Battery Balancing Method using 2-Switch Flyback Converter

2-스위치 플라이백 컨버터를 이용한 배터리 밸런싱 기법

Abstract

Recently, in accordance with the demand for a large capacity of a secondary battery according to an increase in the demand for energy storage devices, a modular series battery configuration is essential. Accordingly, various cell balancing techniques have been proposed to prevent high efficiency and performance degradation of the battery. In this paper, propose a battery voltage balancing topology consisting of a flyback DC/DC converter type of a SIMO (Single-Input-Multiple Output) two-switch configuration for a series battery configuration. The proposed topology shows a structure in which a DC/DC converter connected to each module and a battery cell share one transformer. The topology cell balancing operation is a principle in which the voltage balancing converter of the battery converges to the same value through a transformer that shares a magnetic flux with the cells constituting the module through a single high-frequency transformer. In this paper, the dynamic characteristics analysis of the proposed circuit using PSIM was based and it was verified through experiments on one module.

1. 서론

최근 신재생 에너지 및 전기자동차 보급 확대로 인하여 배터리의 사용이 급속히 증대되고 있으며, 안전한 배터리 관리 시스템이 필수적인 요소가 되고 있다[1][2]. 이를 위해 배터리 충·방전 시 전류 관리 및 상태 모니터링을 바탕으로 한 배터리의 수명관리가 매우 중요하다. 배터리의 대용량화는 모듈을 구성하는 직렬 셀 구성이 일반적이다[3]-[5]. 한편 각 셀의 충·방전 사이클이 반복되는 과정에서는 배터리의 SOH(State of Health)와 온도 차이 및 그 밖의 물리 화학적 원인들로 인해 셀 용량의 편차가 나타나고 그에 따라 충·방전량의 차이가 불가피하다. 이러한 셀 간의 전압 불균형 상황에서 동일한 충전 전류로 운용 시에는 충전 시 노후화 배터리는 과충전이 되며, 장기적인 관점에서 배터리의 효율 및 성능을 저감시켜 배터리 노후화 및 폭발의 원인이 되기도 한다. 그에 따라 안정적인 ESS의 운용 및 배터리 셀의 성능 유지를 위해서는 충·방전시 전압 밸런싱 동작이 반드시 필요하다[6]-[10]. 기존의 전압 밸런싱 기법으로는 수동 및 능동 방식의 방법 등이 연구되어 운용되고 있다. 수동 방식은 배터리 셀에 저항을 병렬로 구성하여 에너지를 소모하여 배터리 밸런싱을 구현하는 방식으로 저렴하며 구현하기가 쉬운 장점이 있다. 그러나 배터리 밸런싱 과정에서 저항에 의해 소비된 에너지는 재사용할 수 없으므로 에너지 소비 면에서 효율적이지 않은 단점이 있다[11]-[14]. 능동 방식은 낮은 전압의 배터리를 기준으로 전압이 높은 배터리를 커패시터와 같은 소자를 이용하여 에너지를 축적 또는 이동시켜 전체적인 셀 밸런싱을 수행함으로써 배터리의 동작 시간이 늘어나서 수명이 길어지는 효과를 기대할 수 있다. 또한 독립적으로 밸런싱 대상이 되는 배터리를 선택적으로 충·방전 시킬 수 있는 장점으로 높은 효율성을 가지는 반면 수동 방식에 비하여 복잡한 회로 구성과 고비용 및 복잡한 제어회로의 단점이 있다[15]-[19].

본 논문은 배터리 밸런싱을 위한 2-스위치 플라이백 DC/DC 컨버터[20][21] 타입의 전압 밸런싱 토폴로지를 제안한다. 제안한 토폴로지는 자속 공유형으로 구성하여 전력변환기를 하나로 줄였으며 신속한 전압 동기가 가능하며 전압 검출의 용이한 방식으로 전류 관리가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 제안된 방식은 PSIM을 이용한 분석을 바탕으로 토폴로지의 동특성을 분석하였고 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다.

2. 제안한 배터리 충전용 전력 변환기

2.1 배터리 모델

Fig. 1(a)은 배터리의 방전 시 특성을 보여주는 곡선이다. 완충된 배터리를 방전 시에는 특정 시점에서 급격히 단자 전압이 떨어지는 지수 영역의 구간이 존재하며 이후 실질적인 배터리 동작 영역은 전압이 천천히 떨어지는 정상 영역에서 이루어진다.

