1. 서 론

현재 우리는 각종 스마트기기, 전기자동차, 드론, 가전제품, 로봇 등의 모든 것들이 배터리로 움직이는 시대에 살고 있다. 때문에 충·방전이 가능한 이차전지에 대한 사람들의 관심 및 수요가 급증하고 있다^[1]. 이차전지 중 리튬 이차 전지는 높은 에너지 저장 밀도, 높은 전압, 작은 크기 등의 장점으로 각종 휴대기기, 에너지저장장치(ESS), 전기자동차(EV)등의 다양한 분야에 적용되고 있다. 하지만 배터리의 수요와 활용도가 증가함에 따라 리튬 이차 전지의 폭발 및 화재 사고도 함께 증가하고 있다^[2]. 이러한 배터리 사고는 ESS, 전기자동차, 전동킥보드, 스마트기기 등을 가리지 않고 다양한 곳에서 발생하고 있는 추세이다. 리튬 이차 전지에 의한 발생된 사고는 대부분 폭발, 화재 사고이며, 발생 원인으로는 배터리 측에 가해진 충격, 배터리 과충전 및 과방전, 배터리 온도 문제 등을 꼽을 수 있다^[3]. 이러한 사고 원인은 리튬 이차 전지가 가진 단점과 연결되어 있기 때문에 해결책을 찾기 위해 많은 연구가 진행되고 있으며, 대응책 중 하나로 제시되고 있는 것이 슈퍼 커패시터의 도입이다. Table 1은 리튬 이차 전지와 슈퍼 커패시터를 비교한 것이다. 슈퍼 커패시터는 리튬 이차 전지에 비해 높은 전력 밀도, 긴 수명을 가지며, 고속 충·방전이 가능하고, 온도 특성 또한 리튬 이차 전지에 비해 뛰어나다. 하지만 에너지 밀도가 낮고 가격이 비싸다는 단점을 가진다^[4].

때문에 리튬 이차 전지가 단독으로 사용되던 곳에 슈퍼 커패시터를 추가할 경우 리튬 이차 전지로 인하여 발생하는 문제점을 해결할 수 있으며, 이러한 시스템을 하이브리드 전력공급 시스템이라 한다^[5].

본 논문에서는 슈퍼 커패시터의 뛰어난 방전 성능을 활용하기 위해 전력변환장치를 이용하여 슈퍼 커패시터의 전압을 리튬 이차 전지의 전압보다 높게 승압 시켜두었다가, 부하로 전력 공급이 필요 할 경우 슈퍼 커패시터가 먼저 단독으로 부하에 전력을 공급하는 하이브리드 전력 공급 시스템과 전력변환장치의 제어 기법을 제안한다. 슈퍼 커패시터를 충전하기 위한 전력변환장치는 슈퍼 커패시터의 전압이 입력 전압보다 낮은 구간과 높은 구간에서 모두 충전 동작을 수행해야하기 때문에 승압과 강압이 모두 가능한 H-Bridge Buck-Boost 컨버터 토폴로지를 적용하였다. 제안한 시스템은 컨버터가 슈퍼 커패시터를 충전하는 도중에 강압모드에서 승압모드로 절체 되는데, 해당 토폴로지는 각 모드로 동작 시 사용되는 메인 스위치가 달라지기 때문에, 적절한 절체 기법이 없을 경우, 사고가 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 하이브리드 시스템에 적용되는 슈퍼 커패시터 모듈의 충전을 위한 H-Bridge Buck-Boost 컨버터의 모드 절체 제어 기법을 제안하였고, 시뮬레이션과 실험을 통해 기법의 타당성을 검증하였다.

