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목차
논문요약 13
제1장 서론 15
1.1. 연구 배경 및 필요성 15
1.2. 국내 연구 사례 17
1.3. 국외 연구 사례 21
1.4. 논문 구성 29
제2장 연료전지-배터리 하이브리드 시스템 구성 30
2.1. 연료전지 시스템 구성 30
2.1.1. 연료전지 발전 원리 32
2.1.2. 연료전지 종류 및 특성 34
2.1.3. DMFC(Direct Methanole Fuel Cell) 특성 39
2.2. 배터리 시스템 구성 42
2.2.1. 2차 전지 종류 및 특성 44
2.2.2. 리튬 폴리머 배터리 특성 50
2.2.3. 리튬 폴리머 배터리의 방전 특성 52
2.2.4. 리튬 폴리머 배터리의 충전특성 56
2.2.5. 리튬 폴리머 배터리의 온도에 따른 특성 59
2.2.6. 배터리 관리 시스템 61
2.3. 하이브리드 시스템 구성 64
2.3.1. 직렬 하이브리드 시스템 65
2.3.2. 병렬 출력형 하이브리드 시스템 66
2.3.3. 병렬 입력형 하이브리드 시스템 67
제3장 연료전지 시뮬레이터 설계 68
3.1. 연료전지 시뮬레이터 모델링 68
3.1.1. Actual Performance 68
3.1.2. 활성화 손실(Activation Losses) 70
3.1.3. 저항 손실(Ohmic Losses) 71
3.1.4. 물질전달 손실(Mass Transport-Related Losses) 72
3.1.5. Summing of Cell Voltage 73
3.2. 연료전지 시뮬레이터 74
3.2.1. 연료전지 시뮬레이터 하드웨어 74
3.2.2. 연료전지 시뮬레이터 소프트웨어 76
제4장 리튬 폴리머 배터리 BMS 설계 78
4.1. 리튬 폴리머 배터리 78
4.1.1. 리튬 폴리머 배터리 충전 SOC 79
4.1.2. 리튬 폴리머 배터리 방전 SOC 80
4.1.3. 리튬 폴리머 배터리의 외부 온도에 따른 SOC 81
4.2. BMS(Battery Management System) 설계 83
4.2.1. BMS 소프트웨어 84
4.2.2. BMS 하드웨어 92
제5장 하이브리드 시스템용 DC/DC 컨버터의 설계 및 제어 99
5.1. 동기식 승압 컨버터 설계 및 제어 101
5.1.1. 일반적인 승압 컨버터 101
5.1.2. 동기식 승압 컨버터 105
5.1.3. 동기식 승압 컨버터 역전류 제어기법 113
5.2. 제안하는 동기식 승압 컨버터 데드타임 제어 117
5.2.1. 동기식 승압 컨버터의 데드타임에 의한 손실 118
5.2.2. 데드타임 예측 121
5.3. 풀 브릿지 컨버터 설계 127
제6장 시뮬레이션 결과 130
6.1. 제안하는 동기식 승압 컨버터 시뮬레이션 130
6.2. 데드타임 가변 시뮬레이션 133
6.3. 풀 브릿지 컨버터 시뮬레이션 151
제7장 실험 결과 156
7.1. 연료전지 시뮬레이터 157
7.2. 데드타임 고정방식의 동기식 승압 컨버터 실험 159
7.3. 제안하는 데드타임 제어방식의 동기식 승압 컨버터 실험 168
7.4. 연료전지 특성제어 실험 177
7.5. 풀 브릿지 컨버터 실험 178
제8장 결론 179
ABSTRACT 181
참고문헌 183
표 1-1. 미니카의 기존 배터리 시스템과 DMFC/배터리 하이브리드 시스템 비교 18
표 1-2. 일본 NEDO의 DMFC 시스템 개발 로드맵상의 기술 목표 22
표 1-3. Baltic Fuel Cells의 50 W와 250 W급 DMFC 스택의 사양 25
표 2-1. 연료전지 종류 및 특성 36
표 2-2. 2차 전지 종류 및 특성 44
