[논문]다중권선 변압기를 이용한 능동형 셀 밸런싱 회로에서 밸런싱 전류 전달 효율을 높이기 위한 변압기 설계 방안

이상중; 김명호; 백주원; 정지훈

doi:10.6113/tkpe.2018.23.4.247

다중권선 변압기를 이용한 능동형 셀 밸런싱 회로에서 밸런싱 전류 전달 효율을 높이기 위한 변압기 설계 방안
Transformer Design Methodology to Improve Transfer Efficiency of Balancing Current in Active Cell Balancing Circuit using Multi-Winding Transformer 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.23 no.4, 2018년, pp.247 - 255

이상중 (School of Electrical & Computer Engineering, UNIST) , 김명호 (Power Conversion and Control Research Center, HVDC Research Division, KERI) , 백주원 (Power Conversion and Control Research Center, HVDC Research Division, KERI) , 정지훈 (School of Electrical & Computer Engineering, UNIST)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a transformer design of a direct cell-to-cell active cell balancing circuit with a multi-winding transformer for battery management system (BMS) applications. The coupling coefficient of the multi-winding transformer and the output capacitance of MOSFETs significantly affect the balancing current transfer efficiency of the cell balancing operation. During the operation, the multi-winding transformer stores the energy charged in a specific source cell and subsequently transfers this energy to the target cell. However, the leakage inductance of the multi-winding transformer and the output capacitance of the MOSFET induce an abnormal energy transfer to the non-target cells, thereby degrading the transfer efficiency of the balancing current in each cell balancing operation. The impacts of the balancing current transfer efficiency deterioration are analyzed and a transformer design methodology that considers the coupling coefficient is proposed to enhance the transfer efficiency of the balancing current. The efficiency improvements resulting from the selection of an appropriate coupling coefficient are verified by conducting a simulation and experiment with a 1 W prototype cell balancing circuit.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문은 다중 권선 변압기를 사용한 셀 간 직접 밸런싱 회로의 자세한 동작 모드를 분석하고 회로의 제정수에 따른 밸런싱 전류 전달 효율을 해석적으로 도출하였다. 다중 권선 변압기의 커플링 계수 및 MOSFET의출력 기생 캐패시턴스가 밸런싱 전류 전달 효율에 영향을 주는 것을 보여주었으며, 이를 고려하여 밸런싱 전류전달 효율을 높일 수 있는 커플링 계수 선정 방법을 제안하였다.

가설 설정

그림 5는 변압기의 커플링 계수에 따른 밸런싱 전류 전달 효율을 나타내고 있으며, 식 (1)∼식 (8)을 이용하여 소스 셀에서 방전된 전류와 목표 셀로 전달된 전류를 계산하여 두 전류의 비로 표현되었다.C_oss는 300 [pF]로 가정하였다.
그림 9는 벅-부스트 동작에서 밸런싱 전류전달 효율 그래프를 나타내고 있다. 밸런싱 전류 전달효율은 변압기의 커플링 계수의 함수이며, C_oss는 300[pF]으로 가정하였다. 플라이백 동작과 달리 커플링 계수가 높아질수록 밸런싱 전류 전달 효율이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
인접한 셀 간에 전압 밸런싱을 수행할 경우 회로는 벅부스트로 동작한다. 소스 셀과 목표 셀은 각각 셀 1과 셀 2로 가정하여 분석을 진행하였다.

제안 방법

본 논문은 다중 권선 변압기를 사용한 셀 간 직접 밸런싱 회로의 자세한 동작 모드를 분석하고 회로의 제정수에 따른 밸런싱 전류 전달 효율을 해석적으로 도출하였다. 다중 권선 변압기의 커플링 계수 및 MOSFET의출력 기생 캐패시턴스가 밸런싱 전류 전달 효율에 영향을 주는 것을 보여주었으며, 이를 고려하여 밸런싱 전류전달 효율을 높일 수 있는 커플링 계수 선정 방법을 제안하였다. 커플링 계수 선정에 따른 밸런싱 전류 전달 효율 개선 효과는 시뮬레이션 및 실험으로 검증하였다.
95일 경우보다 감소하여 11분이 단축된 45분의 밸런싱 시간을 갖는다. 따라서 높은 커플링 계수를 갖는 다중 권선 변압기를 사용하여 셀 밸런싱을 수행하는 것이 플라이백 및 벅-부스트 두 동작에서 높은 밸런싱 전류 전달 효율을 갖는 것을 셀 밸런싱 테스트를 통해 검증하였다.
네 번째, 셀 간의 전압 차이는 무시할 수 있을 정도로 작으며, 밸런싱 과정 중 셀의 전압이 일정하다. 마지막으로,변압기의 권선이 2개일 경우에서 분석을 진행하였다.
본 논문에서는 그림 1의 자세한 동작 특성을 분석하고 회로 구성요소의 기생 성분에 의한 밸런싱 전류 전달 효율 저하 원인을 분석하였으며, 셀 밸런싱 과정 중 목표 셀에 효과적으로 밸런싱 전류를 전달하기 위한 다중권선 변압기의 커플링 계수(k) 선정 방법을 제안하였다.
인접하지 않은 셀 간에 전압 밸런싱을 수행할 경우회로는 플라이백으로 동작한다. 소스 셀과 목표 셀은 각각 셀 1과 셀 4로 설정 하고 분석을 진행하였다. 또한 각 권선에 흐르는 전류는 그림 3에 나타낸 각 모드의 등 회로를 바탕으로 각 권선의 L_lk의 관점에서 유도하였다.
다중 권선 변압기의 커플링 계수 및 MOSFET의출력 기생 캐패시턴스가 밸런싱 전류 전달 효율에 영향을 주는 것을 보여주었으며, 이를 고려하여 밸런싱 전류전달 효율을 높일 수 있는 커플링 계수 선정 방법을 제안하였다. 커플링 계수 선정에 따른 밸런싱 전류 전달 효율 개선 효과는 시뮬레이션 및 실험으로 검증하였다.

