[논문]이동식 에너지 뱅크용 대용량 배터리 충전 시스템의 개발

김수연; 김동옥; 이정환; 박성준

doi:10.21289/ksic.2021.24.4.491

이동식 에너지 뱅크용 대용량 배터리 충전 시스템의 개발
Development of the High Power Battery Charging System for Portable Energy Banks 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.24 no.4/2, 2021년, pp.491 - 499

김수연 (전남대학교 전기공학과) , 김동옥 (전남테크노파크 국가혁신클러스터지원센터) , 이정환 (호남대학교 미래자동차공학부) , 박성준 (전남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Batteries are widely used for energy storage, such as ESS(Energy Storage System), electric vehicles, electric aircraft, and electric powered ships. Among them, a submarine uses a high power battery for an energy storage. When the battery of a submarine is discharged, a diesel generator generates AC power, and then AC/DC power converter change AC power to DC power for charging the battery. Therefore, in order to lower the current capacity of the diesel generator, it is necessary to use an AC/DC converter with a high input power factor. And, a power converter with a large power capacity must have high stability because it can lead to a major accident when a failure occurs. However, the control algorithm using the traditional PI controller is difficult to satisfy stability and dynamic characteristics. In this paper, we design the high power AC/DC converter with high input power factor for battery charging systems. And, we propose a stable control algorithm. The validity of the proposed method is verified through simulation and experiments.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 12-pulse diode rectifier
그림 Fig. 2 DC/DC converter configurations for the parallel operation (a) voltage sharing type (b) current sharing type
그림 Fig. 3 The 4-parallel interleaved DC/DC converter for high power capacity
그림 Fig. 4 An inductor current ripple of 2-phase interleaved converter
그림 Fig. 5 Conventional PI controller for Bettery chargers
그림 Fig. 6 Proposed linear-cube error compensation
그림 Fig. 7 Proposed PI controller with the linear-cube error compensation
그림 Fig. 8 Dynamic characteristic of conventional PI controller (a) output voltage and current according to load change (b) full-load to no-load (c) no-load to full-load
그림 Fig. 9 Dynamic characteristic of proposed PI controller with the linear-cube error compensation (a) output voltage and current according to load change (b) full-load to no-load (c) no-load to full-load
그림 Fig. 10 Inductor currents of 4-parallel interleaved converter
그림 Fig. 11 Configuration of high power battery charger
그림 Fig. 12 Input voltage and current waveforms of phase-a
그림 Fig. 13 settling time of output voltage (no-load to full-load)
그림 Fig. 14 output voltage drop (no-load to full- load)
그림 Fig. 15 settling time of output voltage (full-load to no-load)
그림 Fig. 16 output voltage drop (full-load to no-load)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 대용량 배터리 충전기를 개발하 기위한 설계와 안정성을 높이기 위한 개선된 충전 제어 알고리즘을 제안한다. 개발된 전력변환장치는 높은 입력 역률을 가지고 대전류 배터리 충전기에 적합하게 설계되었다.
본 논문에서는 잠수함용 대용량 배터리 충전기를 개발하기 위해 AC/DC 전력변환장치를 설계하였다. 12-펄스 다이오드 정류기를 사용하여 높은 입력 역률을 만족하여 디젤 발전기의 전류 용량을 낮출 수 있었다.

제안 방법

본 논문에서는 대용량 배터리 충전기를 개발하 기위한 설계와 안정성을 높이기 위한 개선된 충전 제어 알고리즘을 제안한다. 개발된 전력변환장치는 높은 입력 역률을 가지고 대전류 배터리 충전기에 적합하게 설계되었다. 또한, 기존 PI제어에 제안하는 에러 보상함수를 추가하여 제어 안정성을 높였다.
개발된 전력변환장치는 높은 입력 역률을 가지고 대전류 배터리 충전기에 적합하게 설계되었다. 또한, 기존 PI제어에 제안하는 에러 보상함수를 추가하여 제어 안정성을 높였다. 마지막으로, 제안된 방식의 타당성은 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증한다.
또한, 기존 PI제어에 제안하는 에러 보상함수를 추가하여 제어 안정성을 높였다. 마지막으로, 제안된 방식의 타당성은 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증한다.
시스템의 동특성을 개선하면서 부하가 적은 경우에도 안정화를 위지하기 위해서는 부하에 따른 가변이득 제어 구조가 필요하다. 본 논문에서는 선형 함수와 3제곱 함수를 사용한 에러 보상기 함수를 제안하며, 이를 통해 가변이득 제어 구조를 구현 할 수 있다.
본 연구에서는 대용량 배터리 충전장치를 개발하기 위하여 입력측 역률 및 THD 개선 효과가 큰 12펄스 정류기 시스템을 도입하고, 충력전압은 별도의 감압 컨버터를 사용하는 배터리 충전장치를 개발한다.

이론/모형

12-펄스 다이오드 정류기를 사용하여 높은 입력 역률을 만족하여 디젤 발전기의 전류 용량을 낮출 수 있었다. 그리고 대전류 시스템에 적합한 4병렬 DC/DC 구조를 채택하였으며, 출력 전류 리플을 저감하기 위해 인터리브드 스위칭 기법을 적용하였다. 또한, 충전 시스템의 안정성을 높이기 위해 기존 PI제어기에 에러 보상함수를 제안하여 가변이득 제어 구조를 구현하여 시스템의 안정성을 높였다.
그림 13과 14는 CV제어를 하는 경우, 각각 무 부하에서 전부하상태로 변동하였을 때의 정착시간과 전압변동을 나타낸다. 제어기는 그림 7의 제안된 에러 보상함수를 추가한 CC/CV 알고리즘을 사용하였다. 대용량 충전시스템의 개발 조건은 전압 변동률은 정격 전압의 20 [%]이내이며, 정착 시간은 200 [ms]이내이다.

성능/효과

본 논문에서는 잠수함용 대용량 배터리 충전기를 개발하기 위해 AC/DC 전력변환장치를 설계하였다. 12-펄스 다이오드 정류기를 사용하여 높은 입력 역률을 만족하여 디젤 발전기의 전류 용량을 낮출 수 있었다. 그리고 대전류 시스템에 적합한 4병렬 DC/DC 구조를 채택하였으며, 출력 전류 리플을 저감하기 위해 인터리브드 스위칭 기법을 적용하였다.
2 [V]로 계측되어 시스템이 안정함을 보이고, 개발 조건이내에서 정상 동작함을 확인하였다. 따라서, 제안된 에러 보상기를 이용한 가변이득 PI제어 구조를 통해 동특성을 높이고, 제어 안정성을 확보하였음을 알 수 있다.
그리고 대전류 시스템에 적합한 4병렬 DC/DC 구조를 채택하였으며, 출력 전류 리플을 저감하기 위해 인터리브드 스위칭 기법을 적용하였다. 또한, 충전 시스템의 안정성을 높이기 위해 기존 PI제어기에 에러 보상함수를 제안하여 가변이득 제어 구조를 구현하여 시스템의 안정성을 높였다.
시뮬레이션 및 실험 결과를 통해 개발된 대용량 충전 시스템의 우수성과 안정성을 검증하였다.
1[%]이내의 전압변동을 확인할 수 있었다. 제안된 제어기를 사용할 경우 전부하에서 무부하 변동 시에는 51.9%, 무부하에서 전부하로 변동 시에는 48.0%로 오버슈트의 크기가 감소함을 시뮬레이션 결과를 통해 알 수 있다.

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