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인걱 복
5 years ago
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1 전력전자학술대회논문집 ~ 7.15 하이브리드에너지시스템에서양방향 DC-DC 컨버터에의한축전지제어기법 정상민 *, 조진상 *, 최세완 *, 한수빈 ** * 서울산업대학교, ** 한국에너지기술연구원 Battery Control Technique by Bidirectional DC-DC Converter in Hybrid Energy System Sangmin Jung *, Jinsang Jo *, Sewan Choi *, and Soobin Han ** * Seoul National Univ. of Tech., ** Korea Institute of Energy Research ABSTRACT 본연구에서는축전지를포함하는하이브리드시스템에서최소규모의축전지를양방향컨버터를이용하여직류단에연결함으로써에너지를충 방전시킬수있는제어기법을제안한다. 사용된양방향컨버터는본연구에서고려하는시스템사양에서가장경제적인비절연형 single-phase 컨버터의구조이다. 본논문에서는하이브리드시스템내에서의양방향컨버터의동작제어와축전지를효과적으로관리할수있는제어알고리즘에대해서연구하였다. 1 서론 최근에다양한형태의에너지를복합적이고효과적으로활용하기위한하이브리드시스템에대한관심이고조되고있으며특히무정전전원시스템, 배터리충 방전시스템, 하이브리드전기자동차그리고연료전지와태양전지등대체에너지를위한독립전원시스템에대한연구가활발히진행되고있다. [1]-[5] 대부분의하이브리드시스템에서는축전지를포함하게되는데축전지를사용하는경우설비의과다용적, 장기간사용시발생되는셀간의전압불균형발생등신뢰성및가격면에서많은문제점이있어개선이요구되고있다. 특히대체에너지와관계된시스템에서는축전지의역할이주전력공급용보다는과부하또는급속한부하변화에대한에너지의백업용으로요구되기때문에축전지를최소화하여용적면에서나가격면에서시스템을최적화하는것이중요한과제가된다. 그림 1 은본논문에서사용하고자하는양방향컨버터와관련된하이브리드에너지시스템의구성 도이다. 1 차에너지원으로는연료전지나태양전지가사용될수있으며직류에너지원으로부터상용의교류전압을변환시키기위해서인버터가사용된다. 사용되는 1 차에너지원으로입력전압의범위가낮은경우상용전원에서요구되는전압을위해인버터출력에승압용변압기가연결된다. 1 차에너지원인연료전지의경우에너지저장기능이없기때문에 1 차에너지원에서의전력공급이중단되더라도전력을공급할수있도록 2 차에너지저장장치인축전지를사용하게된다. 이경우표 1 에서요구되는사양에따라 1kW 의주전력으로연료전지에서공급되는에너지를사용하되과부하시에는한정적인시간동안약 1kW 의용량을축전지에서부터추가로공급한다. 이때축전지를직류단에직접연결할경우는다수의축전지를직렬로연결하여야하므로앞에서언급된문제점이발생하기때문에비효율적인시스템이된다. 그러나그림 1 과같이양방향컨버터를사용하여최소규모의축전지로서과부하시에는부하로에너지가전달되도록하고평상시에는연료전지로부터충전에너지를공급받게할경우효율적인시스템을구성할수있게된다. 따라서본논문은이러한목적에사용하기위한 single-phase 형태의부스트양방향컨버터에대한 그림 1 하이브리드에너지시스템구성 359

표 1 양방향컨버터와관련된하이브리드시스템사양 항목 사양 Energy source Output Power Capability Source 30V~60V Battery 12V/80Ah Nominal 독립운전시 250W~1KW 저항부하 Overload 1KW( 최대 5 초 ) (a) 컨버터의구조

