[논문]모듈러 배터리팩 충·방전기의 모듈 간 전압 밸런싱을 위한 직렬 운전 알고리즘

이윤성; 강경민; 최봉연; 김미나; 이훈; 원충연

모듈러 배터리팩 충·방전기의 모듈 간 전압 밸런싱을 위한 직렬 운전 알고리즘
A Series Operation Algorithm For Voltage Balancing Between Modules Of Modular Battery Pack Charging/Discharging System 원문보기

이윤성 (성균관대학교) , 강경민 (성균관대학교) , 최봉연 (성균관대학교) , 김미나 (성균관대학교) , 이훈 (성균관대학교) , 원충연 (성균관대학교)

This paper proposes a series operation algorithm for voltage balancing of modular battery pack charging/discharging system using 3P-CFDAB (3-Phase Current-Fed Dual Active Bridge) converter. By using the proposed algorithm, we can prevent deterioration or loss of a particular module. The algorithm in this paper was verified through PSIM simulation.

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문제 정의

기존의 직렬 운전 기법에서 발생하는 모듈 간 전압 차이를 해소하기 위한 개선된 직렬 운전 알고리즘을 제안한다. Slave Module에서 생성된 기존의 위상값과 Master Module로부터 전달받은 위상값을 비교하여 Master Module의 위상값이 더 크면, Slave Module의 위상값을 더 크게 만들어주고 Master Module의 위상값이 작으면, Slave Module의 위상값을 작게 만들어 Master Module과 Slave Module의 위상값을 같게 하여 PSM제어를 수행한다.
따라서, 본 논문에서는 전압 불평형을 저감할 수 있는 직렬 운전 알고리즘을 제안하였다. 제안하는 직렬 운전 알고리즘을 PSIM 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
본 논문에서는 모듈러 배터리 팩 충·방전기의 모듈 간 전압 밸런싱을 위한 알고리즘에 대해서 기술하였다.

제안 방법

Slave Module에서 생성된 기존의 위상값과 Master Module로부터 전달받은 위상값을 비교하여 Master Module의 위상값이 더 크면, Slave Module의 위상값을 더 크게 만들어주고 Master Module의 위상값이 작으면, Slave Module의 위상값을 작게 만들어 Master Module과 Slave Module의 위상값을 같게 하여 PSM제어를 수행한다.
1차 측과 2차 측의 각상은 120도의 위상차를 갖는 PWM(Pulse Width Modulation) Duty 제어를 통해 출력 Capacitor의 전압을 일정하게 제어한다. 2차 측 스위치는 PSM을 통하여 Master Module과 Slave Module이 각각 전류제어와 전압제어를 수행한다.
본 논문에서는 모듈러 배터리 팩 충·방전기의 모듈 간 전압 밸런싱을 위한 알고리즘에 대해서 기술하였다. 제안하는 새로운 직렬 운전 알고리즘을 적용할 경우, 모듈 간 전압차를 줄여 열화, 소손을 방지할 수 있고 충·방전 시 안정적으로 동작함을 PSIM 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
충·방전 시 전류 측정을 통해 충·방전 변환 안정성 또한 확인하였다.

데이터처리

따라서, 본 논문에서는 전압 불평형을 저감할 수 있는 직렬 운전 알고리즘을 제안하였다. 제안하는 직렬 운전 알고리즘을 PSIM 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
제안하는 직렬 운전 알고리즘을 검증하기 위해 PSIM을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 표 1의 모듈러 배터리팩 충·방전기의 주요 Parameter를 바탕으로 기존 직렬 운전 기법과 제안하는 직렬 운전 알고리즘을 비교하였다.
표 1의 모듈러 배터리팩 충·방전기의 주요 Parameter를 바탕으로 기존 직렬 운전 기법과 제안하는 직렬 운전 알고리즘을 비교하였다.

이론/모형

본 논문에서 사용되는 모듈러 배터리팩 충·방전기는 그림 1 과 같은 3P-CFDAB (3-Phase Current-Fed Dual Active Bridge) Converter를 기반으로 이루어져 있다.

성능/효과

그림 4에서 릴레이(MC)가 붙기 전, 스위치가 Duty제어를 수행하여 Active clamp capacitor의 전압을 일정하게 제어하기 때문에 과도 상태가 나타난 후, 직렬 운전을 수행한다. 기존 운전 기법과 제안하는 알고리즘의 파형 비교를 통해 전류 리플 감소와 전압 밸런싱이 안정적으로 이루어짐을 확인할 수 있다.

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