벅부스트 방식의 새로운 배터리 이퀄라이저

Abstract

전기 자동차(EVs)와 무정전 전원 공급 장치(UPS), 광발전 시스템(PV) 등 여러 가지 분야의 전력 시스템은 배터리로부터 각 시스템들로 필요한 전력을 공급하는 역할을 담당하며, 전체 시스템 운용의 신뢰성, 안정성을 결정짓는 중요한 요소이다. 배터리의 종류는 여러 가지가 있는데, 시스템이 요구하는 고전압을 얻기 위해 배터리를 직렬로 연결하여 배터리 스택(stack)을 만들어 사용하게 된다. 이러한 배터리 스택을 사용하는 경우 각 배터리 셀들이 직렬로 연결되어 있으므로, 충전 또는 방전 전류가 모든 셀들에 흐르게 된다. 배터리의 용량과 신뢰성을 극대화하기 위해서는 각 배터리 셀 전압들이 모두 같도록 해줘야 한다. 그러나, 제조 공정 간의 편차나 환경적인 문제로 인하여 배터리 셀 간의 특성이 동일하지 못하다는 문제점이 발생한다. 결과적으로 에너지를 배터리로 충전할 때 배터리 셀들이 균등하게 충전되지 못하고 한두 셀들이 다른 셀들이 미처 완전히 충전되기 전에 완충전 전압에 이르고 만다. 그 상태에서 충전을 계속한다면 먼저 충전된 셀들은 과열되거나 개싱(gassing)을 발생시켜 배터리의 수명과 신뢰성을 떨어뜨린다. 방전과정에서도 마찬가지로, 다른 셀들보다 일찍 방전되어버린 일부 셀들을 계속 방전시키면 그 수명이 급격히 떨어지게 된다.이러한 배터리 시스템의 문제점을 해결하여 충전, 방전 과정에서 배터리 각 셀들의 전압을 일정하게 유지시켜주는 배터리 이퀄라이저가 필요하게 된다. 본 논문에서는 기존의 배터리 이퀄라이저의 문제점을 분석하여 새로운 배터리 이퀄라이저를 제안하였다. 기존의 배터리 이퀄라이저의 경우 배터리의 개수가 증가함에 따라서 변압기나 인덕터와 같은 자기소자의 크기가 커지거나 개수가 늘어나는 단점을 가지고 있었다. 이렇게 늘어난 자기소자는 다른 소자에 비해 회로의 크기와 가격적인 측면에서 큰 단점으로 작용한다. 본 논문에서는 하나의 인덕터만을 사용하여 동작하는 벅부스트 방식의 새로운 배터리 이퀄라이저를 제안하고, 그 동작을 살펴본다. 제안된 배터리 이퀄라이저는 벅부스트의 DCM(전류 불연속) 모드를 이용하여 배터리 간의 에너지를 이동시키고 이 과정을 반복하여 배터리 간의 전압을 균등화한다. 즉, 제안된 회로는 인덕터를 하나만 사용함으로써 회로 자체의 크기와 가격을 줄일 수 있는 장점을 가진다. 뿐만 아니라 전류를 빼내는 배터리와 전류를 넣어주는 배터리를 자유롭게 변경할 수 있기 때문에 다른 배터리 이퀄라이저에 비해 좀더 짧은 시간에 전압 균등화를 이루어 낼 수 있는 장점이 있다. 하지만 배터리의 개수가 늘어남에 따라 가장 바깥쪽에 위치한 스위치의 전압 스트레스가 증가하는 단점이 있다. 하지만 과학기술위성 3호의 요구 사항인 30V 정도의 배터리 스택 전압에서는 문제시 되지 않는다. 뿐만 아니라 더 높은 전압의 배터리 스택에 사용해야 할 경우에는 배터리를 모듈로 나눈 후 각 모듈별로 제안된 배터리 이퀄라이저를 사용함으로써 문제를 해결할 수 있다. 모듈로 사용하더라도 총 인덕터의 개수는 기존의 배터리 이퀄라이저에 비해 적다.