2. 리튬 이온 커패시터 모듈이 적용된 하이브리드 전력공급 시스템

Fig. 1은 본 논문에서 제안하는 리튬 배터리와 슈퍼커패시터(리튬 이온 커패시터 모듈)가 결합된 하이브리드 전력공급 시스템의 전체 구성도를 보여준다. 제안하는 시스템은 리튬 폴리머 배터리, 슈퍼 커패시터 모듈, H-Bridge Buck-boost 컨버터, 릴레이와 다이오드를 직렬로 연결한 보호회로로 구성된다. 입력은 22V 리튬 폴리머 배터리 2개를 직렬로 구성하여 44V이며, 출력으로 사용되는 슈퍼 커패시터는 리튬 이온 커패시터로 한 셀당 3.8V, 3,200F 이지만, 14개를 직렬로 연결하여 53V, 228F의 용량을 가진다. 제안하는 시스템은 부하로 전력 공급이 필요하지 않을 경우 H-Bridge Buck-Boost 컨버터를 이용하여 리튬 폴리머 배터리로 리튬 이온 커패시터 모듈을 충전한다. 부하에서 전력이 필요할 경우 방전 성능이 뛰어난 리튬 이온 커패시터 모듈이 먼저 단독으로 부하에 전력을 공급하게 되며 리튬 이온 커패시터 모듈이 방전되어 리튬 폴리머 배터리와 전압이 비슷해지면 리튬 폴리머 배터리도 함께 부하 측으로 전력을 공급한다.

Fig. 1. Configuration of Hybrid power supply system using lithium battery and super capacitor

2.1 H-Bridge Buck-Boost 컨버터

Fig. 2는 본 논문의 하이브리드 전력 공급 시스템에 적용된 H-Bridge Buck-Boost 컨버터 토폴로지를 보여준다.

Fig. 2. Schematic of H-bridge buck-boost converter

H-Bridge Buck-Boost 컨버터는 일반적인 Buck-Boost 컨버터와는 다르게 출력 전압이 반전되지 않기 때문에 비반전 Buck-Boost 컨버터라고도 불리며, 고효율, 고전력밀도를 만족하기 때문에 태양광 발전, 연료전지, 전기자동차 등과 같은 분야에 널리 사용되고 있다^[6].

H-Bridge Buck-Boost 컨버터는 강압 모드로 동작 시 Fig. 3과 같이 S1이 메인 스위치가 되어 Duty에 따른 PWM 동작을 수행하며, S2는 보조 스위치가 되어 항시 OFF 상태를 유지한다.

승압 모드에서는 Fig. 4와 같이 S1은 보조 스위치가 되어 상시 ON상태를 유지하며, S2가 메인 스위치가 되어 Duty에 따라 PWM 동작을 수행한다^[7]. 이처럼 승압 및 강압 동작 시 메인 스위치와 보조 스위치가 서로 바뀌고, 보조 스위치의 동작 상태도 서로 다르기 때문에 모드 전환 시 적절한 절체 기법이 없다면, 오동작으로 인하여 사고가 발생할 수 있다.

Fig. 3. Buck mode operation of H-bridge buck-boost converter

Fig. 4. Boost mode operation of H-bridge buck-boost converter

3.H-bridge Buck-Boost 컨버터의 모드 절체 제어 기법

본 논문에 적용한 하이브리드 전력공급 시스템에서 초기에 리튬 이온 커패시터 모듈은 리튬 폴리머 배터리보다 전압이 낮을 수도, 높을 수도 있다. H-Bridge Buck-Boost 컨버터는 어떠한 조건에서도 리튬 이온 커패시터 모듈을 충전해야 하는데, 이때 동작 모드의 절체가 발생할 수 있다. 동작 모드의 자연스러운 절체를 위해서는 동작 모드가 바뀌기 위한 확실한 기준과 알고리즘이 필요하며, 절체 되는 순간 컨버터의 과도상태를 최소화하기 위한 적절한 전향보상이 필요하다.

Fig. 5. Proposed control block diagram of H-bridge buck-boost converter

Fig. 6. Proposed mode transfer algorithm

Fig. 5는 리튬 이온 커패시터 모듈의 충전을 위해 본 논문에서 제안하는 H-Bridge Buck-Boost 컨버터의 제어 블록도를 보여준다.

