김수연
(Soo-Yeon Kim)
1
우동영
(Dong-Young Woo)
2
박성미
(Seong-Mi Park)
3
박성준
(Sung-Jun Park)
†
-
(M.S. course, Dept. of Electrical Eng, Chonnam National University)
-
(Ph.D. course, Dept. of Electrical Eng, Chonnam National University)
-
(Associate Professor, Department of Lift Engineering, Korea Lift College)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Battery Charging Topology, Mobile Device, Multi-Level DC/DC Converter
1. 서 론
엔진을 사용하는 모바일 장비에 의한 환경 및 자원고갈 문제 등으로 인하여 전기를 이용한 모바일에 대한 관심이 증대되고 있으며 그 보급 또한 급속히
확대되고 있다. 이러한 모바일 장비는 전기자동차에서부터 전기 오토바이, 세그웨이, 전기 자전거 및 미니보드 등 다양한 종류에 대한 산업이 급속히 성장하고
있다(1-5). 전기자동차와 같이 보급이 대중화된 모바일 장비는 에너지를 충전하기 위한 스테이션이 있어 충전이 용이하지만 전기자전거, 미니보드 등과 같이 아직
보급이 미흡한 모바일 장비들을 위한 충전 스테이션은 경제성 부족으로 활성화되지 못하고 있다. 따라서 중․소용량 전기를 사용하는 모바일 장비를 충전할
수 있는 충전 스테이션 개발이 필요하다.
하지만 다양한 모바일 장비들은 24V, 36V, 48V 등의 다양한 전압을 가지는 배터리를 사용하기 때문에 이 장비들을 충전하기 위해서는 넓은 출력
범위를 가지는 충전기가 필요하다. 출력 전압 범위가 넓을 경우 출력 전류 리플을 줄이기 위해 일반적으로 DC/DC컨버터의 출력 인덕턴스를 키우거나,
스위칭주파수를 높여야 하기 때문에 시스템의 가격이 상승하고, 스위칭손실이 증가하게 된다(6-7).
따라서 단일 충전기로 다양한 모바일 장비에 사용하기 위하여 넓은 출력 범위에서 배터리가 요구하는 전류 리플을 만족하여야 한다. 이러한 조건을 만족하기
위해서 다수의 입력 전압 조합에 의한 전류 리플 저감을 할 수 있는 새로운 토폴로지가 필요하다.
본 논문에서는 다양한 충전전압 및 충전전류에 대응할 수 있는 충전 토폴로지 및 충전 시스템을 제안한다. 제안된 충전 시스템은 다양한 모바일 장비의
충전사양에 대응하기 위해 이종전원을 사용하여 전력 공유형 다중레벨 충전 시스템이다.
2. 제안된 이모바일용 충전시스템
중․소량 전기를 사용하는 대부분 모바일 장비의 배터리 전압은 통상 60V 이하의 전압을 사용하고 있다. 따라서 다양한 전압을 갖는 모바일 장비를 충전하기
위해서는 0-70V 전압을 발생할 수 있는 충전기가 필요하다.
그림 1은 본 연구에서 제안한 이종전원을 사용한 충전기용 DC/DC 컨버터의 토폴로지를 나타낸다. 그림에서 알 수 있듯이 DC/DC 컨버터는 이종전원을 독립적으로
사용할 수 있도록 Buck 컨버터 2개를 직렬로 구성하였다. 따라서 본 컨버터는 두개의 스위치 상태에 따라 영전압(Zero)을 비롯하여 V1, V2,
V1 +V2 전압을 발생할 수 있으며, 이때 전력은 각 스위칭 소자의 상태에 따라 정해진다.
그림 2는 각 스위치의 상태에 따라 4개의 모드가 있으며, 이 모드에 따른 컨버터의 등가회로를 나타내고 있다. 각각의 이종전원을 V1, V2로 나타내었으며
V1의 전압을 출력에 전달하는 스위치를 Q1, V2 전압을 출력에 전달하는 스위치를 Q2로 표현하였다.
Fig. 1. Proposed E-mobile DC/DC charger
Fig. 2. Operation modes of the proposed charger
Mode 0 : 그림 2 (a)는 두개의 다이오드(D1, D2)가 도통된 경우로 출력전압은 영전압을 발생한다.
Mode 1 : 그림 2 (b)는 하단 Buck 컨버터 스위치(Q1)가 온되고 상단 Buck 컨버터의 다이오드(D2)가 도통되어 출력전압은 V1 전압을 발생한다.