Fig. 1 Battery characteristic

Fig. 1(b)은 CC-CV 충전 기법에 대한 그래프를 보여주고 있다. CC는 정전류를 CV는 정전압을 의미한다. 배터리 충전 시 초기 단계에서는 전극 표면에서 전기 화학적 반응을 통한 산화환원 반응이 일어나 확산되어 CC 정전류 모드로 충전이 이루어진다.

그 후 충전이 어느 정도 진행한 후 종지 전압 값에 도달한 후에는 CV 정전압 모드로 충전이 일어난다. 이때 CV 구간에서 전압을 일정하게 유지 시켜주려면 전류가 줄어들어야 하고 셀의 용량은 한정돼있기 때문에 전류는 시간이 지남에 따라 점점 줄어들게 된다. 이러한 확산 현상을 회로상에서 배터리 셀 모델을 구현하기 위해 확산모델을 적용하면 병렬 구조의 RC 회로로 모사할 수 있다. 이때 셀 충전은 최대 충전전압, 대전류를 펄스 형태로 인가한 후 확산시키는 방식이다.

본 연구에서의 배터리 모델은 2∼3 [C] 미만의 충전전류를 대상으로 하고 있으므로 간략화한 랜들스 모델을 적용할 수 있다[22].

2.2 제안한 전력 변환기 동작 원리

기존의 단일 스위치로 구성되는 플라이백 컨버터 모델은 1차 측 회로 내 실제 누설 인덕턴스를 포함하고 있으며 스위치 동작 시 전계 효과로 인해 단일 스위치는 변압기의 반사 전압, 누설 인덕턴스의 영향에 직접적으로 노출된다. 이로 인한 과중한 단일 스위치 내 전압 스트레스는 장기적인 시스템 운용 관점에서 스위치 수명 감축 및 손상의 큰 원인이 될 수 있으므로 스위치 단에 걸리는 부가적인 에너지를 소산 시킬 수 있는 별도의 클램프 회로 가 필요하다. 하지만 기존의 클램프 회로의 경우 저항 소자에서의 전압 강하로 인해 에너지 소비 측면에서 전력 효율을 낮출 수 있는 요인이 될 수 있다[23].

본 논문에서 제안하는 셀 밸런싱 회로는 2-스위치 플라이백 컨버터[24]를 이용한다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 주어진 토폴로지의 구성은 하나의 폴내 두 개의 스위치 Q, Q가 존재하고 변압기의 1 2 중간으로 브리지 형태로 두 개의 환류 다이오드 D, D가 구성되는 형태이다. 그리고 셀 밸런싱 용 1 2 으로 사용되기 위해 단일 입력 다출력 변압기를 사용하여 다중 셀 구성이 가능하다. 주어진 2-스위치플라이백은 단일 스위치 플라이백에 비해 별도의 전력을 소진시키는 클램프 회로 없이 환류 다이오드를 통한 전압 소산 방법으로 누설 인덕턴스 및 변압기의 반사 전압에 의한 전압 스파이크를 저감시켜 셀 성능의 안정성을 높일 수 있다.

Fig. 2 Two-switch flyback converter

Fig. 3 Operation modes of the two switch flyback converter

플라이백 컨버터를 구성하는 변압기는 실제 자화 인덕턴스 성분을 가지고 있으며 Fig. 3은 자화 인덕턴스를 가지고 있는 플라이백 컨버터의 동작 모드를 보여주고 있다. 회로의 동작 원리는 두 스위치의 동시 개폐를 통해 이루어진다. Fig. 3(a)에서 두 스위치 Q, Q가 동시 on 동작 시 1 2 에는 변압기 1차 권선은 입력단과 연결되고 2차 권선의 다이오드들은 역방향으로 양단 전압이 걸려 변압기 2차 권선에서의 전류는 차단된다.

이때 인덕터 전류는 식 1과 같다.

\(i _ { M } = \frac { V _ { g } } { L _ { M } } D T\)       (1)

Fig. 3(b)는 스위치 Q1, Q2가 동시 off 동작 상황을 모사하고 있다. 스위치 off 시에도 자화 인덕터에서의 전류는 동일한 방향으로 계속 흘러야 하므로 인덕터 전류는 2개의 환류 다이오드를 따라 입력단으로 회수된다. 이때 누설 에너지는 다이오드를 따라 환류되어 무효전력으로 전환되며 그에 따라 전력 손실과 시스템 잡음이 저감 된다.

