1.1 연구배경

최근 화석 에너지의 고갈과 한경 오염의 문제로 인해 신재생 에너지 대한 연구가 활발히 진행 되고 있다. 또한 에너지를 저장하고 공급 할 수 있는 배터리의 중요성이 부각되고 있다. 그에 따라 화석에너지에 의존하던 자동차역시 에너지를 저장할 수 있는 배터리를 이용한 전기 자동차가 개발되고 있다. 리튬 계열의 배터리는 납축전지나 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 전지에 비해 에너지 밀도가 매우 높으며, 메모리 효과가 없고, 자기 방전율 또한 4~5%로 매우 낮기 때문에 EV (Electric Vehicle) 자동차는 에너지 저장 장치로 리튬 계열의 배터리가 사용되고 있다. EV 자동차는 연비 인증을 위한 주행 테스트로 도심 주행 모드(FTP-75)를 시행하고 있다. FTP-75는 대한민국과 미국에서 사용 하는 자동차 연비 인증 시스템중 하나로 주행 패턴에 따른 에너지의 변화를 확인하는 시스템이다. 따라서 EV 자동차의 경우 주행 패턴에 따른 배터리의 충전/방전 전류와 전압 그리고 SOC(State of charge)등을 확인하여 자동차의 성능과 연비, SOH(State of Health)를 확인하게 된다.[1]-[2] EV 자동차의 경우 주행 속도가 높을수록 방전 전류가 증가하며, 반대로 감속할 경우 배터리의 충전 전류는 증가한다. 이러한 EV 자동차의 가상 시뮬레이션을 위해 Matlab의 Simulink가 많이 사용 되고 있으며, Matlab의 Simulink를 이용한 배터리 모델은 배터리 등가회로인 R모델과 RC모델이 주로 사용되고 있다.[3]-[5] R모델의 경우 배터리의 내부특성을 R만을 고려했기 때문에 배터리 충방전시 Time-Constant가 무시되어 실제 배터리 실험 데이터와 비교하면 RC모델보다 정확도가 떨어진다. 또한 배터리 특성상 온도와 충방전 전류에 따라 용량이 달라진다. 따라서 이러한 배터리 모델링은 검증이 필요하며, 검증을 위해 실제 배터리의 충방전 전류에 대한 전압 데이터를 시뮬레이션의 데이터와 비교하여야하기 때문에 양방향 전류제어가 가능한 DC-DC 컨버터가 필요하며, 실제 배터리 충방전기로 양방향 DC-DC컨버터가 사용되고 있다.

1.2 연구목적 및 논문구성

연구배경에 제시한대로 배터리를 시스템에 적용하기위해서는 배터리의 제어, 잔존용량, 건강상태 등에 대한 기법, 고효율 고에너지 밀도의 양방향 DC/DC 컨버터 등이 필요하다. 배터리 모델링은 RC 등가회로를 기반으로 잔존용량 추정기법을 적용하고 배터리 충/방전 시의 요구조건을 만족시키는 양방향 DC/DC 컨버터를 설계하여 실험을 통해 분석하고 모델링을 검증한다. 따라서 본 논문에서는 구현된 배터리 모델을 검을 검증 하기위해 양방향 DC-DC컨버터를 설계하여 FTP-75 운전에 따른 전류패턴을 이용하여 실험을 통해 배터리 모델링을 검증한다. 배터리 모델링은 RC회로 기반의 등가모델에 대한 파라미터를 추출하고 Matlab/simulink 환경에서 구현한다. 배터리의 충/방전 전류에 따른 용량변화를 Peukert 효과를 이용하여 보상하고 배터리 온도, 잔존용량, 충/방전 전류의 크기, 충/방전 모드에 따라서 변하는 파라미터를 보상하도록 구현 한다. 제안된 배터리 모델은 단자전압, 전류를 측정하여 이로부터 개로전압을 추정하고 다시 잔존용량을 추정한다.[6]-[7] 배터리 모델 검증을 위한 양방향 DC-DC 컨버터는 실제 자동차 배터리보다 적은 용량인 150W급으로 설계 하며, 실제 전류 보다 1/6배적은 전류로 제어 한다.[8]-[11] 실제 전류보다 적은 전류로 제어하기 때문에 미세전류 제어가 필요 하여 HRPWM(High Resolution Pulse Width Modulator)을 적용 하며, 배터리 전류리플 감소를 위해 70kHz의 높은 스위칭 주파수와 LCL필터를 적용 한다. 충전 시에는 벅으로 동작하며, CC-CV(Constant Current-Constant Voltage)모드로 충전하도록 제어 하며, 방전 시에는 부스트로 동작하며, CC(Constant Current)모도로 방전하도록 제어한다.[12] 충/방전 모두 PI제어를 사용하여 FTP-75운전검증을 위한 전류 패턴을 재현한다.
본 논문은 총 4장으로 구성된다. 1장에서는 배터리의 연구 배경 및 목적과 논문의 구성에 대해서 서술하였다.
2장에서는 배터리의 기본 이론과 종류를 먼저 서술하고, 배터리 특성분석을 위해 실험을 통한 파라미터를 추출하며, 파라미터를 이용해 온도와 전류에 따른 배터리의 특성에 대해 설명한다. 또한 배터리 온도와 전류에 특성 및 용량변화를 Peukert 효과를 이용하여 보상해 배터리 모델을 구현한다.
3장에서는 150W급 양방향 배터리 충방전기 설계 및 실험에 대한 설명으로 양방향 충전기 구성 및 양방향 DC-DC 컨버터의 설계를 통한 실험 및 사용된 제어기법에 대해 설명한다.
4장에서는 양방향 배터리 충전기를 이용하여 재현한 FTP-75 전류패턴과 배터리 전압을 이용하여 구현된 배터리 모델 검증을 위한 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 확인 하며, 두 결과를 비교하여 검증하고자 한다.[13-[15]