Mode 2 : 그림 2 (c)는 하단 Buck 컨버터의 다이오드(D1)가 도통되고, 상단 Buck 컨버터 스위치(Q2)가 온되어 출력전압은 V2 전압을 발생한다.
Mode 3 : 그림 2 (d)는 하단 Buck 컨버터 스위치(Q1)가 온되고, 상단 Buck 컨버터 스위치(Q2)가 온되어 출력전압은 V1+V2 전압을 발생한다.
Table 1. Output voltage and power according to switching
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$Q_1$
|
$Q_2$
|
$V_M$
|
$P_1$
|
$P_2$
|
|
Mode0
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0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
Mode1
|
1
|
0
|
$V_1$
|
$V_{1} \cdot I_{L}$
|
0
|
|
Mode2
|
0
|
1
|
$V_2$
|
0
|
$V_{2} \cdot I_{L}$
|
|
Mode3
|
1
|
1
|
${V_1}+{V_2}$
|
$V_{1} \cdot I_{L}$
|
$V_{2} \cdot I_{L}$
|
표 1은 각 스위치의 상태에 따른 컨버터의 출력전압과 담당전력을 나타내고 있다. 표 1에서 알 수 있듯이 스위치의 상태에 따라 전력을 선택할 수 있는 경우는 Mode 1과 Mode 2이다.
Fig. 3. Inductor current and output voltage ripple
그림 3은 인덕터의 전류 리플과 콘덴서의 전압리플을 나타낸다. 인덕터(L)에 흐르는 전류를 iL이라고 정의하면 인덕터의 전류리플(△iL)은 식(1)과 같이 주어지고, 출력전압을 Vo라고 정의하면 출력전압의 리플(△Vo)은 식(2)와 같이 주어진다.
이때 V1의 듀티비는 d1, V2의 듀티비는 d2로 나타내었으며, T는 스위칭 주기를 나타낸다. 식에서 알 수 있듯이 두개의 스위칭 상태(d1, d2)에
따라 동일한 출력전압을 갖지만, 전압 및 전류 리플이 최소화되도록 결정을 할 수 있다.
Fig. 4. Output voltage and ripple on same input voltage
기존의 단일 Buck 컨버터의 경우 스위칭 소자의 시비율에 따라 출력 전압의 리플이 결정되지만, 제안된 시스템과 같이 이종전원을 사용하는 경우 상단
Buck 컨버터와 하단 Buck 컨버터의 입력 전압에 따라 출력 전압 리플이 변하므로 다양한 충전전압에 대응할 수 있는 전압 설계가 매우 중요하다.
그림 4는 입력전압 $V_1$, $V_2$ 전압 크기가 동일한 경우 시비율에 따른 출력전압과 출력전압 리플을 나타내고 있다. 그림 6에서 보듯이 기존 DC/DC 컨버터에 비해 출력전압 리플은 절반이 됨을 알 수 있다.
그림 5는 입력전압 $V_1$을 $V_2$ 전압 크기의 2배로 설정함으로써 3레벨 출력을 발생을 할 수 있는 구조이며, 시비율에 따른 출력전압과 출력전압리플을
나타낸다. 3레벨 출력은 스위칭 상태에 따라 출력 전압 리플의 크기가 변하므로 리플이 최소화되도록 스위칭을 할 수 있다. 그림 5의 아래쪽 그래프는 제안한 다중레벨 DC/DC 컨버터의 토폴로지에서 리플이 최소화가 되도록 하는 각 스위치($Q_1$, $Q_2$)의 시비율($d_1$,
$d_2$)을 나타낸다.
그림 6은 제안된 토폴로지에 동일한 크기의 입력 전압을 인가한 경우와 상이한 전압크기를 가지는 이종전원을 사용하여 구성한 컨버터에서 운용전압에 따른 출력전압
리플을 비교한 것이다. 출력 최대 전압(Vmax)의 절반이 되는 부분의 주변 구간을 제외한 83.3%의 영역에서 기존의 2레벨 컨버터보다 출력 전압
리플의 크기가 감소함을 확인할 수 있다. 특히 대부분의 모바일용 배터리 충전전압인 24, 48V에서 최
Fig. 5. Output voltage and ripple on different input voltage
Fig. 6. Voltage ripple comparison
소가 된다. 넓은 영역의 출력을 가져야 하는 모바일용 충전기에서 제안된 충전 시스템을 적용하면 기존의 토폴로지보다 전압 및 전류 리플 측면에서 유리함을
알 수 있다.
