2.1 슈퍼커패시터의 전압 불균일 현상

슈퍼커패시터에 있어서 직렬로 연결되는 셀들의 전압 분포는 셀이 갖는 커패시턴스와 내부 병렬 저항 값에 따른 누설전류 차에 의해 달라진다. 슈퍼커패시터가 갖는 내부 병렬 저항 값에 따른 전압 불균일 현상을 보이기 위해 그림 1의 (a)와 같이 각 슈퍼커패시터의 내부 병렬 저항의 값을 1:2:3:4의 비율이 되도록 하면, 그림 1의 (b)에서와 같이 슈퍼커패시터에 걸리는 전압은 서로 달라지게 된다. 그림 1의 (a)에서 4개의 슈퍼커패시터를 충전하기 위해 공급되고 있는 직류전원 전압의 크기는 10.04V(셀 당 기준전압 2.51V를 가정)이었으며, 4개의 슈퍼커패시터 셀에 나타나는 전압의 크기는 병렬저항 값의 크기 비율 순에 따라 각각 1.00[V] : 2.01[V] : 3.02[V] : 4.01[V]를 나타내었고 가장 큰 전압을 나타낸 셀의 전압은 가장 작은 전압을 나타내는 셀 전압에 대해 4배에 해당하는 크기 편차를 보여주고 있다.

그림 1 슈퍼커패시터 내부 병렬 저항 차이에 따른 전압 불균일 현상의 예 (a) 슈퍼커패시터의 직렬연결 구성 (b) 슈퍼커패시터 불균일 전압 파형

Fig. 1 Example of voltage imbalance phenomenon of supercapacitor according to the internal resistance value (a) Series connection of supercapacitors (b) Imbalance voltage waveforms of supercapacitors

2.2 액티브 셔틀링 방식에 의한 전압 밸런싱

그림 2는 양방향 동기 플라이백 컨버터로 구성된 액티브 셔틀링 방식에 의한 슈퍼커패시터 밸런싱 충·방전 회로를 보여주고 있는 것으로, 슈퍼커패시터의 과, 부족 전압의 예에 따른 에너지의 흐름 상태를 나타내고 있다. 본 논문에서는 액티브 셔틀링 방식의 밸런싱 기능을 갖는 충방전 회로를 구성함에 있어 별도의 보조 커패시터나 보조 배터리를 사용하지 않고 입력 전원부의 정류기 커패시터를 이용하여 슈퍼커패시터 셀 간의 에너지 수수가 일어나도록 함으로써 빠른 전압 밸런싱이 가능하도록 하였는데, 그림에서와 같이 슈퍼커패시터 셀이 기준전압 대비 과전압으로 충전된 경우에는 잉여 에너지를 슈퍼커패시터에서 전원 정류기 커패시터 측으로 회생시키고, 슈퍼커패시터 셀 전압이 기준전압 대비 부족전압으로 낮아지게 되는 경우에는 부족한 에너지를 전원 커패시터 측에서 받아들이게 된다.

2.3 액티브 셔틀링 방식에 의한 전압 밸런싱 시뮬레이션

별도의 보조 커패시터나 보조 배터리를 사용하지 않고 입력 전원부의 정류기 커패시터를 이용하여 슈퍼커패시터 셀 간의 에너지 수수가 일어나도록 함으로써 슈퍼커패시터의 전압 밸런싱을 수행하는 액티브 셔틀링 방식의 밸런싱 기능을 확인하기 위하여 PSIM을 통한 시뮬레이션을 실시하였으며 그림 3은 슈퍼커패시터의 액티브 셔틀링 밸런싱을 위한 회로 구성을 보여주고 있다.

액티브 셔틀링 방식을 이용하여 직렬로 연결된 슈퍼커패시터 셀 4개에 대한 전압 밸런싱 작용을 확인하기 위하여 4개의 양방향 플라이백 컨버터가 구성되었으며 슈퍼커패시터 셀 간 전압 불균형은 그림 1에 제시된 조건을 그대로 사용하였다. 제어기로 각 슈퍼커패시터의 전압들이 센싱되어 입력되고 제어기로부터 각 양방향 동기 플라이백 스위치들을 온, 오프하기 위한 게이트 신호들이 출력된다.

그림 3 슈퍼커패시터 액티브 셔틀링 전압 밸런싱 회로 구성

Fig. 3 Circuit configuration for the active shuttling voltage balancing of supercapacitors

그림 4 액티브 셔틀링 슈퍼커패시터 전압 밸런싱 시뮬레이션 결과

Fig. 4 Simulation result of active shuttling voltage balancing for supercapacitors

그림 4는 PSIM을 통해 시뮬레이션한 슈퍼커패시터 셀 전압에 대한 전압 밸런싱 결과를 나타내고 있는데, 시뮬레이션에 있어서는 4개의 플라이백 컨버터를 제어하는 데 PI 제어기를 이용하였고, 슈퍼커패시터의 충·방전 시간을 줄임으로써 시뮬레이션의 수행 시간을 단축하기 위해 실제 슈퍼커패시터의 커패시턴스 650[F]을 0.065[F]으로 대폭 감소시켜 시뮬레이션을 수행하였다. 슈퍼커패시터의 기준 전압은 2.51[V]이었으며 그림에서 보여주고 있는 바와 같이 액티브 셔틀링 방식에 의한 전압 밸런싱 수행 후 각 슈퍼커패시터의 셀 전압 파형들은 과도시간 이후 모두 기준 전압 2.51[V]로 수렴하는 것을 확인할 수 있다.

