[논문]Personal Mobility 활용을 위한 소용량 PCS 개발

김선필; 김국현; 이창호; 레동부

doi:10.21289/ksic.2023.26.1.27

Personal Mobility 활용을 위한 소용량 PCS 개발
Development of Small-capacity PCS for Personal Mobility Utilization 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.26 no.1, 2023년, pp.27 - 34

김선필 ((주)지엔이피에스) , 김국현 ((주)지엔이피에스) , 이창호 ((주)지엔이피에스) , 레동부 ((주)지엔이피에스)

Abstract ▼ AI-Helper

This study conducted a study on a small-capacity PCS using lithium-ion batteries used in personal mobility. Most of the batteries in Personal Mobility only charge with external chargers and are used only as mobile energy sources. However, this paper aims to charge the battery of PM using PV and system power or to use the charged power as a stand-alone power supply. The developed PCS can be operated as a two-channel battery charger/discharger, a battery charger using solar power, and a stand-alone solar inverter depending on the operation method. The validity of the manufactured small-capacity PCS was verified through experiments.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1 Types of personal mobility
그림 Fig. 2 Example of a battery module(Very-words Co.Ltd.)
그림 Fig. 3 Baterry Management System(BMS)
그림 Fig. 4 Example of Power conversion Home ESS
표 Table 1. Battery spec. of PM
그림 Fig. 5 Proposed PCS structure
그림 Fig. 6 Bi-directional converter
그림 Fig. 7 Dual-Active Bridge Converter(DAB)
그림 Fig. 8 Grid-tied One-phase inverter
그림 Fig. 9 Voltage control diagram for inverter
그림 Fig. 10 Experimental stack
그림 Fig. 11 Experimental result – charging state
그림 Fig. 12 Experimental result – charging state
그림 Fig. 13 Experimental result – Standalone mode
표 Table 2. Experimental condition
그림 Fig. 14 Experimental result – Efficiency
그림 Fig. 15 Experimental result – Efficiency
그림 Fig. 16 Experimental result – Charging mode change

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 Personal Mobility의 배 터리 활용을 위한 소용량 PCS를 개발한다. 개발 되는 소용량 PCS의 내부 시스템 구조를 제안하고 전력 운용 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서는 Personal Mobility에서 사용하는 리튬이온 배터리를 활용하는 소용량 PCS에 관한 연구를 수행하였다. 연구를 통하여 개발된 소용량 PCS는 PM의 배터리를 PV와 계통 전력을 이용하 여 충전하거나, 충전된 전력을 이용하여 독립형 전원장치로 사용하는 것에 목적이 있다.
본 논문에서는 Personal Mobility에서 사용하는 리튬이온 배터리를 활용하는 소용량 PCS에 관한 연구를 수행하였다. 연구를 통하여 개발된 소용량 PCS는 PM의 배터리를 PV와 계통 전력을 이용하 여 충전하거나, 충전된 전력을 이용하여 독립형 전원장치로 사용하는 것에 목적이 있다. 개발된 PCS는 필요에 운용 방식에 따라 2채널 배터리 충·방전기, 태양광을 이용한 배터리 충전기, 독립 형 태양광 인버터로 운영할 수 있다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 Personal Mobility의 배 터리 활용을 위한 소용량 PCS를 개발한다. 개발 되는 소용량 PCS의 내부 시스템 구조를 제안하고 전력 운용 알고리즘을 제안한다. 이를 검증하기 위해 실험을 통하여 타당성을 검증하였다.
또한, Wall-type의 형태로 제작되어 이동성이 제 한되는 단점이 있다. 따라서, PM용 배터리를 활용 하기 위한 낮은 입력 전압에서 동작이 가능한 소 용량 PCS 시스템을 제안한다.
개발 되는 소용량 PCS의 내부 시스템 구조를 제안하고 전력 운용 알고리즘을 제안한다. 이를 검증하기 위해 실험을 통하여 타당성을 검증하였다.
제안하는 구조는 PM용 배터리의 충·방전을 위한 양방향 DC/DC 컨버터, 태양광 발전을 위한 MPPT 컨버 터, 계통연계를 위한 양방향 단상 인버터, DC-link 전압을 위한 Dual Active Bridge(DAB) DC/DC 컨버터로 구성된다.

