Study of bidirectional DCDC converter to prevent circulating current between battery packs

배터리 팩 간의 순환전류 방지를 위한 양방향 DCDC 컨버터 연구

Abstract

In this paper, we propose a method to remove the circulating current which can occur in the parallel connection of the high voltage series connected battery module in the battery pack. The removal way is a method of inserting a module named VVSM (Variable Voltage Variable Module) using bidirectional DCDC converter and supercapacitor in place of one or some of the cascaded battery cells in the battery pack configuration. In this module, it operates like a battery cell that can be controlled at a desired voltage. VVSM is used to match the voltages of the cascaded battery modules very easily. To demonstrate the proposed method, a PSIM simulation for battery model is used. In addition, the module with only the battery cell connected in series and the module with the proposed VVSM are made, and the two modules were connected in parallel to measure the circulating current between the two modules. As a result, it was verified that the proposed method effectively suppressed the circulating current.

본 논문에서는 배터리 팩을 구성하는데 있어 높은 전압의 직렬 연결된 배터리 모듈의 병렬 연결에서 발생할 수 있는 순환 전류를 제거하는 방법을 제시하였다. 제거 방법은 배터리 팩의 구성상에 있어서 양방향 DCDC 컨버터와 슈퍼 캐패시터를 이용한 VVSM(Variable Voltage Variable Module)이라고 명명한 모듈을 직렬 연결된 배터리 셀들 중 하나 대신에 삽입하는 방식인데 VVSM은 이 모듈에서 마치 우리가 원하는 전압으로 제어할 수 있는 배터리 셀처럼 동작한다. 전압을 가변할 수 있는 배터리 셀(VVSM)을 이용하여 직렬 연결된 배터리 모듈의 전압을 아주 손쉽게 일치시킬 수 있었다. 제시한 방법을 증명하기 위해 배터리를 모형화한 모델을 이용하여 모의 실험을 시행 하였다. 또한 직렬 연결된 배터리 셀 만으로 된 모듈과 제안한 VVSM이 적용된 모듈을 실제 제작하여 두 모듈을 병렬 연결하여 둘 사이에 순환 전류를 측정하여 비교함으로써 제안된 방법이 효과적으로 순환 전류을 억제할 수 있음을 검증하였다.

Fig. 1. Open circuit voltage due to charging capacity [1]. 그림 1. 충전 용량에 따른 개회로 배터리 전압[1]

Fig. 2. Battery electrical model [4]. 그림.2. 배터리 전기적 모델[4]

Fig. 3. Battery discharge status measurement and simulation comparison graph. 그림. 3. 배터리 방전 상태의 측정과 시뮬레이션 비교 그래프

Fig. 4. Cycle current simulation circuit with battery capacity change. 그림. 4. 배터리 용량 변화에 따른 순환 전류 시뮬레이션회로

Fig. 5. Simulation of circulation current with battery capacity change. 그림 5. 배터리 용량 변화에 따른 순환 전류 시뮬레이션

Fig. 6. Bi-directional synchronous converter. 그림 6. 양 방향 동기식 컨버터

Fig. 7. Bidirectional step-down converter operation. 그림 7. 양방향 강압 컨버터 동작

Fig. 8. Bidirectional Boost Converter Operation. 그림 8. 양방향 승압 컨버터 동작

Fig. 9. Basic configuration of VVSM. 그림 9. VVSM의 기본 구성도

Fig. 10. Simulation circuit for series connection of battery model and capacitor. 그림 10. 배터리 모델과 콘덴서의 직렬연결 시뮬레이션 회로

Fig. 11. Simulation graph (470μF) with battery and super capacitor connected in series. 그림 11. 배터리와 슈퍼 콘덴서 직렬 연결한 시뮬레이션 그래프(470μF)

Fig. 12. Simulation graph (3F) with battery and supercapacitor connected in series. 그림 12. 배터리와 슈퍼 콘덴서 직렬 연결한 시뮬레이션 그래프 (3F)

Fig. 13. Actual circuit picture of VVSM. 그림 13. VVSM의 실제 회로 사진

Fig. 14. Experimental picture of VVSM. 그림 14. VVSM의 실험 사진

Fig. 15. VVSM Voltage Regulation Circuit. 그림 15. VVSM 전압 유시 실험 회로

Fig. 16. Experiment of battery module voltage maintenance including VVSM. 그림. 16. VVSM을 포함한 배터리 모듈 전압 유지 실험

Fig. 17. Cycle current of basic battery module connection structure. 그림 17. 기본 배터리 모듈 연결 구조의 순환 전류

Fig. 18. Graph of circulation current between battery modules with SOC 40% difference. 그림 18. SOC 40%차이의 배터리모듈 간의 순환전류 그래프

Fig. 19. Graph of circulation current between battery modules with SOC 10% differenc 그림 19. SOC 10% 차이의 배터리 모듈 간의 순환전류 그래프

Fig. 20. VVMS circulation current test circuit. 그림 20. VVMS 순환 전류 실험 회로

Fig. 21. Battery module circulation current experiment including VVSM. 그림 21. VVSM을 포함한 배터리 모듈 순환 전류 실험

Table 1 Samsung ICR18650-22F data [2] 표 1 삼성 ICR18650-22F 데이터[2]

Tabld 2. Converter Specifications. 표 2. 컨버터의 사양