[논문]다중권선 변압기를 이용한 능동형 셀 밸런싱 회로의 에너지 전달 효율을 높이기 위한 향상된 스위칭 패턴

이상중; 김명호; 백주원; 정지훈

doi:10.6113/tkpe.2019.24.4.279

다중권선 변압기를 이용한 능동형 셀 밸런싱 회로의 에너지 전달 효율을 높이기 위한 향상된 스위칭 패턴
Enhanced Switching Pattern to Improve Energy Transfer Efficiency of Active Cell Balancing Circuits Using Multi-winding Transformer 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.4, 2019년, pp.279 - 285

이상중 (Division of Electrical and Computer Engineering, UNIST) , 김명호 (Power Conversion & Control Research Center, KERI) , 백주원 (Power Conversion & Control Research Center, KERI) , 정지훈 (Division of Electrical and Computer Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST))

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes an enhanced switching pattern that can improve energy transfer efficiency in an active cell-balancing circuit using a multiwinding transformer. This balancing circuit performs cell balancing by transferring energy stored in a specific cell with high energy to another cell containing low energy through a multiwinding transformer. The circuit operates in flyback and buck-boost modes in accordance with the energy transfer path. In the conventional flyback mode, the leakage inductance of the transformer and the stray inductance component of winding can transfer energy to an undesired path during the balancing operation. This case results in cell imbalance during the cell-balancing process, which reduces the energy transfer efficiency. An enhanced switching pattern that can effectively perform cell balancing by minimizing the amount of energy transferred to the nontarget cells due to the leakage inductance components in the flyback mode is proposed. Energy transfer efficiency and balancing speed can be significantly improved using the proposed switching pattern compared with that using the conventional switching pattern. The performance improvements are verified by experiments using a 1 W prototype cell-balancing circuit.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Current path of cell balancing circuit in the conventional flyback operation: (a) Mode 1, (b) Mode 2, (c) Mode 3, (d) Mode 4.
그림 Fig. 2. Equivalent circuit of mode 3 in the conventional flyback operation.
그림 Fig. 3. Theoretical waveforms of the conventional flyback operation.
그림 Fig. 4. Energy transfer efficiency in flyback operations.
그림 Fig. 5. Current path of cell balancing circuit in the proposed flyback operation: (a) Mode 1, (b) Mode 2, (c) Mode 3, (d) Mode 4.
그림 Fig. 6. Equivalent circuit of mode 2 in the proposed flyback operation.
그림 Fig. 7. Theoretical waveforms of the proposed flyback operation.
그림 Fig. 8. Key waveform in flyback operation.
표 TABLE I DESIGN PARAMETERS
표 TABLE II EXPERIMENTAL RESULTS OF FLYBACK OPERATION
그림 Fig. 9. Cell balancing in flyback operations.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 목표 셀에 전달된 밸런싱 전류와 소스 셀에서 빠져나간 밸런싱 전류의 비를 에너지 전달 효율이라 정의한다. 밸런싱 전류 전달 효율이 높을수록 셀 밸런싱 속도가 빨라지며, 시스템 효율이 높아진다.
결과적으로 변압기의 커플링 계수가 낮을수록 밸런싱 속도가 느려지며 추가적인 밸런싱 동작으로 인해 회로의 효율이 감소하게 된다. 본 논문에서는 플라이백 동작에서 낮은 결합 계수를 갖는 변압기를 사용하더라도 목표 셀로 에너지를 효과적으로 전달할 수 있는 새로운 스위칭 방식을 제안하였다.
본 논문은 다중 권선 변압기를 사용한 셀 간 직접 밸런싱 회로의 자세한 동작 모드를 분석하고 변압기의 결합 계수에 따른 에너지 전달 효율을 해석적으로 도출하였다. 또한, 다중 권선 변압기의 결합 계수가 플라이백 동작의 에너지 전달 효율에 영향을 주는 것을 보여주었으며, 이를 고려하여 에너지 전달 효율을 높일 수 있는 새로운 스위칭 방식을 제안하였다.