성능/효과

세 번째, MOSFET은 모두 동일한 크기의 출력 기생 캐패시턴스(C_oss)를 가진다. 네 번째, 셀 간의 전압 차이는 무시할 수 있을 정도로 작으며, 밸런싱 과정 중 셀의 전압이 일정하다. 마지막으로,변압기의 권선이 2개일 경우에서 분석을 진행하였다.
벅-부스트의 경우 두 경우에서 약 99 %의 밸런싱 전류전달 효율을 갖는다. 따라서 커플링 계수에 따른 밸런싱전류 전달 효율의 영향이 큰 플라이백 동작에서 밸런싱 전류 효율을 높이는 것이 전체적인 밸런싱 전류 전달효율을 증가시키는 것을 실험을 통해 확인하였다.
두 번째, MOSFET의 도통 저항(R_ds)은 매우 작기 때문에 무시할 수 있다. 세 번째, MOSFET은 모두 동일한 크기의 출력 기생 캐패시턴스(C_oss)를 가진다. 네 번째, 셀 간의 전압 차이는 무시할 수 있을 정도로 작으며, 밸런싱 과정 중 셀의 전압이 일정하다.
98 일 때 플라이백 및 벅-부스트 전류 파형을 나타내고 있다. 실험 결과 커플링 계수에 따른 밸런싱전류 전달 효율의 영향이 벅-부스트 동작보다 상대적으로 플라이백 동작에서 크게 나타나는 것을 확인 하였다. 표 2, 3은 커플링 계수에 따른 실험 결과를 나타내고 있다.
동작 모드의 분석에 앞서 다음과 같은 가정을 한다.첫 번째, 다중권선 변압기의 커플링이 완벽하지 않아 누설 인덕턴스(L_lk) 성분이 존재 하며, 각 권선의 L_lk는 동일하다. 두 번째, MOSFET의 도통 저항(R_ds)은 매우 작기 때문에 무시할 수 있다.
밸런싱 전류 전달효율은 변압기의 커플링 계수의 함수이며, C_oss는 300[pF]으로 가정하였다. 플라이백 동작과 달리 커플링 계수가 높아질수록 밸런싱 전류 전달 효율이 감소하는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 저장 장치의 사용이 증가되고 있는 이유는?	최근 신재생 에너지 발전 및 분산 전원 시스템의 활용이 늘어남에 따라 전원 계통의 안정성 향상을 위해 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS)의 사용이 늘어나고 있다. 대표적인 ESS의 저장 요소로 배터리가 가장 많이 이용되며, 특히 에너지 밀도 및 전력 밀도가 우수한 리튬 이온 배터리가 주로 사용이 된다.
	셀 밸런싱기술은 어떻게 나눌 수 있는가?	이러한 위험을 막기 위하여 직렬로 연결된 셀이 모두 동일한 에너지를 갖게하는 셀 밸런싱 기술이 다양하게 연구되었다. 셀 밸런싱기술은 크게 수동 방식과 능동 방식으로 나눌 수 있다[2].
	수동 방식의 단점은?	수동 방식은 상대적으로 높은 전압을 가진 셀의 에너지를 저항으로 소모하는 방식이며, 회로 구성이 간단하다는 장점을 가지고 있다[3]. 하지만 불균형이 발생할 때마다 보다 높은 전압을 가진 셀들의 에너지를 모두 소비시켜 시스템의 에너지 효율을 떨어뜨리는 단점이 있다. 또한 저항에서 발생하는 열로 인해 주변회로 동작에 영향을 줄 수 있기 때문에 방열 시스템이 필요할 수도 있다.

참고문헌 (7)

J. Kim, J. Shin, C. Chun, and B. H. Cho, "Stable configuration of a li-ion series battery pack based on a screening process for improved voltage/SOC balancing," 2012 IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, pp. 411-424, Jan. 2012.
M. Daowd, N. Omar, P. V. D. Bossche, and J. V. Mierlo, "Passive and active battery balancing comparison based on MATLAB simulation," 2011 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, pp. 1-7, Oct. 2011.
J. Qi and D. D. C. Lu, "Review of battery cell balancing techniques," in Proceedings of the Power Engineering Conference (AUPEC), pp. 1-6, Sep. 2014.
M. Y. Kim, C. H. Kim, J. H. Kim, D. Y. Kim, and G. W. Moon, "Switched capacitor with chain structure for cell-balancing of lithium-ion batteries," IECON 2012-38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, pp. 2994-2999, Dec. 2012.
C. Pascual and P. T. Krein, "Switched capacitor system for automatic series battery equalization," Proc. IEEE 1997 Applied Power Electronics Conference, pp. 848-854, Feb. 1997.
Z. Zhou, Y. Shang, B. Duan, and C. Zhang, "An any-cell(s)-to-any-cell(s) equalizer based on bidirectional inductor converters for series connected battery string," 2016 IEEE 11th Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), pp. 2511-2515, Oct. 2016.
J. Xu, S. Li, C. Mi, Z. Chen, and B. Cao, "SOC based battery cell balancing with a novel topology and reduced component count," Energies, Vol. 6, pp. 2726-2740, May 2013.

상세보기

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

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

성능/효과

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

성능/효과

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

AI 본문요약
AI-Helper