표 2-3. 온도에 따른 특성 59
표 4-1. BMS 규격 85
표 5-1. 제안한 시스템의 사양 100
표 5-2. 온도에 따른 MOSFET 기생 커패시터 성분 125
표 5-3. 풀 브릿지 컨버터 설계 사양 129
표 6-1. 동기식 승압 컨버터 시뮬레이션 조건 130
표 6-2. 풀 브릿지 컨버터 시뮬레이션 조건 151
그림 1-1. 200 W급 무선 청소기용 DMFC 시스템 17
그림 1-2. KIER 개발 미니카(DM-Mini V501), DMFC 시스템 및 스택(2009) 18
그림 1-3. KIER의 DMFC용 MEA의 장기 운전용 셀과 평가 결과 19
그림 1-4. KIST에서 개발한 DMFC 전원이 장착된 휴머노이드 로봇 19
그림 1-5. LG 화학 DMFC 전원팩 시스템 20
그림 1-6. Toshiba 휴대용 연료전지 Dynario 21
그림 1-7. 대만 NanYa PCB사의 스택과 65W DMFC 전원팩 23
그림 1-8. 대만 INER의 20[W] DMFC 전원팩 23
그림 1-9. Oorja Protonics사의 OorjaGen 시스템의 응용분야와 시장성 24
그림 1-10. Baltic Fuel Cells의 50[W]와 250[W]급 DMFC 스택 24
그림 1-11. Mitsubishi Gas Chemical 社의 300[W]급 DMFC 시스템과 스택 25
그림 1-12. Hitachi의 300[W]급 소형 DMFC 시스템과 발전 모듈의 성능 26
그림 1-13. 방송용 카메라 시현과 300[W]급 소형 DMFC 26
그림 1-14. IRD의 500[W]급 DMFC 시스템 27
그림 1-15. 독일 SFC Energy사의 독립형 휴대용 DMFC 시스템 28
그림 2-1. 연료전지 시스템 구성도 30
그림 2-2. 고체산화물 연료전지의 발전 원리 33
그림 2-3. 고분자 연료전지와 직접메탄올 연료전지의 비교 39
그림 2-4. DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 발전원리 및 구조 40
그림 2-5. 배터리 시스템 구성도 42
그림 2-6. 납축전지의 반응 메카니즘(a)과 구조(b) 45
그림 2-7. 니켈카드뮴 전지 구조 46
그림 2-8. 니켈수소 반응 메카니즘과 구조 47
그림 2-9. 리튬 2차전지의 기본원리 48
그림 2-10. 리튬 2차전지의 기본특성 50
그림 2-11. 정전류 방전을 통한 전압 및 용량변화 52
그림 2-12. 방전전류에 따른 전압곡선의 변화 54
그림 2-13. 정전류 방전시 저항의 구분 54
그림 2-14. HPPC 및 Power Max 실험법 55
그림 2-15. 정전류-정전압 충전특성 56
그림 2-16. 펄스에 의한 충전방식 57
그림 2-17. 충전 속도에 따른 충전시간 58
그림 2-18. 저온에서의 방전 율속에 따른 특성 60
그림 2-19. 온도에 따른 방전율 및 충전율 60
그림 2-20. BMS 구성도 61
그림 2-21. 하이브리드 시스템 구성도 64
그림 2-22. 직렬구성 연료 전지-배터리 하이브리드 시스템(직렬형) 65
그림 2-23. 병렬출력을 갖는 연료 전지-배터리 하이브리드 시스템(병렬형) 66
그림 2-24. 병렬입력을 갖는 연료 전지-배터리 하이브리드 시스템(병렬형) 67
그림 3-1. 연료전지의 성능특성 곡선 69
그림 3-2. Tafel plot의 예 71
그림 3-3. 연료전지 시뮬레이터 제어 구성도 75
그림 3-4. 연료전지 시뮬레이터 순서도 77
그림 4-1. 리튬 폴리머 배터리 정전류-정전압에 의한 SOC 79
그림 4-2. 상온에서의 리튬 폴리머 배터리 방전 SOC 81