가설 설정

제안한 스위칭 방식에서 소스 셀(셀 1)과 목표 셀(셀 4)의 초기 전압은 기존 스위칭 방식의 실험 조건과 동일하다. 제안한 스위칭 방식을 사용한 경우, 50 mV의 전압 차가 밸런싱 되기까지 약 1시간 4분이 소요된다.
95의 결합 계수를 갖는다. 플라이백 동작에서 소스 셀과 목표 셀은 각각 셀 1, 셀 4로 가정하였으며, 소스 셀에 해당하는 권선 전류의 실효값을 150 mA로 가정하여 실험을 진행하였다. 그림 8(a)는 플라이백 동작에서 기존 스위칭 방식일 경우의 변압기 각 권선의 전류 파형을 나타내고 있다.

제안 방법

본 논문은 다중 권선 변압기를 사용한 셀 간 직접 밸런싱 회로의 자세한 동작 모드를 분석하고 변압기의 결합 계수에 따른 에너지 전달 효율을 해석적으로 도출하였다. 또한, 다중 권선 변압기의 결합 계수가 플라이백 동작의 에너지 전달 효율에 영향을 주는 것을 보여주었으며, 이를 고려하여 에너지 전달 효율을 높일 수 있는 새로운 스위칭 방식을 제안하였다. 결합 계수가 0.
95일때 기존 플라이백 스위칭의 경우, 약 68%의 낮은 에너지 전달 효율을 갖지만 제안한 플라이백 스위칭 방식을 사용할 경우, 기존 방식보다 약 28% 향상된 96%의 높은 에너지 전달 효율을 갖게 된다. 또한, 에너지 전달 효율 증가로 인해 밸런싱 속도도 기존에 비해 약 1.4배 증가한 것을 셀 밸런싱 실험을 통해 검증하였다. 새로운 스위칭 방식에 따른 에너지 전달 효율 개선은 1 W 프로토 타입 셀 밸런싱 회로를 이용해 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. 변압기의 권선이 늘어나도 각 동작의 모드들은 동일하기 때문에 권선의 수가 더 많은 경우에도 이 분석을 동일하게 적용할 수 있다.
4배 증가한 것을 셀 밸런싱 실험을 통해 검증하였다. 새로운 스위칭 방식에 따른 에너지 전달 효율 개선은 1 W 프로토 타입 셀 밸런싱 회로를 이용해 검증하였다.
인접하지 않은 셀 간에 전압 밸런싱을 수행할 경우 회로는 플라이백으로 동작한다. 소스 셀과 목표 셀은 각각 셀 1과 셀 4로 설정하고 분석을 진행하였다.

대상 데이터

표 1은 밸런싱 회로의 주요 파라미터를 나타내고 있다. 실험에 사용된 스위칭 소자의 파트명은 FDC6327C이며, 하나의 칩에 N-type과 P-type MOSFET이 내장되어 있다. 이 회로는 20 kHz의 스위칭 주파수(f_sw)에서 동작하며, 다중 권선 변압기는 약 0.

데이터처리

여기서 I_L1,charge는 소스 셀에서 방전된 평균 전류이며, I_{L1,non-target}은 비 목표 셀로 전달된 평균 전류이다. 평균 전류는 오실로스코프에서 제공하는 평균값 계산 기능을 사용하여 측정하였다. 기존 스위칭 방식으로 셀 밸런싱을 수행할 경우, I_L1,charge는 113 mA이며, I_{L1,non-target}은 36 mA 이다.