3. 시뮬레이션 및 실험 결과
3.1 시뮬레이션
본 논문에서 제안한 방식의 타당성을 검증하기 위하여 그림 7과 같이 각 출력전압(Vo)에서 전압리플이 최소화되는 것을 직관적으로 확인하기 위해 4개의 구간(Section)으로 나누었다. 또한 전압리플을 세
개의 지점(Point)에서 시뮬레이션 및 실험을 행하였다. 이때 사용된 파라미터는 표 2와 같다.
본 시뮬레이션과 실험에서는 인덕터 전류 및 출력 전압의 리플 크기를 확인하기 위해 스위칭 주파수($f_s$), 인덕터(L) 및 콘덴서(C)는 작게
설계하여 본 논문에서
Table 2. Parameter of multi-level DC/DC converter
|
$V+1$
|
24V
|
$V_2$
|
48V
|
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L
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450$\mu \mathrm{H}$
|
$f_s$
|
5kHz
|
|
C
|
34$\mu \mathrm{H}$
|
|
|
Fig. 7. Verification points
Fig. 8. Simulation circuits
제안한 내용을 검증하였다. 그림 8은 제안된 방식의 타당성 검증을 위한 Psim 시뮬레이션 구성 회로도이며, 배터리 등가 회로는 랜들스 모델로 구성하였다.
그림 9 (a)는 제안된 토폴로지의 동작을 확인하기 위해 저항 부하를 연결하여 출력 전압 지령치 60V에 대한 다중레벨 전압, 출력 전류와 출력 전압을 나타낸 파형이다.
3레벨 출력 전압을 확인할 수 있었으며, 출력 전압에 따라 전압 리플은 24V, 48V에서 0이 됨을 확인할 수 있었다. 또한 전압에 따른 출력 전류
리플 형상은 그림 6과 동일하게 나타났다.
Fig. 9. Dynamic response simulation waveforms
그림 9 (b)는 랜들스 모델로 구성된 배터리 등가 회로를 충전하는 과정의 출력 전압, 전류 파형을 나타낸다. 시뮬레이션에서는 충전 시간을 단축하기 위해 배터리의
등가콘덴서 용량을 0.08F 및 초기 충전 전압을 20V로 가정하였다. 그림에서 알 수 있듯이 초기에는 정전류 모드(CC Mode)로 충전하고, 배터리
SOC가 증가함에 따라 정전압 모드(CV Mode)로 동작하여 배터리 충전이 완료되도록 설정하였다. 배터리 충전량에 따라 전압, 전류 리플 형상은
저항부하를 연결한 경우와 동일하여 리플이 최소화되는 출력전압은 동일함을 확인하였다. 또한 최대 전류 리플은 약 4A로 최대가 됨을 알 수 있는데,
이때의 전류리플은 앞서 표 2에서 설명한 것과 같이 리플 크기를 확인하기 위해 인덕터와 콘덴서를 작게 설계한 것이다.
3.2 실험 결과
Fig. 10. Experiment stack
실험에 사용된 스택은 그림 10에 나타냈으며, 구성은 크게 AC/DC SMPS부, 제안된 다중레벨 DC/DC 컨버터 및 DSP 제어보드로 구성되어 있다.
실험에 사용된 배터리 셀의 모델명은 ICR18650 -26F로 리튬 이온 배터리 셀을 직렬 및 병렬로 구성하여 사용하였으며, 배터리 팩의 사양은 표 3에서 알 수 있다.
그림 11은 제안한 시스템을 이용해 방전 상태의 배터리 팩을 충전을 하여 배터리의 충전 전압 및 전류 파형을 데이터 로거(Data Logger)를 통해 기록한
것이다.
충전 전압 및 전류는 배터리의 사양에 맞추어 54.6V / 10A로 설정하였으며 본 실험을 통해 제안된 충전시스템의 타당성을 검증하였다.
그림 12는 제안된 방식의 출력 전류 리플 최소화를 확인하기 위한 파형으로, 그림 12 (a)는 출력전압을 30V로 제어한 경우이며, 기존 방식인 Point 2와 제안된 방식인 Point 1을 비교한 결과 제안된 방식이 기존 방식에 대해서
2배 감소함을 확인할 수 있었다. 그림 12 (b)는 Point 3에서 구간 절환 시 출력전압 및 전류 리플을 비교한 결과를 나타낸다. 출력 전압 및 전류의 리플율은 변동 없이 양호하게 절환 됨을
확인하였다.