대상 데이터

Fig. 10은 제작된 시제품으로 1개의 양방향 인 버터, 2대의 절연형 양방향 DC/DC 컨버터, 2대 의 양방향 DC/DC 컨버터로 구성되었다.
제작된 시제품의 각각의 컨버터는 독 립적인 제어기를 통하여 동작하게 설계를 수행하 였다. 설계된 인버터는 Ti社의 TMS320F280025를 이용하여 제어 보드를 구현하였고, 양방향 인버터 는 VHigh-DC 전압이 400V로 제어가 되도록 하였 다. 절연형 양방향 DC/DC 컨버터는 부피가 작고 높은 효율을 갖으며, 제어기가 필요없이 8:1의 입 출력비를 갖는 BCM6123 모델을 선정하였다.
절연형 양방향 DC/DC 컨버터는 부피가 작고 높은 효율을 갖으며, 제어기가 필요없이 8:1의 입 출력비를 갖는 BCM6123 모델을 선정하였다. 양 방향 DC/DC 컨버터는 Ti社의 TMS320F28069를 메인 제어기로 선정하여 제어 보드를 구성하였고, 상위 EMS로부터 전류제어 지령 값을 받아 시제품 이 동작하도록 하였다.
설계된 인버터는 Ti社의 TMS320F280025를 이용하여 제어 보드를 구현하였고, 양방향 인버터 는 VHigh-DC 전압이 400V로 제어가 되도록 하였 다. 절연형 양방향 DC/DC 컨버터는 부피가 작고 높은 효율을 갖으며, 제어기가 필요없이 8:1의 입 출력비를 갖는 BCM6123 모델을 선정하였다. 양 방향 DC/DC 컨버터는 Ti社의 TMS320F28069를 메인 제어기로 선정하여 제어 보드를 구성하였고, 상위 EMS로부터 전류제어 지령 값을 받아 시제품 이 동작하도록 하였다.

성능/효과

개발된 PCS는 필요에 운용 방식에 따라 2채널 배터리 충·방전기, 태양광을 이용한 배터리 충전기, 독립 형 태양광 인버터로 운영할 수 있다
개발된 시스템은 현재 캄보디아에서 실증 진행 하기 위해 준비하고 있다. 개발된 시스템을 통하 여 Personal Mobility가 단순히 이동장치에서 머 물지 않고 이동형 ESS로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
349%임을 확인하였 다. 시제품은 3종의 전력변환장치가 연결된 구조 로 종합효율이 94.349%임은 각각의 전력변환장치 의 평균 효율이 98% 이상이 되어야 나올 수 있는 결과로 제작된 시제품은 고효율 시스템임을 확인 할 수 있다.
13은 PCS의 독립형 모드에 대한 실험 파 형으로 PCS의 VHigh-DC와 IDC, 인버터 출력 전압 VAC과 출력전류 IAC를 나타낸다. 실험 결과 인버 터 출력 전압 220V, 출력전류 2.54A, 출력전력 560W이며, 독립형 모드로 동작 됨을 확인하였다.
11에서 출력전류 15A 구간을 확대한 파형이 다. 실험 결과, 출력 전압 36V에서 15A로 전류 지령을 받아서 충전하는 것을 확인할 수 있으며, 계통 전압과 전류를 살펴본 결과 높은 역률을 보 임을 확인할 수 있다.
실험 결과에 대해 분석한 결과, 제작된 시제품 은 매우 높은 효율 특성이 있고, 양방향 DC/DC 컨버터의 전류제어를 통하여 시제품의 양방향 전 력제어가 이루어지고 있음을 확인하였다.
개발된 PCS는 필요에 운용 방식에 따라 2채널 배터리 충·방전기, 태양광을 이용한 배터리 충전기, 독립 형 태양광 인버터로 운영할 수 있다. 제작된 소용 량 PCS는 실험을 통하여 타당성을 검증하였다.
15는 입력 전압 100V에서의 효율을 측정 한 결과이다. 측정결과 VLow-DC의 50V보다 높은 100V 입력 전압에서도 동작이 됨을 확인하였고, 효율은 90.871%이다.

후속연구

개발된 시스템은 현재 캄보디아에서 실증 진행 하기 위해 준비하고 있다. 개발된 시스템을 통하 여 Personal Mobility가 단순히 이동장치에서 머 물지 않고 이동형 ESS로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (6)

D. Jeong, S. Park, S. Park, S. Park, and S.？Moon, "Battery Discharge System Configuration？using Photovoltaic Simulator and PCS," Journal？of the Korean Society of Industry Convergence,？vol. 23, no. 3, pp. 491-498, (2020).
S. Kim, D. Kim, J. Lee, and S. Park,？"Development of the High Power Battery？Charging System for Portable Energy Banks,"？Journal of the Korean Society of Industry？Convergence, vol. 24, no. 4_2, pp. 491-499,？(2021).
Xiang, Kexin, Koo, Sang. "A Convergence？Study on the Near Future Design Direction of？Electric Mobility -focused on usability by？Vehicle types-" The Korean Society of Science？& Art 40, 1 pp. 393-404. (2022).

상세보기
H. Kim, S. Hwang. "Market Analysis and the？Future Roadmap of "EPM(Electronic Personal？Mobility)"" The Treatise on The Plastic Media？18, 2 pp.93-100. (2015).
H. Zhang, Y. Chen, D.-H. Kim, S.-J. Park, and？S.-M. Park, "Bidirectional DC-DC Converter？Based on Quasi-Sepic for Battery Charging？System," Journal of the Korean Society of？Industry Convergence, vol. 23, no. 2_1, pp.？139-147, Apr. (2020).

원문보기 상세보기
S. Lee, "High efficiency photovoltaic DC-DC？charger possible to use the buck and boost？combination mode," Journal of the Korean？Society of Industry Convergence, vol. 20, no. 2,？pp. 97-104, Jun. (2017).

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