그림 4-3. 외부 온도에 따른 리튬 폴리머 배터리의 방전용량 SOC 82
그림 4-4. BMS 소프트웨어 구조 84
그림 4-5. BMS 소프트웨어 순서도 87
그림 4-6. 셀 감시 알고리즘 순서도 88
그림 4-7. 통신처리 알고리즘 순서도 89
그림 4-8. 자체점검 알고리즘 순서도 90
그림 4-9. 충전이력관리 알고리즘 순서도 91
그림 4-10. BMS 기능 블럭도 92
그림 4-11. CPU 내부구조도 93
그림 4-12. 아날로그 전치회로 94
그림 4-13. 셀 전압 측정 및 CPU 정합 회로 95
그림 4-14. 셀 온도 측정회로 96
그림 4-15. CAN 통신회로 97
그림 4-16. RS232 통신회로 98
그림 5-1. 다이오드를 이용한 승압 컨버터 101
그림 5-2. MOSFET를 이용한 동기식 승압 컨버터 105
그림 5-3. 동기식 승압 컨버터 전류 흐름도 106
그림 5-4. 동기식 승압 컨버터 S1 턴-온 동작 107
그림 5-5. 동기식 승압 컨버터 S2 턴-온 동작 107
그림 5-6. 동기식 승압 컨버터 동작 전류 파형 108
그림 5-7. 동기식 승압 컨버터 역전류 발생 흐름도 113
그림 5-8. Duty에 따른 DCM, CCM영역 114
그림 5-9. 역전류 차단 제어기 블록도 115
그림 5-10. K상수 연산 플로우 차트 116
그림 5-11. DCM구간 보상 영역 116
그림 5-12. 동기식 승압 컨버터 회로도 117
그림 5-13. GATE PWM에 따른 승압 스위치 전압, 전류 파형 118
그림 5-14. 동기식 승압 컨버터의 제어기 블록도 120
그림 5-15. 게이트 드라이브 구성 121
그림 5-16. MOSFET 특성(APT20M11JVFR) 122
그림 5-17. 동기식 승압 컨버터 기생CDS 및 전류흐름(이미지참조) 123
그림 5-18. 병렬형 풀 브릿지 컨버터 127
그림 5-19. 센터탭 변압기 방식의 풀 브릿지 컨버터 128
그림 6-1. 동기식 승압 컨버터 시뮬레이션 회로도 131
그림 6-2. 동기식 승압 컨버터 주파수별 입력전류 리플 132
그림 6-3. 데드타임에 따른 overshoot 분석(1μs) 135
그림 6-4. 데드타임에 따른 overshoot 분석(0.8 ㎲) 138
그림 6-5. 데드타임에 따른 overshoot 분석(0.6 ㎲) 141
그림 6-6. 데드타임에 따른 overshoot 분석(0.4 ㎲) 144
그림 6-7. 데드타임에 따른 overshoot 분석(0.2 ㎲) 147
그림 6-8. 데드타임에 따른 overshoot 분석(0 ㎲) 150
그림 6-9. 풀 브릿지 컨버터 시뮬레이션 회로도 152
그림 6-10. 풀 브릿지 컨버터 이상적인 PWM신호의 전압, 전류파형 153
그림 6-11. 풀 브릿지 컨버터의 PWM 온, 오프 신호 지연 시 전압, 전류파형 154
그림 6-12. 풀 브릿지 컨버터의 PWM 온, 오프 보상 알고리즘 적용 전압, 전류파형 155
그림 7-1. 연료전지 시뮬레이터가 포한된 세트구성 156
그림 7-2. 연료전지 시뮬레이터 하드웨어 157
그림 7-3. DMFC 연료전지 V-I 곡선 158
그림 7-4. 연료전지 시뮬레이터 VI 곡선 158
그림 7-5. 입력전류 5.1[A]일 때 스위치 Overshoot 파형 159
그림 7-6. 입력전류 6.8[A]일 때 스위치 Overshoot 파형 160
그림 7-7. 입력전류 8.5[A]일 때 스위치 Overshoot 파형 161
그림 7-8. 입력전류 10.2[A]일 때 스위치 Overshoot 파형 162
