최영훈
(Young-Hoon Choi)
1iD
윤재중
(Jae-Jung Yun)
†iD
-
(Master course, Department of Electrical Eng., Chungbuk National University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Active cell balancing, Battery management system, Flyback converter, GaN FETs
1. 서 론
최근 에너지 저장 장치로 많이 사용되는 배터리는 출력 파워를 높이기 위해 다수의 셀이 직, 병렬로 연결된 모듈 또는 팩으로 사용된다. 그러나 각각의
셀은 제조 공정의 오차나 주변 환경에 의해 서로 다른 특성을 가지게 되고 사용 시간이 증가하면서 셀 간의 전하 불균형이 발생한다. 전하 불균형 상태에서
배터리를 충, 방전을 하게 되면 과 충전 또는 과 방전이 발생하고 이것은 배터리의 수명 저하나 화재, 폭발을 일으킬 수 있다(1). 따라서 안전하고 효율적인 배터리 사용을 위해서 각 셀의 전압을 맞춰주는 셀 밸런싱 회로가 필요하다(2-3).
셀 밸런싱에는 수동 방식과 능동 방식이 있다. 수동 방식은 배터리 셀에 저항이 병렬로 연결되어 전압이 높은 셀을 저항을 통해 에너지를 소모 시켜서
밸런싱하는 방법으로 열이 발생하고 에너지 효율을 떨어뜨리는 단점이 있다. 이러한 수동 셀 밸런싱의 단점들을 보완하기 위해 능동 셀 밸런싱의 방법들이
연구되어 왔다(4-11). 능동 방식에는 커패시터 방식과 컨버터 방식 등이 있다. 커패시터 방식(4)은 커패시터에 에너지를 저장하고 방출하며 셀 간에 전하를 주고받는 방식이다. 이 방식은 회로와 제어가 간단하지만 밸런싱 속도가 느리다는 단점이 있다.
컨버터 방식은 컨버터를 이용하여 셀 간 또는 셀과 모듈(팩) 간 에너지를 전달하는 방식으로 밸런싱 속도가 빠르다는 장점이 있다. 셀 밸런싱용 컨버터는
벅 컨버터(5), 벅부스트 컨버터(6), 플라이백 컨버터(7-12) 등이 있다. 이중 가장 많이 사용되고 있는 플라이백 컨버터는 다른 컨버터들에 비하여 회로의 구성이 간단하고 제어가 쉽다는 장점이 있다.
기존의 셀 밸런싱용 플라이백 컨버터의 스위치로는 MOSFET이 사용되고 있다(8-12). 하지만 MOSFET은 물리적 특성의 한계로 인해 셀 밸런싱 회로의 효율을 향상시키는 데에 한계가 있다. 반면 차세대 반도체로 손꼽히는 GaN FET은
MOSFET보다 작은 도통 저항과 빠른 스위칭 속도를 가지고 있어 스위치 손실이 작고 고속 스위칭이 가능하다는 장점이 있다(13). 이러한 장점으로 몇 년 전부터 충전기, 마이크로 인버터 등 여러 어플리케이션에서 GaN FET을 전력변환장치에 적용하려는 연구들이 많이 수행 되어
왔다 (14-17). 그러나 셀 밸런싱 기술에서 컨버터의 효율이 밸런싱 시간 및 에너지 사용량과 직접적으로 연관이 되어 있음에도 불구하고 GaN FET을 적용한 셀
밸런싱 회로에 대한 연구는 거의 보고되지 않고 있다.
따라서 본 논문에서는 높은 효율을 가지는 셀 밸런싱 방법을 연구하였으며 이를 위하여 소프트 스위칭이 가능한 DCM모드의 GaN FET 기반 플라이백
컨버터를 제안하였다. 제안하는 능동 셀 밸런싱 회로는 단일권선 플라이백 컨버터와 셀 선택을 위한 양방향 스위치로 구성된다. 이것은 배터리 팩 또는
외부전원의 에너지로부터 전하량이 작은 약한 셀에 에너지를 전달하는 방법으로 셀 밸런싱을 수행한다. 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 DCM 플라이백
컨버터 셀 밸런싱 회로의 동작에 대하여 설명하였고, 3장에서는 실험을 통해 개선된 성능을 검증하였으며 4장에서는 본 연구의 의의와 결과를 요약하였다.
