Near-Field Coupling을 접목한 새로운 배터리 셀 밸런싱 방식 :Novel battery cell balancing method with Near-field Coupling

전주현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 전주현 (목포대학교, 목포대학교 대학원)

지도교수: 이동호

발행연도: 2023

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이용수11

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2023

Near-Field Coupling을 접목한 새로운 배터리 셀 밸런싱 방식

전주현 전기공학과 2023.01 학위논문

2022

Near-Field Coupling을 접목한 배터리 셀 밸런싱을 위한 송 · 수신기 코일 모델링

전주현 , 박월국 , 류신호 외 1명 전기학회논문지 P 2022.12 학술저널

배터리 셀 밸런싱을 위한 Near-Field Coupling 회로 구성

전주현 , 박월국 , 표성민 외 2명 대한전기학회 학술대회 논문집 2022.07 학술대회자료

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본 논문에서는 Near-Field Coupling을 접목한 새로운 배터리 셀 밸런싱 방식을 제안한다. 파리기후변화협약에서 세계 주요국가들이 탄소중립을 목표로 재생에너지와 전기자동차에 대한 비중을 확대하면서, BMS의 기능 중 배터리들의 SOC를 일정하게 유지해 수명을 늘리는 배터리 셀 밸런싱이 중요해질 것이다. 또한, ESS나 전기자동차에 대용량이 요구되면서 현재보다 고속, 고효율의 셀 밸런싱 기술이 요구될 것이다.
기존 셀 밸런싱 방식은 크게 수동형 셀 밸런싱 방식과 능동형 셀 밸런싱 방식으로 나뉘는데 명확한 단점들로 고속, 고효율에 적합하지 않다. 수동형 셀 밸런싱 방식은 저항에 에너지를 소모하는 방식으로 고효율에 적합하지 않고, 능동형 셀 밸런싱 방식은 수동형 셀 밸런싱 방식보다 효율은 높지만 복잡한 회로로 제어 또한 복잡해져 밸런싱 속도가 느려 고속에 적합하지 않다. 변압기나 컨버터를 사용해 밸런싱 속도를 개선하기 위한 다양한 방식들이 연구되고 있지만, 비싼 가격과 같은 새로운 단점들이 생긴다. 따라서 기존 셀 밸런싱 방식들의 단점들을 보완한 새로운 셀 밸런싱 방식을 제안한다.
Near-Field는 송·수신기로 구성되며 자기 공진 방식의 공진 주파수 13.56MHz를 사용하고 송신기와 수신기 간 임피던스 매칭을 통해 에너지를 전송한다. 각 수신기는 송신기 기준에서 거리가 전부 다르고, 이에 따라 상호 인덕턴스 및 결합계수도 전부 달라 고유의 값을 가져 임피던스도 고유의 값이 된다. 송신기의 커패시터를 밸런싱 하려는 특정 수신기와 임피던스 매칭이 되도록 가변해 선택적인 셀 밸런싱을 달성한다.
Near-Field를 구현하기 위해서는 세 가지 해결과제가 있다. 송·수신기 모델링, 수신기 간 격리, 배터리를 충전할 고전압 정류회로가 필요하다. 송·수신기 모델링은 Schematic과 3D EM 시뮬레이션을 통해 모델링 및 인덕턴스 유추가 가능함을 확인하였고, 시뮬레이션으로 상호 인덕턴스와 결합계수에 따른 수신기 간 격리도를 확인해 LC 회로 중 SP 회로의 격리도가 높은 것을 확인했다. 송·수신기 모델링을 통해 제작한 코일에 1차 지그를 만들어 LC 회로별 수신기 간 격리 측정결과 시뮬레이션과 마찬가지로 SP가 적합했다. 정류회로는 쇼트키 다이오드 하나로 반파 정류회로를 구성했다.
배터리 셀 밸런싱 실험 전 구현한 Near-Field를 사용해 배터리 하나에 대한 충전실험을 통해 배터리 충전 가능 여부를 증명했고, 배터리 3개에 대한 셀 밸런싱 실험 환경에 적합한 2차 지그를 제작했다. SOC가 같은 배터리 두 개를 일반적인 충전과 Near-Field를 추가한 충전으로 나누고, 상대적으로 SOC가 높은 배터리의 일반적인 충전 결과와 밸런싱 되는 시간을 비교분석 했다.
그 결과 Near-Field 추가 시 밸런싱 속도가 약 2배 정도 빨라진 것을 확인할 수 있다. 이후 연구로는 정류회로 및 송·수신기 코일 고도화를 통해 효율을 높이고, 송신기의 커패시터를 가변해 선택적인 셀 밸런싱을 구현할 예정이다.