그림 13은 출력 전압에 따른 전압 전류 리플을 확인하기 위한 파형으로 60V의 전압 지령 조건에서 과도상태를 나타낸다. 그림에서 알 수 있듯이 각 구간에서
Table 3. Specification of battery pack
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Nominal voltage
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Nominal capacity
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48.1V
|
20.8Ah
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Charging voltage
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Standard charge
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54.6V
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10.4A
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Discharge voltage
|
Rapid charge
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35.8V
|
20.8A
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The number of series
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The number of parallel
|
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13
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8
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Fig. 11. Battery charging waveforms
Fig. 12. Ripple characteristic according to switching method
Fig. 13. Dynamic response experiment waveforms
전압, 전류 리플 변화는 시뮬레이션 결과인 그림 9 (a)와 동일한 형태를 가진다. 그림에서 알 수 있듯이 출력 전압 24, 48V에서 출력전류 및 전압 리플이 0이 되어 모바일용 배터리 전압의 대다수를
이루는 24, 48V 충전 시 전류 리플을 작게 가져 갈 수 있음을 확인하였다.
4. 결 론
본 논문은 현재 급성장하고 있는 모바일용 새로운 다중레벨 충전기에 대한 토폴로지를 제안하였다. 제안된 토폴로지는 다양한 모바일용 배터리 전압에 대응하기
위해 이종전원의 전압을 24V 및 48V로 설정함으로 현재 대부분의 모바일 충전장치에 적합한 전압을 발생할 수 있도록 하였으며, 본 이종전원의 선정이
타당함을 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증하였다. 또한 제안된 충전기는 이종전원 중 한 개의 고장이 존재할 경우에도 낮은 전압을 갖는 모바일용 충전기로
사용이 가능함을 확인하였다.
Acknowledgements
본 연구는 한국전력공사의 2018년 착수 에너지 거점대학 클러스터 사업에 의해 지원되었음.
(과제번호 : R18XA04)
References
Yim. H, Lee. K, 2015, Preliminary Modular Design for Electric Personal Mobility with
Design-Engineering Collaboration, World Electric Vehicle Journal, Vol. 7, No. 3, pp.
426-435
Nakajima Shuro, 2017, Evaluation of the Mobility Performance of a Personal Mobility
Vehicle for Steps, Access IEEE, Vol. 5, pp. 9748-9756
P Thai. Q., et al. , Aug 2015, Evaluation of the Effects of a Personal Mobility Vehicle
on Multiple Pedestrians Using Personal Space, IEEE Transactions on Intelligent Transportation
Systems, Vol. 16, pp. 2028-2037
Ulfich K. T., Oct 2005, Estimating the technology frontier for personal electric vehicles,
Transp. Res. Part C, Emerging Technol., Vol. 13, No. 5/6, pp. 488-462
Sawatzky B., et al. , Nov 2007, The segway personal transporter as an alternative
mobility device for people with disabilities: A pilot study, Arch. Phys. Med. Rehabil.,
Vol. 88, No. 11, pp. 1423-8
K Thulasi, et al. , April 2013, A Novel Design of LLC Resonant Converter for Wide
Output Voltage Range, International Journal of Engineering and Innovative Technology,
Vol. 2, No. 10
Erickson R. W., Maksimovic D., 2001, Resonant converters in Fundamentals of Power
Electronics, 2nd ed., Boulder, CO: Kluwer, No. ch.19, pp. 705-759
Biography
He received B.S degree in electrical engineering from Chonnam National University.
Currently, he is pursuing M.S. degree at Chonnam National University, Gwangju, Korea.
His research interests are include the areas of AC-DC, DC-DC, and DC-AC power conversion
system and motor control.
He received B.S degree in electrical engineering from Korea Maritime & Ocean university
and M.S degree electrical engineering from Pusan National university.
Currently, he is pursuing Ph.D. degree at Chonnam National University, Gwangju, Korea.
His research interests include the area of DC-DC, battery charger.
She received the B.S., M.S., and Ph.D. degrees in electronics and computer engineering
from Chonnam National University, Gwangju, Korea in 1986, 2001 and 2011, respectively.
She is currently an Associate Professor with the Department of Lift Engineering, Korea
Lift College, Geochang, Korea.
Her research interests include motor control, mechatronics and micro-machine automation.
He received the B.S., M.S., and Ph.D. degrees in electrical engineering, and the Ph.D.
degree in mechanical engineering from Pusan National university, Pusan, Korea, in
1991, 1993, 1996, and 2002, respectively.
He is currently a Professor of the dept. of electrical engineering at Chonnam National
University, Gwangju, Korea.
His research interests include power electronics, motor control, mechatronics, micro-machine
automation, and robotics control.