강압모드 및 승압모드에서 충전 전류 제어를 위한 전류 제어기 하나로 동작하며, 제어기의 출력은 전향보상 값과 더해져 값의 크기에 따라 스위칭 상태를 결정한다. 이 값이 1보다 작을 경우에는 벅 컨버터로 동작하기 위한 듀티 값이 되며, 1보다 클 경우에는 부스트 컨버터로 동작하기 위한 듀티 값이 된다. 모드를 결정하기 위한 Mode Selection 블록은 입력 전압인 리튬 폴리머 배터리 전압 Vin과 출력 전압인 리튬 이온 커패시터 전압 Vout을 피드백 받아 Fig. 6과 같은 알고리즘을 통해 컨버터의 동작 모드를 결정한다. 단순히 입력 전압과 출력 전압의 차이를 비교하여 모드를 절체하게 될 경우, 출력 전압의 맥동이나, 센싱값의 오차 등에 의하여 짧은 순간 강압 모드와 승압 모드가 계속 반복 전환되는 문제가 발생할 수 있다. 때문에 강압 모드에서 승압 모드로 절체되는 순간 Mode_Cnt 변수를 지정하여 해당 변수 값이 일정 수준에 도달하지 않을 경우 다시 강압 모드로 돌아가는 것을 방지하도록 하였다. 해당 제어 알고리즘은 DSP의 PWM 인터럽트 내에서 200μsec 마다 반복된다.

Mode Selection 블록에 의해 컨버터의 동작 모드가 결정되면 결정된 모드에 따라 전향보상 값을 계산한다. 식 (1)은 강압 모드 시 전향보상 값을 계산하기 위한 수식이며, 식 (2)는 승압 모드 시 전향 보상 값을 계산하기 위한 수식이다.

(1)

(2)

각각의 전향보상 값은 Buck 컨버터와 Boost 컨버터의 전압 전달비를 기준으로 계산되며, 너무 큰 값의 보상 값이 한번에 적용되는 것을 방지하기 위해 FF_gain(0.1∼0.4) 값을 적용하였다.

4. 시뮬레이션

본 논문에서 제안한 모드 절체 기법의 타당성을 검증하기 위해 PSIM을 이용한 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션에 적용한 파라미터는 Table 2와 같으며, 시뮬레이션 회로도는 Fig. 7과 같다. 시뮬레이션 회로도는 컨버터 회로부와 지령 생성부, DLL 블록을 사용한 컨트롤러부로 구성된다. 실제와 비슷하게 진행하기 위해 컨버터 입력은 리튬 폴리머 배터리를 모델링하여 적용하였다. 그러나 시뮬레이션 툴의 한계상 리튬 이온 커패시터의 용량을 228F으로 진행할 수 없었기 때문에 100mF으로 진행하였다. 또한 강압 모드와 승압 모드의 동작을 확실하게 확인하기 위해 리튬 이온 커패시터의 초기 전압을 0V로 설정하고 진행하였다.

Fig. 8은 H-Bridge Buck-Boost 컨버터의 시뮬레이션 결과 파형을 보여준다. 컨버터의 입력으로 사용되는 리튬 폴리머 배터리의 초기 전압은 44V이며 SOC는 88％로 설정하였다. 리튬 이온 커패시터의 초기 전압은 0V이기 때문에 충전이 시작되면 H-Bridge Buck-Boost 컨버터는 강압 모드로 동작하며 리튬 이온 커패시터를 충전한다. 충전이 진행됨에 따라 리튬 폴리머 배터리의 전압과 SOC는 서서히 감소하며, 리튬 이온 커패시터의 전압은 상승한다. 리튬 폴리머 배터리의 전압과 리튬 이온 커패시터 전압이 비슷해지는 구간에서 컨버터는 승압 모드로 전환된다.

이때 제안한 절체 기법이 적용되었기 때문에 모드 전환 시 오작동이 발생하지 않으며, 전향보상 값에 의하여 충전 전류에 과도상태가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7. Schematic of H-bridge buck-boost converter simulation

Fig. 8. Simulation waveform of H-bridge buck-boost converter(Proposed method)

Fig. 9. Simulation waveform of H-bridge buck-boost converter(Method not applied)

Fig. 9는 본 논문에서 제안한 기법을 적용하지 않았을 경우의 시뮬레이션 파형을 보여준다. 모드가 전환되는 순간 인덕터 전류에 언더슈트가 발생하고, 부스트 모드로 동작 중에도 계속하여 과도상태가 발생하는 것을 파형을 통해 확인할 수 있다. 이러한 현상이 실제 실험에서 발생한다면, 인덕터 전류 허용치를 넘는 전류가 흐르게 되어 큰 문제가 발생 할 수 있다.

