[논문]엑티브 셀 밸런싱을 위한 새로운 전력 피드백 방식의 플라이백 토폴로지에 관한 연구

강성용; 송명진; 박성미; 박성준; 고재하

doi:10.21289/ksic.2023.26.6.1083

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the demand for low-voltage, high-capacity ESS is rapidly increasing due to the revitalization of the e-mobility industry, which is mainly powered by electricity. In addition, the demand for portable power banks is rapidly increasing due to the revitalization of leisure industries such as c...

Recently, the demand for low-voltage, high-capacity ESS is rapidly increasing due to the revitalization of the e-mobility industry, which is mainly powered by electricity. In addition, the demand for portable power banks is rapidly increasing due to the revitalization of leisure industries such as camping and fishing. The ESS with this structure consists of a small number of series cells and many parallel cells, resulting in a system with a large rated current. Therefore, the number of power devices for cell balancing configured in series is small, but a balancing device with a large current capacity is required. Construction of a constant temperature device in such a low-voltage, high-current ESS is difficult due to economic issues. The demand for an active balancing system that can solve the passive balancing heating problem is rapidly increasing. In this paper, propose a power feedback fly-back topology that can solve the balancing heating problem. The characteristic of the proposed topology is that a series-connected voltage sharing voltage is used as the input of the flyback converter, and the converter output is connected to one transformer. In this structure, the converter output for cell voltage balancing shares magnetic flux through one high-frequency transformer, so the cell voltage connected to the converter automatically converges to the same voltage.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1 Decrease in battery lifetime
그림 Fig. 2 Classification of battery balancing topologies
그림 Fig. 3 Manual cell balancing
그림 Fig. 4 Active cell balancing
그림 Fig. 5 Battery balancing using magnetic circuit
그림 Fig. 6 Topology of flyback converter
그림 Fig. 7 Cell subtraction topology of the proposed 12[V] module
그림 Fig. 8 Modes of two-switch flyback converter
그림 Fig. 9 Equivalent circuit for each mode
그림 Fig. 10 Operation waveform when balancing is in progress
그림 Fig. 11 Simulation schematic
그림 Fig. 12 Simulated results of voltage balancing
그림 Fig. 13 Installation system
그림 Fig. 14 Measured results of flyback converter
그림 Fig. 15 Waveforms of voltage balancing
표 Table 1. Active balancing system design specifications
그림 Fig. 16 Measured results of the converter after voltage balancing

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 수동방식에서 배터리 밸런싱을 행할 경우 발생하는 발열 문제를 해결할 수 있는 저가형 능동방식인 전력 피드백 방식의 플라이백 토폴로지를 제안한다. 제안된 토폴로지의 특징은 컨버터 입력은 직렬로 연결된 셀 전압을 플라이백 컨버터의 입력으로 사용하고, 컨버터 출력은 하나의 변압기에 연결되는 구조를 취하고 있다.

제안 방법

본 연구에서는 직렬로 연결된 배터리 셀 전압 불평형을 제거하기 위해 새로운 직렬로 연결된 셀 전압을 입력으로 하여 최소전압 선택형 다중 출력 형태의 플라이백 컨버터를 이용한 밸런싱 토폴로지를 제안하였다. 제안된 방식의 타당성은 5 [V] 파워뱅크 시스템을 대상으로 하여 시뮬레이션 및 실험 결과를 통하여 타당성을 검증하였다.
11과 같이 4개의 배터리를 대상으로 하여 1 개의 스위치를 이용한 플 라이백 컨버터 회로를 구성하였다. 시뮬레이션에 서는 실제 배터리 모델을 사용 할 경우 전압 밸런싱 회로의 시정수가 너무 길어지는 어려움이 있어, 배터리를 20000 [uF] 용량을 가지는 커패시터로 대체하여 시뮬레이션을 수행하였다. 1개의 플라이백 컨버터는 한 개의 변압기를 사용하여 구성하였으며, 스위칭 주파수는 시비율 0.
이러한 구조는 셀 전압 밸런싱용 컨버터 출력이 하나의 고주파 변압기를 통하여 자속을 공유하는 형태를 취함으로 컨버터에 연결된 셀 전압이 자동으 로 동일한 전압으로 수렴하게 된다. 제안된 방식의 타당성은 5[V] 파워뱅크 시스템을 대상으로 하여 시뮬레이션 및 실험 결과를 통하여 타당성을 검증하였다.
본 연구에서는 수동방식에서 배터리 밸런싱을 행할 경우 발생하는 발열 문제를 해결할 수 있는 저가형 능동방식인 전력 피드백 방식의 플라이백 토폴로지를 제안한다. 제안된 토폴로지의 특징은 컨버터 입력은 직렬로 연결된 셀 전압을 플라이백 컨버터의 입력으로 사용하고, 컨버터 출력은 하나의 변압기에 연결되는 구조를 취하고 있다. 이러한 구조는 셀 전압 밸런싱용 컨버터 출력이 하나의 고주파 변압기를 통하여 자속을 공유하는 형태를 취함으로 컨버터에 연결된 셀 전압이 자동으 로 동일한 전압으로 수렴하게 된다.