성능/효과

제안한 방식의 모드 2에서 V_{LM_M2} 전압은 다이오드 도통 전압의 약 절반으로 감소하기 때문에 L_lk1에 인가되는 음의 전압이 크게 증가한다. 결과적으로 i_L1의 전류 기울기를 음으로 크게 증가시켜, 짧은 시간 내에 i_L1과 i_L2를 각각 0과 최대값으로 도달 시킬 수 있다. i_L1이 0으로 도달하는 시간은 식 (10)으로 표현할 수 있다.
이는 밸런싱 과정 중 새로운 셀 불균형 현상을 초래하여 추가적인 밸런싱 동작을 요구한다. 결과적으로 변압기의 커플링 계수가 낮을수록 밸런싱 속도가 느려지며 추가적인 밸런싱 동작으로 인해 회로의 효율이 감소하게 된다. 본 논문에서는 플라이백 동작에서 낮은 결합 계수를 갖는 변압기를 사용하더라도 목표 셀로 에너지를 효과적으로 전달할 수 있는 새로운 스위칭 방식을 제안하였다.
밸런싱이 종료되었을 때 셀 2의 전압 변동은 약 1 mV 로 밸런싱 과정 중 새로운 셀 불균형 현상이 발생하지 않는 것을 실험을 통해 확인하였다. 결과적으로, 제안한 플라이백 스위칭 방식을 사용함으로써 에너지 전달 효율과 밸런싱 속도를 크게 증가시킬 수 있는 것을 실험을 통해 검증하였다.
또한, 다중 권선 변압기의 결합 계수가 플라이백 동작의 에너지 전달 효율에 영향을 주는 것을 보여주었으며, 이를 고려하여 에너지 전달 효율을 높일 수 있는 새로운 스위칭 방식을 제안하였다. 결합 계수가 0.95일때 기존 플라이백 스위칭의 경우, 약 68%의 낮은 에너지 전달 효율을 갖지만 제안한 플라이백 스위칭 방식을 사용할 경우, 기존 방식보다 약 28% 향상된 96%의 높은 에너지 전달 효율을 갖게 된다. 또한, 에너지 전달 효율 증가로 인해 밸런싱 속도도 기존에 비해 약 1.
그림 4는 제안한 스위칭 방식에서 에너지 전달 효율 그래프를 나타내고 있다. 기존 스위칭 방식은 결합 계수에 따라 에너지 전달 효율이 크게 감소하는 반면, 제안한 스위칭 방식에서는 변압기 결합 계수가 에너지 전달 효율에 큰 영향을 미치지 않는다. 따라서 결합 계수가 낮은 경우에도 소스 셀에 저장된 에너지를 목표 셀로 효과적으로 전달할 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. 마지막으로, 변압기의 권선이 2개일 경우에서 분석을 진행하였다.
4배 증가하였다. 또한, 제안한 스위칭 방식은 96%의 높은 에너지 전달 효율을 가지기 때문에 셀 밸런싱 과정 중 비 목표 셀(셀 2)로 전달되는 에너지는 거의 발생하지 않는다. 밸런싱이 종료되었을 때 셀 2의 전압 변동은 약 1 mV 로 밸런싱 과정 중 새로운 셀 불균형 현상이 발생하지 않는 것을 실험을 통해 확인하였다.
또한, 제안한 스위칭 방식은 96%의 높은 에너지 전달 효율을 가지기 때문에 셀 밸런싱 과정 중 비 목표 셀(셀 2)로 전달되는 에너지는 거의 발생하지 않는다. 밸런싱이 종료되었을 때 셀 2의 전압 변동은 약 1 mV 로 밸런싱 과정 중 새로운 셀 불균형 현상이 발생하지 않는 것을 실험을 통해 확인하였다. 결과적으로, 제안한 플라이백 스위칭 방식을 사용함으로써 에너지 전달 효율과 밸런싱 속도를 크게 증가시킬 수 있는 것을 실험을 통해 검증하였다.
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.