그림 7-9. 입력전류 11.9[A]일 때 스위치 Overshoot 파형 163
그림 7-10. 입력전류 13.6[A]일 때 스위치 Overshoot 파형 164
그림 7-11. 입력전류 15.6[A]일 때 스위치 Overshoot 파형 165
그림 7-12. 입력전류 17[A]일 때 스위치 Overshoot 파형 166
그림 7-13. 고정 데드타임 동기식 승압 컨버터 효율곡선 167
그림 7-14. 기존 데드타임 고정방식의 전류에 따른 데드타임 168
그림 7-15. 제안하는 데드타임 제어방식의 전류에 따른 데드타임 168
그림 7-16. 입력전류 5.1[A]일 때 데드타임 파형(1.4 ㎲) 169
그림 7-17. 입력전류 6.8[A]일 때 데드타임 파형(1.2 ㎲) 170
그림 7-18. 입력전류 8.5[A]일 때 데드타임 파형(1 ㎲) 171
그림 7-19. 입력전류 10.2[A]일 때 데드타임 파형(0.8 ㎲) 172
그림 7-20. 입력전류 11.9[A]일 때 데드타임 파형(0.6 ㎲) 173
그림 7-21. 입력전류 13.6[A]일 때 데드타임 파형(0.4 ㎲) 174
그림 7-22. 입력전류 15.6[A]일 때 데드타임 파형(0.2 ㎲) 175
그림 7-23. 데드타임 예측제어 적용 및 미적용 효율비교 176
그림 7-24. 연료전지 전류 응답특성 및 역전류 차단 제어 파형 177
그림 7-25. 제안하는 방식의 센터탭 풀 브릿지 컨버터의 PWM 파형 178
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연료전지-배터리 하이브리드 시스템의 PCS (Power Conditioning System) 구성은 연료전지 전력을 배터리에 충전하는 DC/DC 컨버터와 배터리의 SOC(State of Charge)에 따라서 변동하는 전압을 정전압으로 출력하여 주는 DC/DC 컨버터로 구성되며 주로 고효율 토폴로지인 동기식 승압 컨버터를 사용한다. 효율이 높은 특성을 갖는 동기식 승압 컨버터의 경우 기존의 컨버터와 비교 시 전류의 리플이 작고, 양방향 전력제어가 가능하다는 점에서 산업계에서 다방면으로 사용되고 있다. 그러나 이러한 동기식 승압 컨버터는 초기 역전압으로 인해 연료전지 방향으로 역전류가 흘러 연료전지의 손상 위험이 있고 승압용 스위치와 정류용 스위치의 온, 오프 시간에 따라서 역병렬 다이오드로 도통되는 구간이 발생하여 스위치 전류의 overshoot와 스위치 상보 간 데드타임에 의한 효율저감이 발생하기 때문에 고효율 컨버터 구성을 위해서는 입력전류에 따른 정확한 데드타임 설정이 필수적이다.
본 논문은 연료전지-배터리를 이용한 하이브리드 시스템의 성능향상을 위한 전력변환기의 설계 및 제어에 대해 제안 하였다. 이러한 시스템의 구성을 위해 연료전지 출력 특성을 모사한 연료전지 시뮬레이터 제작, 리튬 폴리머 배터리의 안정적인 제어를 위한 BMS 구성, 저전압 대전류의 정전력 출력을 위한 고효율 데드타임을 적용한 승압 컨버터 설계, 정전압 부하를 위한 풀 브릿지 컨버터의 설계 및 PWM 보상제어 방법에 대해 설명한다.
또한 연료전지에서 전달되는 에너지를 배터리에 저장시키는 동기식 승압 컨버터의 데드타임, 전류에 따른 overshoot를 분석하여 예측제어를 통한 데드타임 가변으로 동기식 승압 컨버터의 전체 전력 영역에서 효율을 증대할 수 있는 방법을 제시하고, 시뮬레이션과 실험을 통해 그 타당성을 입증하였다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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