This study aims to propose a novel battery cell balancing method for Near-Field Coupling. As major countries worldwide expand their share of renewable energy and electric vehicles with the aim of carbon neutrality at the Paris Climate Change Accord, it is analyzed that battery cell balancing, which increases the lifespan by maintaining the SOC of batteries constantly among BMS functions, will become more crucial. In addition, as large capacity is required for ESS or electric vehicles, cell balancing is also expected to require faster speed and higher efficiency than the present.
Conventional cell balancing methods are primarily divided into passive and active. Meanwhile, both of them are not suitable for high speed and high efficiency due to their inherent problems. In other words, passive cell balancing methods are unsuitable for higher- efficiency by consuming the charging energy of cells with resistance. In contrast, The active cell balancing case is more efficient than the passive cell balancing method but is unsuitable for high speeds caused by complicated control and slowed down of the balancing pace. Accordingly, although various ways are being studied to improve the balancing speed using transformers or converters, new problems are emerging, such as high prices. Therefore, this study proposes a novel cell balancing method that complements the issues of the conventional cell balancing methods.
The Near-Field comprises a transmitter and receiver, which uses a resonant frequency of 13.56 MHz in a Magnetic Resonant Coupling and transmits energy through impedance matching between the transmitter and receiver. Each receiver has a different distance from the transmitter reference. Accordingly, the mutual inductance and the coupling coefficient are different, so the impedance also has a unique value. It achieves selective cell balancing by varying to be impedance matched with a particular receiver trying to balance the capacitor of the transmitter.
In order to implement Near-Field, three solutions are required: transmitter/receiver modeling, receiver to receiver isolation, and high voltage rectification circuits to charge the battery. Schematic and 3D EM simulations have enabled transmission and receiver modeling and inductance analogy, and simulations have confirmed that SP circuits among LC circuits are highly isolated by evaluating the degree of isolation between receivers according to mutual inductance and coupling coefficients. Using a primary jig made in a coil manufactured through transmission/receiver modeling, the measurement result of the isolation between receivers by each LC circuit showed that SP was suitable as in the simulation. The rectification circuit consisted of a half-wave rectification circuit with one Schottky diode.
In this study, a charging experiment was performed on a single battery using the Near-Field implemented before the battery cell balancing experiment. It was proved whether the battery could be charged, and a secondary jig was produced suitable for the cell balancing experiment environment with three batteries. Two batteries with the same SOC were divided into standard charging and charging with the Near-Field added. Then, it compared and analyzed the balancing time with the standard charging results of batteries with a relatively high SOC.
As a result, it was noted that the balancing speed was about twice as fast when adding the Near-Field. The following research intends to increase efficiency by advancing the rectifier circuit and the transmitter/receiver coil and planning to implement selective cell balancing by varying the capacitor of the transmitter.

#배터리 셀 밸런싱 #무선 전력 전송 #Near-Field Coupling

1. 서 론 1
1.1. 연구의 배경 및 목적 1
1.2. 연구의 내용 및 범위 4
1.3. 논문의 구성 6
2. 기존 셀 밸런싱 7
2.1. 수동형 셀 밸런싱 7
2.1.1. 고정 저항 방식 7
2.1.2. 스위칭 저항 방식 8
2.2 능동형 셀 밸런싱 9
2.2.1. 스위칭 커패시터 방식 9
2.2.2. 단일 스위칭 커패시터 방식 10
2.2.3. 단일/복수 인덕터 방식 10
2.2.4. 다중 권선 변압기 방식 11
2.2.5. 컨버터 방식 12
2.3 기존 셀 밸런싱 정리 14
3. Near-Field Coupling 15
3.1. 자기 공진 방식 16
3.2 임피던스 매칭 18
3.2.1. 상호 인덕턴스 18
3.2.2. 결합계수 20
4. Near-Field Coupling 셀 밸런싱 구현 23
4.1. 송·수신기 코일 모델링 23
4.1.1. 코일 패턴 26
4.1.2. De-embedding 29
4.1.3. Schematic & 3D EM 시뮬레이션 31
4.1.4. 송신기 코일 모델링 32
4.1.5. 수신기 코일 모델링 32
4.1.6. LC 공진 커패시턴스 34
4.2. 수신기 간 격리도 시뮬레이션 36
4.2.1. 상호 인덕턴스에 따른 격리도 36
4.2.2. 결합계수에 따른 격리도 38
4.2.3. 격리도 비교분석 39
4.3. 수신기 간 격리도 실험 39
4.3.1. 1차 지그 제작 39
4.3.2. LC 조합별 수신기 간 격리도 측정 48
5. Near-Field Coupling 배터리 셀 밸런싱 51
5.1. 배터리 하나에 대한 충전실험 51
5.2. 2차 지그 제작 53
5.3. 배터리 3개에 대한 셀 밸런싱 59
5.4. 배터리 셀 밸런싱 결과 62
6. 결 론 64
참 고 문 헌 66
Abstract 71

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