반면에 제안한 스위칭 방식을 사용할 경우, I_L1,charge는 124 mA, I_{L1,non-target}은 5 mA로 I_{L1,non-target}이 기존 방식보다 약 31mA 감소하였다. 이때, 에너지 전달 효율은 96%로 기존 스위칭 방식보다 28% 증가하였다. 제안한 플라이백 방식에서 새로운 스위칭 패턴(PWM3)을 추가함으로써, 낮은 결합 계수에서도 비 목표 셀로 전달되는 에너지를 최소화하여 기존의 플라이백 방식에 비하여 높은 에너지 전달 효율을 달성할 수 있는 것을 실험을 통해 검증하였다.
하지만, 제안한 방식에서 S₃를턴-온 함으로써 V_{LM_M2}의 수식에서는 오직 다이오드 도통 전압만 전압 변수로 나타나게 된다. 제안한 방식의 모드 2에서 V_{LM_M2} 전압은 다이오드 도통 전압의 약 절반으로 감소하기 때문에 L_lk1에 인가되는 음의 전압이 크게 증가한다. 결과적으로 i_L1의 전류 기울기를 음으로 크게 증가시켜, 짧은 시간 내에 i_L1과 i_L2를 각각 0과 최대값으로 도달 시킬 수 있다.
그림 8(b)는 플라이백 동작에서 제안한 스위칭 방식일 경우의 변압기 각 권선의 전류 파형을 나타내고 있다. 제안한 스위칭 방식을 사용함으로써 L₁ 권선을 통해 비 목표 셀(셀 2)로 에너지가 전달되는 구간이 크게 감소되었으며, 목표 셀에 해당하는 권선(L₂)의 전류량이 크게 증가하는 것을 확인하였다. 표 2는 스위칭 방식에 따른 에너지 전달 효율을 나타내고 있다.
이때, 에너지 전달 효율은 96%로 기존 스위칭 방식보다 28% 증가하였다. 제안한 플라이백 방식에서 새로운 스위칭 패턴(PWM3)을 추가함으로써, 낮은 결합 계수에서도 비 목표 셀로 전달되는 에너지를 최소화하여 기존의 플라이백 방식에 비하여 높은 에너지 전달 효율을 달성할 수 있는 것을 실험을 통해 검증하였다.
동작 모드의 분석에 앞서 다음과 같은 가정을 한다. 첫 번째, 다중권선 변압기에 누설 인덕턴스(L_lk) 성분이 존재하며, 각 권선의 L_lk는 동일하다. 두 번째, MOSFET의 도통 저항(R_ds)은 매우 작기 때문에 무시할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	셀 밸런싱 기술중 수동 방식의 단점은 무엇인가?	셀 당 하나의 저항소자와 반도체 스위치를 사용하여 회로 구성이 간단하 다는 장점을 가지고 있다[2] . 하지만 불균형이 발생할 때마다 보다 높은 전압을 가진 셀들의 에너지를 모두 소비시켜 시스템의 에너지 효율을 떨어뜨리는 단점이 있다. 또한 밸런싱 저항에서 발생하는 열로 인해 주변회로 동작에 영향을 줄 수 있기 때문에 밸런싱 전류를 일정값 이상 증가시킬 수 없다. 이러한 수동 방식의 단점을 보안하기 위한 방식으로 제안된 셀 밸런싱 기술이 능동 방식이다.
	셀 밸런싱 기술중 수동 방식은 어떠한 것인가?	셀 밸런싱 기술은 크게 수동 방식과 능동 방식으로 나눌 수 있다[1] . 수동 방식은 상대적으로 높은 충전량을 가진 셀의 에너지를 낮은 충전량을 가진 셀과 같아질 때까지 저항으로 소비하는 방식이다. 셀 당 하나의 저항소자와 반도체 스위치를 사용하여 회로 구성이 간단하 다는 장점을 가지고 있다[2] .
	셀 밸런싱 기술이란 무엇인가?	셀이 과 방전될 경우 셀의 수명은 단축되며, 과충전에 노출될 경우 화재의 위험을 가져올 수 있다. 이러한 위험을 막기 위해 직렬로 연결된 셀이 모두 동일한 에너지를 갖게 하는 셀 밸런싱 기술을 필요로 한다.

저자의 다른 논문 :

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].

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