5. 실 험

Fig. 10은 본 논문에서 제안한 기법의 실제 검증을 위해 구성한 실험 세트이며, Fig. 11은 H-Bridge Buck-Boost 컨버터 하드웨어이다.

컨버터를 제어하기 위한 제어보드는 Ti社의 TMS320F28377S MCU를 적용하였으며, 컨버터의 동작 상태를 모니터링하고, 제어할 수 있는 별도의 Touch Panel을 구성하여 실험을 진행하였다. Table 3는 실험 세트의 파라미터를 보여준다.

Fig. 10. Experimental set for proposed system

Fig. 11. Hardware of H-bridge buck-boost converter

실험에 적용된 리튬 폴리머 배터리는 하나당 22V (3.7V * 6)이며, 두 개를 직렬로 연결하여 44V의 전압을 가진다. 리튬 이온 커패시터 모듈은 한 셀당 3.8V, 3,200F으로, 본 실험에는 14개를 직렬로 연결하여 약 53V, 228F이며, 실제 가용 전압은 39.2V ∼ 54V 이다.

Fig. 12는 H-Bridge Buck-Boost 컨버터가 강압 모드에서 승압 모드로 절체되며 리튬 이온 커패시터 모듈을 충전하는 파형이다. 리튬 폴리머 배터리의 전압은 45.5V, 리튬 이온 커패시터 모듈은 39.5V인 상태이며, CC 지령은 10A이고, CV지령은 53V이다. H-Bridge Buck-Boost 컨버터는 초기에 강압 모드로 동작하며 리튬 이온 커패시터 모듈을 충전하며, 리튬 폴리머 배터리의 전압과 리튬 이온 커패시터 모듈의 전압이 비슷해지는 구간에서 승압 모드로 절체되어 CV 지령까지 리튬 이온 커패시터를 충전한다. Fig. 13은 Touch Panel의 충전 시작 전과 충전 완료 후 화면을 보여준다. Touch Panel을 통해 충전 시작 전, 후의 배터리, 커패시터 전압과 출력 전류 및 컨버터 동작 시 강압 스위치와 승압 스위치의 동작 Duty 정보 등을 확인 할 수 있다.

Fig. 12. Charging operation waveform(Buck → Boost)

Fig. 13. Touch panel screen(Buck → Boost)

Fig. 14는 H-Bridge Buck-Boost 컨버터가 초기에 바로 승압 모드로 동작하여 리튬 이온 커패시터 모듈을 충전하는 파형이다.

Fig. 14. Charging operation waveform(Boost)

또한 Fig. 15는 초기에 승압 모드 동작 시 Touch Panel의 상태를 보여준다.

Fig. 15. Touch panel screen(Boost)

리튬 폴리머 배터리의 초기 전압은 45.4V이며, 리튬 이온 커패시터 모듈의 초기 전압은 45.3V이기 때문에, 컨버터는 바로 승압모드로 동작하여 리튬 이온 커패시터 모듈을 충전하는 것을 파형을 통해 확인할 수 있다.

6. 결 론

본 논문에서는 리튬 이차 전지와 슈퍼 커패시터가 결합된 하이브리드 전력공급 시스템에서 슈퍼 커패시터를 충전하기 위한 H-Bridge Buck-Boost 컨버터의 모드 절체 기법을 제안하였다.

제안하는 기법을 H-Bridge Buck-Boost 컨버터에 적용할 경우 강압 모드와 승압 모드에서 하나의 제어기를 사용하여 모드 절체가 가능하며, 모드 절체 시 과도상태가 발생하지 않는 것을 시뮬레이션을 통하여 확인하였고, 실제 하드웨어 세트를 제작하여 실험을 통해 제안한 기법의 타당성을 검증하였다.

리튬 이차 전지로 인하여 발생하는 사고가 증가하고 있다. 때문에 리튬 이차 전지를 보조하기 위한 슈퍼 커패시터가 추가된 하이브리드 전력공급 시스템에 본 논문에서 제안한 기법이 효과적일 것이라 예상된다.