2.3 배터리 밸런싱 제어

Fig. 4는 임의의 두 셀 간의 밸런싱이 일어날 때의 등가회로를 보여준다. 컨버터 스위치 off 동작 시 셀 들은 서로 자속을 공유하며 초기 충전전압의 크기에 따라 셀 간의 전위 극성이 결정된다. 가령 V 셀의 초기 전압 V 이 V 셀의 초기 a a0 b 전압 V 보다 클 때 셀 간의 에너지가 전달되는 b0 방향은 V 셀에서 V 셀로 전달된다. 이러한 셀 a b 간의 전류 전달은 셀 간의 전위차가 줄어들 때까지 반복되며 최종적으로 영이 되는 시점에서 중단된다. 이러한 상호 충전의 원리는 셀의 개수를 확장 시켰을 때도 적용될 수 있으므로 다중 셀전압 밸런싱이 가능하므로 대용량 배터리 셀의 경우에도 셀 에너지 충·방전의 양과 방향이 같은 원리로 결정된다.

Fig. 4 Equivalent circuit during the cell balancing operation

이때 셀 Va의 충전 전압 Va이 셀 Vb의 충전 전압 V 보다 큰 경우 전위차에 의해 전달되는 전류 b 는 식(2)와 같다.

\(i _ { a \rightarrow b } = \frac { v _ { a } - v _ { b } } { L _ { l } }\)       (2)

여기서 Ll 은 누설 인덕턴스이며 전기적 흐름을 제한하는 구동 임피던스 역할을 하게 된다.

3. 시뮬레이션 및 실험 결과

제안한 모델에 대한 동특성 분석은 Fig. 5의 시뮬레이션 회로 모델을 기반으로 검증되었다. 이때 1차 측과 2차 측의 변압기 권선비는 4 대 1로 설계되었으며 4개의 배터리 셀의 초기 전압을 달리한 셀 불평형을 가정하여 모의시험이 이루어졌다. 이때 스위치 듀티비는 0.45로 설정하여 제어가 이 루어졌으며, 스위칭 주파수는 10 [kHz]이다. 이때 셀 밸런싱 검증을 위한 초기 셀 전압 값은 3.4 [V], 3.5 [V], 3.6 [V], 3.9 [V]로 주어졌다.

Fig. 5 Circuit for simulation verification

Fig. 6 Circuit for simulation verification

Fig. 7. Battery cell voltage

Fig. 6은 전압 밸런싱의 특성을 분석하기 위한 시뮬레이션 중 1차 측 다이오드와 셀 전류를 보여주고 있다. 플라이백 컨버터의 스위치 Q, Q 1 2 의 off 동작 시 변압기 전류는 다이오드를 따라 환류되고 2차 측 변압기에 전류가 흘러 셀 내부 에너지를 충전하는 양상을 보인다. 이때 셀 전류는 셀 초기 전압이 가장 적은 셀인 셀 4에서 초기 전압이 가장 많은 셀인 셀 1 순으로 충전이 이루어진다.

Fig. 7은 배터리 셀 전압을 보여주고 있으며 전압 밸런싱은 0.7초경에서 이루어지며 이때 최종 전압 값은 식 (4)에 따라 3.6 [V]이다. 즉 상대적으로 초기 전압이 높은 셀의 에너지는 감소하고 초기 전압이 낮은 셀의 경우 더 많은 에너지를 보충하여 최종적으로 식 (3)과 같은 전압 값으로 수렴된다.

\(V _ { B A } = \sqrt { \frac { V _ { B A \_ 1 } ^ { 2 } + V _ { B A \_ 2 } ^ { 2 } + V _ { B A \_ 3 } ^ { 2 } + V _ { B A \_ 4 } ^ { 2 } } { 4 } }\)       (3)

이때 VBA_1∼VBA_4 는 4개의 셀 전압을 나타낸다.

Fig. 8은 확대한 전압 밸런싱 시뮬레이션 결과 그래프이다. Fig. 8(a)는 스위치에 대한 pwm 신호를 보여주고 있다. Fig. 8(b)는 컨버터 동작 모드 1에서 스위치를 따라 흐르는 전류가 1차 측 변압기를 따라 흐르고 2차 측 변압기에 전달되지 못한 채 변압기에 저장된다. 그 후 스위치가 off 됨에 따라 환류 다이오드를 따라 흐르는 전류는 2차 측 변압기로 넘어가서 흐르게 되는 상황을 보여주고 있다. 즉 1차 측 변압기에 저장된 에너지가 동일한 양만큼 2차 측 셀에 전달되게 된다. Fig. 8(c)는 컨버터 내부의 다이오드 전류 파형을 보여주고 있으며 스위치 off 시 2차 측 회로로 전압 밸런싱이 이루어진다.

