배터리와 3상 T-type 양방향 인버터의 통합 소신호 모델링 및 제어기 설계 : 배터리 등가회로 모델링 및 dq축 소신호 해석 기반 이중루프 제어기 설계 = Integrated Small-Signal Modeling of Battery and Three-Phase T-type Bidirectional Inverter and Controller Design

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 배터리 등가회로(Equivalent Circuit Model; ECM)와 3 상 3-level T-type 양방향 인버터를 단일 시스템으로 통합한 dq축 소신 호 모델을 제안하고, 이를 기반으로 충·방전 모드별 비례적분(Proportional –Integral; PI) 제어기를 설계한다. T-type 인버터는 2-level 인버터 대비 스위칭 소자의 전압 스트레스를 낮추고, 3-level 전압 단계를 통해 출력 전류의 고조파 왜곡(THD)을 저감할 수 있어 고효율·고전력밀도 양방향 전 력변환 시스템에 적합하므로 본 연구의 토폴로지로 선정하였다. 배터리의 동 특성을 반영하기 위해 전류 펄스 시험을 통해 SOC(State of Charge) 0–100% 전 구간에서 1차 RC 파라미터를 추정하여 ECM을 구성하였으며, 이를 인 버터 모델과 통합하여 상태방정식을 도출하였다. 도출된 통합 모델은 dq 좌표계에서 선형화하여 소신호 모델을 얻고, 충 전 및 방전 모드에 따른 제어기를 설계하는 데 사용한다. 검증 단계에서 는 T-type 인버터가 등가 저항 부하 조건에서 동작하도록 설정하고, double-loop 제어 구조를 기반으로 한 주파수 응답 및 시간 영역의 계단 응답에 대한 시뮬레이션 및 실험을 통해 제어 성능을 평가하였다. 이후 제안한 ECM 기반 통합 모델을 적용하여 특정 SOC 구간에서 주파수 응 답과 시간 영역 계단응답 시뮬레이션을 통해 배터리 동특성이 제어 성능 에 미치는 영향을 분석 및 검증하였다. 본 연구는 배터리–양방향 T-type 인버터 통합 시스템에서 배터리 동특 성을 반영한 제어기 설계 절차를 제시하며, 설계된 PI 제어기가 충·방전 모드에서 안정성과 응답 특성을 만족함을 입증한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. LTO 배터리 ECM 파라미터 도출 방법 3
• 2.1 LTO 배터리의 ECM 3
• 2.2 ECM 충전 및 방전 응답에 대한 파라미터 도출 방법 4
• Ⅲ. 배터리와 T-type 양방향 인버터의 통합 모델링 및 제어기 설계 6
• 3.1 3상 T-type 양방향 인버터의 스위칭 함수 기반 모델링 6
• 3.2 배터리 ECM과 T-type 인버터의 통합 모델링 13
• 3.3 제어기 구조 및 설계 방법 16
• Ⅳ. 배터리 ECM 파라미터 도출 및 제어 시스템 검증 20
• 4.1 배터리 등가 모델 파라미터 도출 20
• 4.2 PFC 모드 시뮬레이션 및 실험 검증 24
• 4.3 UPS 모드 시뮬레이션 및 실험 검증 36
• 4.4 ECM이 통합된 양방향 T-type 인버터 시뮬레이션 및 검증 48
• Ⅴ. 결론 57