2. 제안한 능동 셀 밸런싱 회로
2.1 셀 밸런싱 회로
본 논문에서 제안하는 셀 밸런싱 회로는 Fig. 1과 같이 단일 권선 DCM 플라이백 컨버터, 양방향 스위치, 밸런싱 저항(R$_{bal}$)으로 구성된다. 양방향 스위치는 전하량이 가장 작은 셀을
선택하여 플라이백 컨버터의 출력단과 연결하고 플라이백 컨버터는 배터리 팩 또는 외부전원으로부터 에너지를 받아서 선택된 셀에 에너지를 공급한다. 이때
R$_{bal}$은 배터리를 과전류로부터 보호한다. 에너지를 공급한 뒤에는 배터리 내부 임피던스의 영향을 제거한 셀들의 OCV(Open Citcuit
Voltage)를 비교하기 위하여 휴지기간을 갖는다.
Fig. 1. Proposed active cell balancing circuit using DCM flyback converter
2.2 DCM 플라이백 컨버터를 이용한 셀 밸런싱 동작
Fig. 2는 Fig. 1의 제안된 회로가 선택된 셀에 에너지를 공급할 때의 등가회로를 각 동작 모드별로 나타내고 있으며 Fig. 3는 이때의 각 주요 소자의 파형을 나타내고 있다. 각 모드에서의 회로의 동작은 다음과 같다.
Fig. 2. Operation modes of the proposed balancing circuit
(a) Mode 1(t0-t1): t0에서 스위치가 턴-온 되면 L$_{m}$의 양단에 V$_{in}$이 인가되고 다이오드는 턴-오프된다. DT의
시간 동안 I$_{in}$이 증가하고 I$_{in}$의 기울기는 V$_{in}$/L$_{m}$이다. 따라서 L$_{m}$에 흐르는 최대 전류 I$_{ppk}$는
식 (1)과 같다.
(b) Mode 2(t1-t2): t1에서 스위치가 턴-오프 되면 2차측 다이오드가 도통되어 변압기 1차 측의 L$_{m}$ 에 흐르는 전류가 변압기
2차측에 전달되어 전류 I$_{s}$가 흐르기 시작한다. 변압기 2차측 전류(I$_{s}$)는 D1T의 시간 동안 감소하게 되어 t2에서 0이 된다.
t1에서 변압기 턴수 비에 의하여 2차측 전류의 최댓값 I$_{spk}$은 식 (2)와 같다.
Fig. 3. Key waveforms of the proposed circuit
2차측 전류 I$_{s}$의 평균값 I$_{s(avg)}$는 Fig. 3의 (t1-t2) 구간에서 I$_{s}$ 파형의 삼각형의 넓이를 스위칭 주기로 나누어서 구할 수 있다.
부하전류 I$_{out}$은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
커패시터의 Ampere-Second 밸런스에 의하여 커패시터 전류 IC를 한 주기 동안 적분한 값은 0이므로 I$_{s(avg)}$와 I$_{out}$은
같다. 따라서 식 (3)과 식 (4)에 의해서 식 (5)가 유도된다.
식 (5)로 부터 $D_{1}$은 다음과 같이 구할 수 있다.
(c) Mode 3($t_{2}-t_{3}$): L$_{m}$ 에 흐르는 전류가 $(t_{2}-t_{3})$ 동안 0이 되는 DCM으로 동작하는 구간이다.
이때, L$_{m}$에 저장된 에너지가 모두 2차측으로 전달되어 2차측 전류(I$_{s}$)가 0이 된다. 따라서 다이오드가 차단되므로 부하와 커패시터에만
전류가 흐른다.
자화 인덕턴스 L$_{m}$의 Voltage-Second 밸런스에 의하여 입출력 전압 식은 다음과 같이 구할 수 있다.
식 (6)을 식 (7)에 대입하여 출력전압 V$_{out}$을 구하면 식 (8)과 같다.
따라서 출력전압 V$_{out}$은 L$_{m}$, V$_{cell}$, V$_{in}$, R$_{bal}$, D, T에 따라 결정된다.
에너지 공급 기간에는 Mode 1, Mode 2, Mode 3를 반복하며 밸런싱 에너지를 전달하고 배터리 내부 임피던스의 영향을 제거한 셀들의 OCV를
비교하기 위하여 긴 휴지기간을 갖는다.