Table 1은 시제품 제작에 사용된 파라미터 값을 나타낸다. 각 셀의 초기 전압 \(V_{B1}\) = 2.8 [V], \(V_{B2}\) = 3 [V], \(V_{B3}\) = 3.2 [V], \(V_{B4}\) = 4 [V] 설정하였고, 셀의 용량은 7.5 [F]이며 스위칭 주파수는 10 [kHz], 2-스위치 플라이백 DC-DC 컨버터의 Lm = 114.6 [μH] 듀티비는 0.42로 설계하였다.

Fig. 8 Converter characteristics

Table 1. Experimental parameters

Fig. 9 Test set for experiment

Fig. 10 Measured results of voltage balancing

Fig. 11 Measured results of the converter after voltage balancing

Fig. 9는 배터리 셀 밸런싱을 위한 시험 세트를 보여주고 있다. 실험 세트 구성은 배터리를 대체한 4개의 커패시터를 장착했고, 2-스위치 플라이백 DC-DC 컨버터 회로, PWM 제어를 위한 DSP 컨트롤러를 보조 PCB 기판에 수직 결합형으로 구성하였다. 이때 DSP 모델은 280025를 사용하였다.

Fig. 10(a)는 배터리 셀 밸런싱 특성을 보기 위한 실험 결과 그래프이며, 커패시터를 기반한 셀 전압 V , V , V , V 의 초기 전압은 2.8 [V], B1 B2 B3 B4 3 [V], 3.2 [V], 4 [V]로 설정하였다. 그래프로부터 밸런싱 제어 동작을 개시한 후 300 [ms] 시점에서 배터리 밸런싱이 3.25 [V]에 수렴됨을 알 수 있다. Fig. 10(b)는 배터리 셀 밸런싱이 이루어지고 있을 때 즉 스위치 on 동작에서 Io2의 전류는 컨버터로부터 에너지를 받으므로 음의 방향으로 나타나는 것을 실험 파형으로 알 수 있다.

Fig. 11은 셀 밸런싱 후 컨버터 측정 결과에 대한 실험 파형으로, 스위치 on 동작에서는 일정 상태를 유지하는 전류가 off 동작에서 변압기를 통해 2차 측 초기 전압이 높은 셀에서 초기 전압이 낮은 셀 측으로 전력이 전달됨을 알 수 있다.

4. 결론

신재생 에너지와 전기차의 발달로 배터리의 사용이 급격히 증가하고 있으며, 배터리 관리가 필수 요소가 되고 있다. 셀의 충·방전이 반복되는 과정에서는 배터리의 SOH와 온도 차이로 인하여 셀 용량의 편차가 생기고 셀의 불균형이 나타난다. 이러한 셀 간의 전압 불균형 상황에서 동일한 충전전류로 충전 시 노후화 배터리는 과충전이 되며, 배터리의 효율을 저감시키는 원인이 된다. 그에 따라 안정적인 ESS의 운용 및 배터리 셀의 성능 유지를 위해서는 충·방전 간 전압 밸런싱 동작이 반드시 필요하다. 이러한 문제를 개선하기 위해서는 능동 셀 밸런싱 토폴로지를 적용하여 밸런싱 전류 용량을 증가시킬 필요가 있다. 그러나 능동 셀 밸런싱은 가장 높은 전압의 셀과 가장 낮은 전압의 셀 차이가 날수록 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 직렬 연결된 배터리의 전압 불균형을 제거하기 위해 SIMO 유형 2-스위치 플라이백 컨버터 토폴로지를 제안한다. 제안된 토폴로지를테스트한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 배터리 모듈을 구성하는 직렬 연결된 셀은 각 셀에 연결된 스위치와 다이오드를 통해 변압기의 코일에 연결되며, 각 셀 간의 전압 밸런싱을 수행할 수 있었다. 2-스위치 플라이백 컨버터를 구성한 배터리 셀 밸런싱 방식에서는 시뮬레이션 및 실험을 통하여 각 셀의 전압 셀 밸런싱을 확인하였고, 제안된 토폴로지는 필요에 따라 높은 전압/전류 용량을 가진 배터리 팩을 설계할 수 있어서 대용량을 필요로 하는 시스템에 활용도가 높을 것으로 판단된다.