2 표 1 양방향컨버터와관련된하이브리드시스템사양 항목 사양 Energy source Output Power Capability Source 30V~60V Battery 12V/80Ah Nominal 독립운전시 250W~1KW 저항부하 Overload 1KW( 최대 5 초 ) (a) 컨버터의구조 연구로서하이브리드시스템내에서의양방향컨버터의동작제어와축전지를효과적으로관리할수있는제어알고리즘에대해서연구하고자한다. 2 Single-phase 양방향컨버터의동작원리및설계 본논문의시스템에서는저전압측에 12V의축전지를, 고압측은 30V~60V로변동하는연료전지를사용하므로그림 2와같은비절연형의단상부스트토폴로지를고려한다. 이는 2개의스위치와하나의인덕터, 축전지, 그리고캐패시터에의한직류단으로구성되어간단한구조로실현이된다는것이큰장점이다. 물론입출력의전압비가커지거나전류가매우커지는경우에는 multi-phase 구조로구현하던지 [2] Half-Bridge 또는 Full-Bridge 회로에고주파변압기를사용한방식을구현해야되지만 [3] 스위치의수가증가되고효율이감소할수있기때문에통상전압비가 5이하인목적에서는가장우선적으로고려할필요가있는구조이다. 두개의스위치중 S2가능동스위치로동작할경우다이오드 D1의동작으로그림 2(b) 의부스트컨버터가되어축전지에서직류단으로에너지가전달되고직류단측에연결된부하에서에너지가소비되는방전모드로동작한다. S1이능동스위치가되는경우다이오드 D2의동작으로그림 2(c) 의벅컨버터로동작하여직류단측에서축전지로에너지가이동하게되어충전모드로동작하게된다 방전모드 그림 1 과같은하이브리드시스템에서방전모드로동작하는경우는최대부하가걸리는상태에서추가로과부하가걸리는경우와경부하가걸려있는상태에서과도한부하의증가가있는경우이다. 이러한때에는양방향컨버터는필요한에너지를공 (b) 부스트방전모드 (c) 벅충전모드 그림 2 Single-phase 양방향컨버터 급시키기위해부스트컨버터가된다. 5 초이상의기간동안최고 1kW 의에너지를축전지에서부터부하로공급해야하며이경우축전지의전압 12V 기준일때인덕터에서의방전전류 상의전류를공급해야한다. 는 90A 이 2.2. 충전모드과부하가걸리지않는대부분의동작시에는축전지의 SOC 를항상 0.97 이상으로유지하기위해연료전지에서발생되는에너지로부터충전을하여야하며양방향컨버터는벅컨버터가되어충전모 드로동작하게된다. 이때충전전류 는축전 지의용량의약 0.2C 이상에해당되는전류를공급한다. 본연구에서는 15A 를공급하는것으로한다 충방전모드변환의과도상태충전모드에서방전모드로또는방전모드에서충전모드로의변환시에는모드변환과정에서과도적상태가발생된다. 컨버터가충전모드로되어있어 의전류로충전되는상태에서방전전류 의명령을받게되면그림 2(c) 의벅컨버터 에서 S1 이 off 되고다이오드 D2 만동작하여충전전류는감소하게되고최종에는 0 이된다. 그이후에는 S2 가방전전류의명령으로 on 이된상태이므 로인덕터의전류가 의상태가될때까지계 속도통된다. 이때충전모드에서방전모드로이전하는과도시간은다음식과같다. 360

3 t = L V bat ( + ) (1) 역으로컨버터가방전모드로되어있어 의전 류로방전되는상태에서충전전류 의명령을 받게되면그림 2(b) 의부스터에서 S2 가 off 되고다이오드 D1 만동작하여방전전류는감소하게되고최종에는 0 이된다. 그이후에는 S1 이충전전류의명령으로 on 이된상태이므로인덕터의전류가 의상태가될때까지계속도통된다. 이때 방전모드에서충전모드로이전하는과도시간은다음식과같다. t = L V DC - V bat ( + ) (2) 결과적으로방전에서충전모드로의변환시간보다충전에서방전모드의변환시간이더걸리게되지만 컨버터의변환시간은인덕턴스가 100uH 인경우 1ms 이하의충분히짧은시간이다 인덕터의설계충 방전모드와관련하여인덕터의전류는항상연속모드로동작하도록인덕턴스값을결정한다. 따라서벅컨버터로동작할경우는다음식을만족하여야한다. L DT s 2 (V DC - V bat ) (3) 축전지의경우는 12V, 80Ah 의연축전지를사용한다. 방전시 1C 이상인 90A 의방전전류가흐르게되지만 5 초이하의백업시간이므로축전지에무리를주지않는다. 방전시축전지의최저방전전압은 10V 로제한한다. 3. 양방향컨버터에의한축전지충 방전제어 3.1. 모드의결정충전모드또는방전모드의결정과필요한에너지 의양은인버터와출력변압기의효율 을고려 하고다음식과같이연료전지의출력과부하의전 력의차인 P req 를계산함으로결정한다. P req = P load -P FC = v L i L - v FC i FC (5) P req 가 0 보다큰경우는양방향컨버터는방전모드 로동작하고 0 보다작은경우는충전모드로동작하게된다 방전모드에서의전류제어방전모드에서부스트컨버터의전류명령값은측 정된 P req 와양방향컨버터의효율 η bc 그리고축 전지전압 v bat 에의해다음식에따라서결정된다. 또한부스트컨버터로동작할경우는다음식을만족하여야한다. L T sd(1-d) 2 V DC (4) 두가지모드와양방향컨버터의입출력동작변화를모두감안하면리플전류 10A 에대해연속모드로동작하기위한최소인덕터의값은스위칭주파수 20kHz 를기준으로벅모드에서 V DC 가 60V, V bat 가 12V, D=0.2인조건일때이며이경우 48uH 가된다. 따라서설계값은 100uH로결정하고이경우벅모드에서의리플전류는 5A이며축전지정격의 0.2C수준인 15A의충전전류를유지할경우전류리플은 33% 에해당되지만충 방전전류값이증가할수록적은비율의리플전류를보이게된다 축전지용량의선정 i * bat( ds) = P req η bc v bat (6) 3.3. 충전모드에서의전류제어충전모드에서부스트컨버터의전류명령값은다음식에서계산된축전지의 SOC(state of charge) 에따른제어를수행한다. SOC= Q o - i batdt Q n (7) 식에서 Qo 는축전지의초기충전전하량으로만충전상태를기준으로한다. Qn 은축전지의정격용량 80Ah 이다. 충전모드에서는축전지의 SOC 를항상 0.97 이상이되도록유지하는것이목표로평상시하이브리드시스템은방전모드로동작하는시간이많지않으므로충전모드시에약 0.2C 의충전전류로항상 361