Fig. 4. 5W GaN FET-based flyback converter for proposed cell balancing(41mm x 60mm)
3. 제안한 회로를 이용한 셀 밸런싱 실험
본 논문에서 제안하는 회로의 개선된 성능을 검증하기 위해 GaN FET 기반의 플라이백 컨버터(Fig. 4)와 MOSFET 기반의 플라이백 컨버터를 각각 제작한 뒤 효율을 측정하고 셀 밸런싱 실험을 진행하였다. 사용된 GaN FET과 MOSFET의 소자
스펙은 Table 1에 나타내었다. GaN FET이 MOSFET보다 작은 도통 저항과 기생 커패시턴스를 가지며 스위치를 제외한 나머지 부품들은 같은 소자를 사용하였다.
제작된 플라이백 컨버터는 입력전압 12V, 출력전압 5V, 스위칭 주파수 80kHz에서 구동되며 최대 출력 파워는 5W이다. 사용한 변압기의 권선비(n:1)는
3:1이고 자화 인덕턴스(L$_{m}$)는 30μH이었다.
Table 1. Switch specifications used in the experiment
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GaN FET
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MOSFET
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Model
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GS61008P-MR
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IPD068N10N3GATMA1
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Maximum drain-source voltage (V$_{ds(max)}$)
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100[V]
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100[V]
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Maximum drain-source current (I$_{ds(max)}$)
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90[A]
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90[A]
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On-resistance (R$_{ds(on)}$)
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7[mΩ]
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8.5[mΩ]
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Input capacitance (C$_{iss}$)
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600[pF]
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3690[pF]
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Output capacitance (C$_{oss}$)
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250[pF]
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646[pF]
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Reverse transfer capacitance (C$_{rss}$)
|
12[pF]
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25[pF]
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3.1 플라이백 컨버터 효율 비교
Fig. 5는 제안된 셀 밸런싱 회로에 GaN FET 과 MOSFET을 각각 적용했을 때 1W에서 5W까지 출력파워를 변화시키면서 측정한 효율을 비교한 그래프이다.
측정한 결과 GaN FET 과 MOSFET 회로는 출력 파워 2.5W에서 각각 91.8%와 83.2%의 최대 효율을 가졌으며 GaN FET회로의
효율은 MOSFET회로에 비해 8.6%의 효율이 개선되었다.
Fig. 5. Measured power efficiency of GaN FET and MOSFET based flyback converters
Fig. 6은 5W의 출력파워에서 측정된 GaN FET과 MOSFET의 턴-오프 시간(T$_{off}$)과 턴-오프 에너지(E$_{off}$)를 나타낸다. GaN
FET의 턴-오프 시간은 145.6ns로 MOSFET의 턴-오프 시간인 248ns보다 약 40% 짧았으며 GaN FET의 턴-오프 에너지는 5.4μJ로
MOSFET의 턴-오프 에너지인 7.6μJ보다 약 29% 작았다. 실험결과로부터 스위칭 특성이 우수한 GaN FET을 사용하여 스위치 손실을 개선할
수 있음을 확인하였다.
Fig. 6. Measured turn-off energy loss(E$_{off}$) and time(T$_{off}$) of GaN FET and MOSFET
3.2 셀 밸런싱 실험
직렬로 연결된 두 셀(Cell1, Cell2)을 대상으로 밸런싱 실험을 진행하였다. 밸런싱 전 Cell1의 OCV는 1.125V, Cell2는 1.380V로
측정되었다. 따라서 OCV가 작은 Cell1은 셀선택 스위치에 의하여 플라이백 컨버터의 출력단과 연결되었다. 밸런싱을 위한 출력전류(I$_{out}$)는
Fig. 5에서 나타낸 플라이백 컨버터의 최대 효율지점인 출력파워 2.5W를 고려하여 0.5A로 설계했다. 배터리에 0.5A의 I$_{out}$에서 셀 전압(V$_{cell}$)은
배터리 내부 임피던스에 의해 약 1.4V로 측정되었으며 식 (4)에 의해 7.2Ω의 R$_{bal}$을 사용하였다. 실험에서 사용된 배터리는 니켈 수소 배터리(BK-3MCCE)이며 2Ah의 정격 용량을 가진다.
정격 용량의 약 2%(40mAh)마다 두 Cell의 OCV를 비교하기 위해 300sec동안 에너지를 공급한 뒤 1600sec동안 휴지기간을 가졌다.