대상 데이터

시뮬레이션 회로는 Fig. 11과 같이 4개의 배터리를 대상으로 하여 1 개의 스위치를 이용한 플 라이백 컨버터 회로를 구성하였다. 시뮬레이션에 서는 실제 배터리 모델을 사용 할 경우 전압 밸런싱 회로의 시정수가 너무 길어지는 어려움이 있어, 배터리를 20000 [uF] 용량을 가지는 커패시터로 대체하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 토폴로지의 구조는 단일 입력 선택적 출력 (SISO: Single Input Selected Output)형태의 플 라이백 컨버터 타입이다. 본 토폴로지의 특징은 각 셀에 연결된 입력 및 모든 출력 다이오드는 하나의 변압기에 연결되는 구조를 취함으로 모든 전압 밸런싱 용 스위치가 하나의 고주파 변압기를 통하여 자속을 공유하는 형태를 취하는 구조이다.
이 시스템은 배터리를 대체한 4개의 커패시터로 구성하였으며, 저가형 Avr48을 통해 배터리 셀 전압을 계측하여 각 셀의 충전 여부를 선택스위치에 의해 결정하고, 설정된 시비율에 의해 PWM 신호를 생성하여 밸런싱을 수행하는 구조이다. 제작된 보드는 크게 밸런싱용 Flyback 컨버터, 전압 센싱 회로, 통신회로, ATmega48 마이컴 회로, 제어 전원용 SMPS, 배터리 대용 대용량 콘덴서, 밸런싱 시작 스타트신호 및 자기유지회로로 구성된다. 우선 Start 신호 단자에 100 [ms] 이상의 펄스 신호에 의해 LM2576 소자가 장착된 SMPS가 동작하며 마이컴은 디지털 출력을 LM2576의 인에이블 핀에 Low 신호를 출력하여 SMPS의 동작을 자기유 지하며, 밸런싱이 완료되면 인에이블 핀에 High 신호를 출력하여 Shot-down 하게 된다.

성능/효과

·여러 개의 모듈이 직렬로 연결된 배터리 팩의 경우에도 배터리 모듈의 전압 밸런싱과 동일한 방법으로, 각 모듈에 장착된 DC/DC 컨버터를 통하여 배터리 팩 전압 밸런싱용 변압기에 연결하여 모듈 간 전압 밸런싱을 수행할 수 있다.
·제안된 구조는 계층(hierarchical) 구조로 배터리 밸런싱을 수행하므로, 계층 구조의 층수를 필요에 따라 높은 전압/전류 용량을 가진 배터리 팩을 모듈식으로 설계할 수 있다
배터리 모듈을 구성하는 직렬의 배터리 셀은 각 셀에 장착된 스텐 스위치 겸 정류부를 통하여 1개의 변압기의 코일에 연결되고, 모든 코일이 자속을 공유하는 배터리 밸런싱 시스템을 구성하여 각 셀의 개별 전압검출 없이 능동적으로 모듈 내 각 셀 간의 전압 밸런싱을 수행할 수 있었다.
시뮬레이션 결과 최종적으로는 4개의 커패시터 전압이 동일한 값으로 수렴함을 알 수 있다. 플라이백 컨버터의 입력전류는 밸런싱 여부에 관계없이 시비률에 의해 결정됨으로 밸런싱이 완료된 상태에는 순환전류로 동작함으로 컨버터의 손실 저감을 위해서는 밸런싱 완료를 판단하여 동작을 중지하는 동작이 필요하다.
이러한 구조는 셀 전압 밸런싱용 컨버터 출력이 하나의 고주파 변압기를 통하여 자속을 공유하는 형태를 취함으로 컨버터에 연결된 셀 전압이 자동으 로 동일한 전압으로 수렴하게 된다. 제안된 방식의 타당성은 5[V] 파워뱅크 시스템을 대상으로 하여 시뮬레이션 및 실험 결과를 통하여 타당성을 검증하였다.
제안된 플라이백 컨버터 배터리 셀 전압 밸런싱 시스템이 성공적으로 동작하고, 그 성능이 우수함을 시뮬레이션으로 검증하였다. 하드웨어 환경 하에서도 제안된 시스템의 성능을 평가하기 위해 Fig.

후속연구

·제안된 구조는 계층(hierarchical) 구조로 배터리 밸런싱을 수행하므로, 계층 구조의 층수를 필요에 따라 높은 전압/전류 용량을 가진 배터리 팩을 모듈식으로 설계할 수 있다. 이 장점은 전력시스템용 BESS처럼 대용량을 필요로하는 시스템에서 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다.

참고문헌 (12)

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Sun-soon Park, Jea-seung Koo, Kil-young？Youn, Chul-soo Kim, "Development of battery？management system(BMS) for hybrid electric？vehicle(HEV)", KSAE, Spring conference？proceeding, pp. 1249~1254 (2002).

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