4 충전하도록제어한다. 그러나 SOC가 0.85이하로유지되는상태가발생되면충전전류는식 (8) 과같이연료전지의최대로출력할수있는에너지즉연료전지의최대용량 P FCmax 에부하에서사용하는에너지의차로축전지를충전시키도록한다. 답을보완하게된다. 그리고연료전지로부터의출력이증가하여부하전력을충분히공급할수있는시점에서양방향 DC-DC 컨버터가충전모드로변환되어배터리를충전하게된다. i * bat(ch) = P FCmax -P load η dc v bat (8) 3.4. 제어동작의알고리즘그림 3 과그림 4 는양방향컨버터의제어블록도와알고리즘의흐름도이다. 시스템의주제어기에서연료전지의출력전력과부하의요구량의차이를계산하여충전모드및방전모드에대한판단을한후각각해당전류명령값을계산하고양방향컨버터를동작시킨다. 전체적으로축전지의 SOC 는매제어주기마다계산되어저장되어야한다. 이러한알고리즘에의해서과부하에대해추가로필요한에너지의공급뿐만이아니라부하의급격한증가시에도연료전지의출력전력과부하의요구량의차이만큼전력을순간적으로방전시켜연료전지의느린응 (a) 축전지전류 I bat (b) 직류단전류 I S1 그림 3 양방향컨버터의제어블록도 (c) 게이트신호 G1 그림 4 양방향컨버터의충 방전제어알고리즘 (d) 게이트신호 G2 그림 5 충 방전모드시뮬레이션 362

5 3.5. 모드변화시뮬레이션그림 5(a) 와 (b) 는양방향컨버터가 0.2C 의전류로충전되고있는상태에서 1kW 에해당되는방전전류에대한명령을받은후다시 0.2C 의충전전류의명령을받는경우컨버터의축전지전류와직류단전류의변화상태이고그림 5(c) 와 (d) 는스위치 S1 과 S2 의게이트신호이다. 전류리플은설계된대로 5A 이며충 방전의모드변화의시간은모두식 (1) 과 (2) 의결과에일치한다. [5] 최세완, 연료전지발전시스템에서의전력전자 기술, 전력전자학회지 특집기사, pp 결론 본연구에서는그림 1 과같은하이브리드시스템에서최소한의축전지를사용하여부하의상태에따른충 방전기능을만족시킬수있도록하는양방향컨버터의활용에대해서연구하였다. single-phase 부스트형의동작에대한분석과양방향에너지의제어방식그리고하이브리드시스템내에서상호관련제어알고리즘에대해제안하였다. 제안된알고리즘에대해서는향후하이브리드시스템의제작과관련하여실험을할예정에있다. 이논문은산업자원부의지원에의하여기초전력연구원 (R-2003-B-315) 주관으로수행된과제임 참고문헌 [1] R.M. Schupbach, J.C. Balda, Comparing DC-DC Converter for Power Management in Hybrid Electric Vehicles, Electric Machines and Drives Conference, IEMDC'03. IEEE International., Vol.3, pp , June [2] K. Wang, C.Y. Lin, L. Zhu, D. Qu, F.C. Lee, J.S. Lai, "Bi-directional DC to DC Converters for Fuel Cell Systems", Power Electronics in Transportation., pp.47-51, Oct [3] Peng F.Z., Hui Li, Gui-Jia Su, Lawler J.S., "A New ZVS Bidirectional DC-DC Converter for Fuel Cell and Battery Application", Power Electronics, IEEE Transactions on., Vol.19, pp.54-65, Jan [4] 이진희, 조진상, 장민수, 최세완, 한수빈, 고체산화물형연료전지를위한 10kW 급독립전력변환장치의개발, 전력전자학회논문지, 제 8 권 6 호, pp ,

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DBPIA-NURIMEDIA 428 電力電子學會論文誌第 10 卷第 5 號 2005 年 10 月論文 10-5-2 2005 전력전자학술대회우수추천논문 연료전지자동차에서연료이용률과연료전지내구성향상을위한양방향 DC-DC 컨버터의제어기법 趙眞相 *, 丁相玟 **, 李鎭熙 ***, 崔世琓 ****, 韓秀彬 A Control Method of Bidirectional DC-DC Converter