에너지 공급과 휴지기간을 반복하며 Cell1과 Ce112의 OCV가 같아질 때까지 실험을 진행했다. Fig. 7은 GaN FET 회로와 MOSFET 회로에서 밸런싱 실험을 진행하며 측정한 Cell1의 전압을 나타내고 있다. 에너지 공급 기간에는 배터리 내부
임피던스에 의해 셀 전압이 상승하고, 휴지기간에는 임피던스의 영향이 사라지면서 안정화된다. DCM플라이백 컨버터의 동작으로 셀 밸런싱이 수행됨에 따라서
두 셀의 OCV차이는 0.255V에서 0V로 감소되었다. Table 2는 Fig. 7의 셀 밸런싱 실험 결과를 정리한 표이다. GaN FET 적용회로는 GaN FET 소자의 우수한 전기적 특성으로 MOSFET 적용회로에 비하여 높은
효율을 가지게 되므로 같은 입력 파워에서 더 큰 밸런싱 전류를 출력할 수 있었다. 따라서 GaN FET 기반의 제안된 회로는 17100sec, MOSFET
기반의 회로는 19000sec의 밸런싱 시간이 소요되었다. 결과적으로 GaN FET을 적용한 제안된 회로는 MOSFET 기반의 밸런싱 회로에 비하여
높은 효율을 가지게 되므로 밸런싱 시간이 단축되고 밸런싱에 필요한 에너지가 절약될 수 있었다.
Table 2. Comparison of experimental results when GaN FET and MOSFET were applied to
the proposed circuits
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GaN FET
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MOSFET
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Input Power
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2.8[W]
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2.8[W]
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Flyback Converter Power Loss
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0.3[W]
|
0.51[W]
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Output Power
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2.5[W]
|
2.29[W]
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Output Current
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0.498[A]
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0.475[A]
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Loss by R$_{bal}$
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1.785[W]
|
1.625[W]
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Total Power Loss
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2.065[W]
|
2.215[W]
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Balancing Time
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17100[sec]
|
19000[sec]
|
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Total Energy Loss
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5576[J]
|
6645[J]
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Fig. 7. The voltage of cell1(V$_{cell1}$) measured while GaN FET and MOSFET circuits are performed the balancing operation
4. 결 론
본 논문에서는 외부전원 또는 배터리 팩에서 전하량이 작은 셀로 밸런싱 에너지를 전달하는 능동 셀 밸런싱 회로를 제안하고 이에 사용되는 컨버터의 효율을
개선하는 방안을 연구하였다. 컨버터의 효율을 개선하기 위하여 전기적 특성이 우수한 GaN FET을 적용한 DCM모드의 플라이백 컨버터를 사용하였으며
MOSFET을 적용한 밸런싱 회로들과의 비교 실험을 통해 검증을 하였다. 제안된 밸런싱 회로는 DCM 동작으로 소프트 스위칭이 구현되었고 MOSFET
대비 GaN FET의 작은 턴-오프시간으로 인하여 턴-오프 손실이 29% 감소했으며 그 결과 플라이백 컨버터의 효율이 최대 8.6% 상승했다. 따라서
MOSFET 기반의 밸런싱 회로와 비교하여 제안된 회로는 셀 밸런싱 시간과 사용되는 에너지가 10% 감소되었으며 두 셀이 밸런싱이 되는 동안 손실되는
에너지가 약 16% 감소되었다.
Acknowledgements
이 논문은 충북대학교 국립대학육성사업(2020)지원을 받아 작성되었음.
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Biography
He received the B.S. degree in electrical engineering from Chungbuk National University
in 2021, where he is currently pursuing the M.S. degree in electrical engineering.
His research interests include power converters and wireless power transfer.
He received the Ph.D. degree in electric engineering from Pohang University of Science
and Technology in 2012.
After graduation, he joined the Samsung Advanced Institute of Technology, Suwon, South
Korea, where he worked on developing power conversion systems for electric vehicles
and renewable energy.
From 2014 to 2020, he was an assistant professor with the department of electrical
engineering, Daegu University, Gyeongsan, South Korea.
Since 2020, he has been an assistant professor in school of electrical engineering
from Chungbuk National University.
His research interests include power converters, wireless power transfer, and battery
management system.