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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이준영
- 발행연도
- 2022
- 저작권
- 명지대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수6
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최근 미국의 그린뉴딜정책 등 세계적으로 친환경에너지에 대한 관심으로 인해 전기차 및 에너지저장장치(ESS) 시장이 급부상하면서 배터리의 수요가 급증하고 있다. 배터리의 주요 수요처에 해당하는 하이브리드, 플러그인하이브리드, 순수 전기차 등을 포함해 배터리의 사용량은 지난 2018년 100[GWh]를 넘어섰고, 2030년에는 3000[GWh]를 넘어설 것으로 전망된다.
배터리 셀은 반복적인 충전 및 방전을 통해 새로운 셀이 사용 가능한 형태로 변환되어 셀이 활성화되고 Cathode와 Anode 전극 사이에 전압이 형성되는데, 이 과정에서 많은 순환 전력이 발생하기 때문에 장비의 효율에 따라 큰 전력이 소모된다. 따라서 배터리의 생산 비용 절감 및 에너지 소모를 줄이기 위해 배터리를 활성화시키는 포메이션 장비의 효율이 중요해지고 있다.
기존 포메이션 장비의 구조는 대용량 절연형 양방향 DC/DC 컨버터와 셀 활성화기(Cell Activator)로 사용되는 비절연형 Buck 컨버터가 다채널로 결합되어 있는 구조로서, 대전류로 설계되는 절연형 양방향 DC/DC 컨버터로 인해 효율 및 전력밀도가 저하되는 문제가 있다. 이를 개선하기 위해 분산설계 구조를 고려할 수 있으며, 이와 같은 구조는 셀의 충전 및 방전을 담당할 수 있는 넓은 출력전압을 갖는 Single-stage 절연형 양방향 DC/DC 컨버터가 요구된다.
본 논문에서는 배터리 포메이션 연구의 일환으로 분산 설계된 Pseudo Single-stage 방식인 LLLC 공진형 컨버터와 Buck 컨버터의 결합구조를 제안한다. 모든 회로가 voltage-fed 구조를 채용하고 있으므로 전압 스트레스를 억제하는 추가 회로를 필요로 하지 않아 비용적인 측면과 효율적인 면에서 장점이 있다.
이를 검증하기 위한 실험 진행을 목표로 배터리 포메이션 장비의 입출력 조건에 맞춘 입력전압 380[V], 출력전압 2~5[V]/43[A], 정격용량 215[W]급 Single-stage 절연형 양방향 DC/DC 컨버터 시제품을 설계하고 TMS320F28335을 이용한 디지털 제어기법을 구현하여 충전과 방전 시 최대부하 효율이 각각 92.1[%]와 91.1[%]로 효율 개선이 되었고, 분산설계를 통해 전력밀도도 개선할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 배터리 포메이션 장비의 고효율화를 위해 분산 설계 방식인 LLLC 공진형 컨버터와 Buck 컨버터의 구조가 타당함을 검증하였다.
배터리 셀은 반복적인 충전 및 방전을 통해 새로운 셀이 사용 가능한 형태로 변환되어 셀이 활성화되고 Cathode와 Anode 전극 사이에 전압이 형성되는데, 이 과정에서 많은 순환 전력이 발생하기 때문에 장비의 효율에 따라 큰 전력이 소모된다. 따라서 배터리의 생산 비용 절감 및 에너지 소모를 줄이기 위해 배터리를 활성화시키는 포메이션 장비의 효율이 중요해지고 있다.
기존 포메이션 장비의 구조는 대용량 절연형 양방향 DC/DC 컨버터와 셀 활성화기(Cell Activator)로 사용되는 비절연형 Buck 컨버터가 다채널로 결합되어 있는 구조로서, 대전류로 설계되는 절연형 양방향 DC/DC 컨버터로 인해 효율 및 전력밀도가 저하되는 문제가 있다. 이를 개선하기 위해 분산설계 구조를 고려할 수 있으며, 이와 같은 구조는 셀의 충전 및 방전을 담당할 수 있는 넓은 출력전압을 갖는 Single-stage 절연형 양방향 DC/DC 컨버터가 요구된다.
본 논문에서는 배터리 포메이션 연구의 일환으로 분산 설계된 Pseudo Single-stage 방식인 LLLC 공진형 컨버터와 Buck 컨버터의 결합구조를 제안한다. 모든 회로가 voltage-fed 구조를 채용하고 있으므로 전압 스트레스를 억제하는 추가 회로를 필요로 하지 않아 비용적인 측면과 효율적인 면에서 장점이 있다.
이를 검증하기 위한 실험 진행을 목표로 배터리 포메이션 장비의 입출력 조건에 맞춘 입력전압 380[V], 출력전압 2~5[V]/43[A], 정격용량 215[W]급 Single-stage 절연형 양방향 DC/DC 컨버터 시제품을 설계하고 TMS320F28335을 이용한 디지털 제어기법을 구현하여 충전과 방전 시 최대부하 효율이 각각 92.1[%]와 91.1[%]로 효율 개선이 되었고, 분산설계를 통해 전력밀도도 개선할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 배터리 포메이션 장비의 고효율화를 위해 분산 설계 방식인 LLLC 공진형 컨버터와 Buck 컨버터의 구조가 타당함을 검증하였다.
목차
목 차그림 목차 ii표 목차 vi국문 초록 vii제 1 장 서 론 1제 1절 연구 배경 1제 2절 연구의 목적 11제 3절 논문의 구성 12제 2 장 본 론 13제 1절 제안하는 Single-stage 절연형 양방향 DC/DC 컨버터 13제 2절 LLLC 공진형 컨버터 15제 3절 Buck 컨버터 28제 4절 모의 실험 및 손실 분석 34제 5절 실험 결과 48제 3 장 결 론 67참고 문헌 68Abstract 70
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