[논문]360V급 회생제동용 슈퍼캐패시터 모듈의 셀모니터링과 액티브 밸렌싱을 통한 성능개선

이희범; 김영길

360V급 회생제동용 슈퍼캐패시터 모듈의 셀모니터링과 액티브 밸렌싱을 통한 성능개선
Improve the performance of 360V-class super-capacitors module through cell monitoring and active cell balancing 원문보기

이희범 (아주대학교) , 김영길 (아주대학교)

최근 에너지/환경의 문제로 HEV(Hybrid Electric Vehicle)이 대두되고 있는데, HEV를 위한 대표적인 기술로서 제동시 에너지로 발전하여 전기를 회수하는 회생제동이 있다. 회생제동기술은 HEV 뿐만 아니라 건설기기, 하이브리드 버스, 전철, 엘리베이터 등에 폭넓게 활용이 가능하다. 회생제동용 에너지 저장원으로서는 고출력 및 환경특성이 우수한 슈퍼캐패시터가 적합하며, 단일 셀이 아닌 수십 ~ 수백 개의 셀이 모듈로 사용되는 만큼, 모듈화 설계 기술이 필요 하다. 수백 개의 셀을 모듈화하기 위해서 개별 셀의 전압을 모니터링 하는 기술과 충방전 시 밸렌싱 하는 기술, 사용환경에 따라 열 관리 기술이 필요하며, 이들 기능을 수행할 수 있는 통합 시스템을 구비하여 안정성과 성능 향상을 하고자 한다.

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문제 정의

본 논문은 슈퍼캐패시터의 모듈 전반적인 시스템 디자인을 포함하여 Active 밸런스를 고전압 및 대 전류 상태에서 모니터링 및 제어 수행능력을 검증 하였다. 이를 기반으로 제안된 밸렌싱 제어 방법에 대해서도 충분히 밸런싱에 충분한 효과가 있음을 검증 하였다.

제안 방법

2.7V@1500F 캐패시터 140개를 직렬 연결하여 378V@10.7F 모듈을 개발하였다. 이 모듈은 100KW를 충/방전이 가능하고, 전류 Fuse 및 CAN2.
그런데 충전 중 높은 전압을 제어하는 방식이기 때문에 DC/DC없이 개별 단위 모듈에서 공급 받아 SLAVE가 동작 하도록 하였다. MASTER에서는 다수개의 SALAVE와 SPI 통신으로 데이터를 공유하고, 이 통신 인터페이스는 100KW(~350V,300A)급의 전류 프로파일에서 부품 파괴가 일어나지 않도록 설계 하였다.
밸렌싱을 제어하는 방법으로 전류를 적산함으로 SOC(Static Of Charge)를 계산하는 방법이 있지만 누설 전류와 전류 센싱 오차에 의해 SOC가 부정확하다.[2] 전압을 이용하는 방법은 OCV(Open Circuit Voltage)에 의한 방법과 전류가 흐르는 상태인 충전 조건에서 밸렌싱이 있는데, 이중 내부 ESR의 영향을 포함하여 제어가 되는 후자의 방법을 적용 하였다.
하지만 넓은 범위에서 제어하거나, 충방전 속도에 따라 제어가 원할 하지 않다. 그래서 본 논문에서는 Active 제어도 가능하도록 그림 5과 같이 회로를 제안 하였다. 즉 Hardware적인 밸렌싱과 소프트웨어적인 밸렌싱이 가능하도록 구성하여 제어의 유연성을 극대화 하였다.
모든 셀을 모니터링 할 수 있는 일체형 시스템을 구현하여 적용할 수 있으나 응용할 분야에 따른 전압범위와 셀 조합에 따라 효율 및 안정성이 열악해 질 수 있으므로 단위 모듈 테스트에 적합한 모니터링 시스템을 개발 하였다.
0B의 표준 인터페이스를 구비하여 셀의 전압레벨과 온도를 상위 릴레이 유닛 제어기에 전송함으로써 안전을 확보 하였다. 실제 구현된 회로는 그림 7과 같이 제작되었으며, 그림 6와 같이 마스터 보드로 개별 밸렌스 보드와 모니터링 보드를 제어할 수 있도록 구성 하였다.
7F 모듈을 개발하였다. 이 모듈은 100KW를 충/방전이 가능하고, 전류 Fuse 및 CAN2.0B의 표준 인터페이스를 구비하여 셀의 전압레벨과 온도를 상위 릴레이 유닛 제어기에 전송함으로써 안전을 확보 하였다. 실제 구현된 회로는 그림 7과 같이 제작되었으며, 그림 6와 같이 마스터 보드로 개별 밸렌스 보드와 모니터링 보드를 제어할 수 있도록 구성 하였다.
개별 셀을 제어하는 방법으로는 PASSIVE 방식과 마이크로 컨트롤러를 통한 모니터링으로 개별적 제어가 가능한 ACTIVE 방식이 있다. 이 연구는 ACTIVE 방식 CMS(Capacitor Monitoring System) 시스템을 설계 하여 수십 개의 슈퍼캐패시터를 모니터링 하고, 충전 상태를 밸렌싱 하는 기능을 구현하여 성능을 향상시키며, 상위 시스템과 통신할 수 있도록 CAN 인터페이스를 구비하였다.
그래서 본 논문에서는 Active 제어도 가능하도록 그림 5과 같이 회로를 제안 하였다. 즉 Hardware적인 밸렌싱과 소프트웨어적인 밸렌싱이 가능하도록 구성하여 제어의 유연성을 극대화 하였다.

성능/효과

그림 8과 같이 최대 87kW급 충방전 프로파일로 셀 밸렌스 회로의 동작 특성을 확인 하였으며, 그림 9에 그 결과를 제시하였다. 60Cycle 동작 중 0.07V편차로 Balancing이 되었고 2.5V 기준에서 셀간 편차는 2.8%이내로 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
본 논문은 슈퍼캐패시터의 모듈 전반적인 시스템 디자인을 포함하여 Active 밸런스를 고전압 및 대 전류 상태에서 모니터링 및 제어 수행능력을 검증 하였다. 이를 기반으로 제안된 밸렌싱 제어 방법에 대해서도 충분히 밸런싱에 충분한 효과가 있음을 검증 하였다.

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