 일부 기능을 담당하게 된다. 따라서 배터리의 주요 설계 요인은 전력 요구 분석을 통해 에너지 균형조건을 맞추기 위한 설계가 일반적이고, 배터리를 이용한 출력 전력 필터의 역할은 설계의 요인에 포함 되지 않는다. 하지만, 배터리는 전력 공급의 역할이외에도, 출력 전류의 변동이 극심하거나, 주기적으로 일정한 출력 변동을 발생하는 로드 등에 대한 필터 역할로써도 사용이 가능하다. 출력 커패시터를 배터리로 대체 할 경우 inrush 전류의 감소 및 추가적인 보호회로의 설계의 불필요 등의 장점을 가지고 있다. 배터리를 위성의 전력 공급을 위한 목적으로 사용하는 경우에는 전력 요구 분석을 통한 설계가 타당하나, 출력 로드 변동에 따른 영향을 줄이기 위해 필터로써 배터리를 사용하는 경우에는 사이즈 및 임피던스에 대한 추가적인 분석이 요구 된다. 따라서 본 논문에서는 저궤도 위성에서의 출력 전력 필터로 배터리를 이용한 설계 방안 및 성능 분석을 수행 하였다.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 후자의 경우에는 일반적으로 regulation 전압을 요구하는 부하단에서 설계가 요구 되며, 배터리를 통해 출력 전압을 필터링 하는 경우에는 설계의 간소화가 가능 하다. 본 논문에서는 위의 두 가지 경우에 대해서 임피던스와 배터리 충 방전 영향에 분석 하고 출력 전력 필터로 배터리를 이용하는 설계 방안 및 성능 분석을 수행 하였다.

가설 설정

  • 위와 같이 계산된 배터리 capacitance는 일반적으로 높은 값을 가지게 되므로, 이를 실제 버스 필터의 설계에 넣게 되면 추가적인 버스 필터의 설계가 필요 없어지거나 최소화 하여 설계가 가능하다. 본 논문에서는 최대 1800W의 전력 생성되고, 충 방전을 고려한 배터리의 용량이 90ah가 요구되는 저궤도 위성을 가정하여 분석을 수행하였다. 또한 정상 상태의 부하는 16A, 부하의 최대 변동은 50%로 가정하였다.
  • 5V의 전압 규격 요구조건을 만족하기 위한 버스 필터로서의 배터리의 추가 설계에 대해서 분석을 수행하였다. 우선 분석을 위해서 2nd stage 변압기의 특성을 인덕터 전류 및 출력 전압의 이중 루프를 가지고 제어 되는 buck type를 가정하였다. 또한 출력 필터의 추가 설계를 위해 변압기 자체의 출력 커패시터는 최소화 설계를 하였으며, 제어 밴드위스는 10khz로 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
컨버터의 추가 혹은 영향성 감소를 위한 설계가 가져올 수 있는 문제점은? 일반적으로 이와 같은 영향성을 줄이기 위한 방법으로 입출력 전력 필터 설계 및 컨버터의 설계를 통해 해결 할 수 있다. 하지만 컨버터의 추가 혹은 영향성 감소를 위한 설계는 복잡성 및 회로 부피 증가 및 오류 관련 설계의 증가를 가져올 수 있고, 입출력 전력 필터의 설계는 충분한 커패시터 및 인덕터 증가를 위해서는 마찬가지의 부피 증가 및 관련 부품의 가용성을 확인해야 한다. 따라서 저궤도위성 배터리의 출력 필터로써의 역할은 크게 두 가지로 구분이 가능하다.
일반적으로 저궤도 위성의 주 배터리는 무엇을 위해 설계되어지는가? 일반적으로 저궤도 위성의 주 배터리는 전력 생성이 불가능한 식 구간 및 일부 임무 혹은 특정 상황에서의 전력을 공급하기 위한 용도로 설계가 이루어진다. 따라서 주 배터리의 임피던스의 특성 등은 전력 요구에 의한 설계 결과에 따른 배터리의 형상에 따라 결정되어 진다.
저궤도위성 배터리의 출력 필터로써의 두 가지 역할은? 따라서 저궤도위성 배터리의 출력 필터로써의 역할은 크게 두 가지로 구분이 가능하다. 주 배터리로 사용 되고, 출력 전압에 연결되어 직접 부하에 연결되어 있는 경우에는 전력 공급이외에도 출력 필터로도 사용이 가능하다. 이 경우에는 먼저 전력 요구조건 분석을 통해 배터리의 사이즈를 결정한 후, 결정된 사이즈의 커패시터 및 임피던스 분석을 수행 하여 최종적으로 요구되는 버스 필터의 설계 값에 배터리를 포함 시킬 수 있다. 배터리를 버스 필터의 설계 요소로 삽입 하게 되면 부피 및 무게의 최적화가 가능해 질수 있다. 또 다른 하나나는 급격한 부하의 변동 및 모터 등과 같은 높은 전류를 주기적으로 발생시키는 부하에 대한 영향성을 줄이기 위한 방안으로 배터리의 추가 설계를 고려 할 수 있다. 이와 같은 경우에는 부하에 전력을 공급하는 역할로 써 배터리가 설계되는 것이 아니라 출력 전류에 의한 출력 전압의 영향성을 최소화하기 위한 설계가 요구되며 전자와 반대로, 전력 요구 조건에 관계없이 배터리의 커패시터 및 임피던스에 의한 분석이 우선적으로 수행 되어야 하며, 그 이후에 배터리 충 방전에 대한 분석을 수행해야 한다.
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참고문헌 (2)

  1. Stroe, D.I.; Swierczynski, M.; Stroe, A.I.; Knudsen Kaer, S. Generalized Characterization Methodology for Performance Modelling of Lithium-Ion Batteries. Batteries 2016, 2, 37. 

  2. Ramadass, P.; Haran, B.; White, R.; Popov, B.N. Mathematical modeling of the capacity fade of Li-ion cells. J. Power Sources 2003, 123, 230-240 

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