3.1 슈퍼커패시터 전압 밸런싱 회로의 구성

본 논문에서는 양방향 동기 플라이백 컨버터를 사용하여 슈퍼커패시터 4개에 대한 밸런싱 회로를 구성하였으며, 그 동작은 그림 2에서 설명한 바와 같이 슈퍼커패시터의 충전 상태에 따라 결정되고 슈퍼커패시터의 수는 사용자의 요구 전압에 따라 계속해서 추가적으로 연결하여 사용하는 것이 가능하다. 이때 양방향 동기 플라이백 컨버터 구동 시 슈퍼커패시터가 직렬로 연결되기 때문에 제일 하단에 있는 컨버터 구동 스위치들의 소스(Source) 단자들은 그라운드(Ground)와 연결되어 문제가 되지 않으나, 그 이외의 컨버터들에 사용되는 스위치들의 소스(Source) 단자들은 플로팅(Floating) 되어 있으므로 이러한 스위치들의 구동을 위한 게이트 드라이버(Gate Driver)의 개발이 별도로 이루어졌으며, 개발된 게이트 드라이버 회로는 추가적으로 슈퍼커패시터들이 직렬로 연결되는 경우에도 이들을 위한 각 양방향 플라이백 컨버터들의 스위치들을 안정적으로 온, 오프할 수 있도록 한다.

3.2 디지털 제어기의 구성

액티브 셔틀링 방식(Active Shuttling Method)을 통한 슈퍼커패시터 밸런싱 회로의 제어를 위하여 ST사의 Cortex-M4 계열 MCU 중 실수연산이 가능한 마이크로컨트롤러 STM32F405RG를 사용하여 디지털 제어부의 개발이 이루어졌으며 개발된 디지털 제어 보드의 블록 다이어그램은 그림 5에서 보여주고 있는 바와 같다.

그림 5 개발된 디지털 제어 보드 블록 다이어그램

Fig. 5 Block diagram of the developed digital control board

STM32F405RG에는 12비트의 ADC가 16채널 내장되어 있으며, 내장된 ADC는 최고 약 416ns로 변환이 가능하고 ADC는 3개의 모듈로 구성되어 있어 동시에 3채널(ADC1, ADC2, ADC3)의 샘플/홀드가 가능하다. ADC는 직렬로 연결된 슈퍼커패시터들의 전압을 액티브 셔틀링 방식으로 제어하기 위해 필요한 셀 전압 등의 신호들을 입력받는 데 사용된다. 그리고 STM32F405RG에는 총 12개의 상보 동작을 하는 Advanced- Control Timer와 일반 범용 Timer 10개가 내장되어 있으며 이들은 각각 PWM 모드로 사용하는 것이 가능하다. 본 논문에서는 상보 동작하는 4개의 PWM(PWM 8채널)을 사용하고 SN74LVC1G125 버퍼를 사용하여 3.3[V]를 5[V]로 레벨 시프트 한 후 GPIO 포트로 8채널의 PWM 신호를 얻도록 하였다.

그림 6 슈퍼커패시터 충전모드 제어 알고리즘 순서도

Fig. 6 Flowchart of the control algorithm for charge mode of the supercapacitor

3.3 히스테리시스 제어 방식을 이용한 디지털 제어 알고리즘

개발된 디지털 제어 보드를 이용하여 슈퍼커패시터의 전압 밸런싱을 수행하기 위한 디지털 제어 알고리즘의 개발이 이루어졌으며 그림 6과 그림 7은 각각 슈퍼커패시터의 충전 시 및 방전 시의 제어 알고리즘을 나타내는 순서도이다. 슈퍼커패시터들의 기준전압은 2.51[V]로 설정되었으며, 슈퍼커패시터의 전압 크기가 2.4[V]보다 작을 때는 그림 6에서와 같이 충전모드로, 2.54[V] 보다 클 때는 그림 7에서와 같은 방전모드로 동작하게 된다. 순서도에서 보여주고 있는 바와 같이 충전모드에서는 처음에 CC(전류) 모드로 동작하게 되며 제어를 통해 슈퍼커패시터의 전압 값이 기준 전압으로 맞춰지게 되면 제어는 CV(전압) 모드로 변경되어 동작된다. 이후 일정 시간(5초) 동안 전압의 변동이 설정한 에러 값 안에 들어오면 컨버터를 동작시키기 위한 스위치 구동 PWM 신호들을 정지시키도록 한다.

방전모드는 슈퍼커패시터의 전압의 크기가 기준 전압을 넘어가는 경우이므로 과전압이 된 슈퍼커패시터로부터 전원측으로 에너지의 전달이 일어나게 된다. 이 경우에 있어서도 처음에는 양방향 플라이백 컨버터가 CC(전류) 모드로 동작하게 되며 슈퍼커패시터의 전압이 기준 전압 값으로 떨어지게 되면 CV(전압) 모드로 변경되어 제어된다. 여기에서도 마찬가지로 일정 시간(5초) 동안 전압의 변동이 설정한 에러 값 안에 들어오게 되면 컨버터들의 스위치들을 구동하기 위한 PWM 신호들을 정지시킨다.

구현된 제어방식은 히스테리시스 제어 방식과 유사하게 기준치와 측정치 사이의 차이인 에러 값이 설정 제어 값 안에 들어오면 현재의 스위칭 듀티비를 유지하도록 하게 하며, 측정값이 기준값 보다 크게 되면 PWM 듀티비를 감소시키고, 측정값이 기준값 보다 작게 되면 PWM 듀티비를 증가시키도록 동작한다.

그림 7 슈퍼커패시터 방전모드 제어 알고리즘 순서도

Fig. 7 Flowchart of the control algorithm for discharge mode of the supercapacitor