배터리 에너지 저장장치를 위한 부분전력처리형 DC-DC 컨버터의 설계 및 해석 = Design and Analysis of Partial Power Processing Converters for Battery Energy Storage Systems

국문 초록 (Abstract)

최근 2050 탄소 중립 달성을 위한 신재생 에너지의 확산과 전기 자동차(EV) 시장의 급격한 성장에 따라, 전력망의 안정성을 확보하기 위한 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS), 특히 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)의 중요성이 대두되고 있다. 대용량 BESS 구축을 위해 다수의 배터리 팩을 병렬로 연결하는 방식이 널리 사용되고 있으나, 이는 배터리 모듈 간의 임피던스 및 충전 상태(State of Charge, SoC) 불균형으로 인한 순환 전류(Circulating Current) 문제를 야기한다. 이를 해결하기 위해 각 배터리 모듈에 개별 dc-dc 컨버터를 적용하여 전압을 제어하는 방식이 필수적이나, 기존의 전력처리(Full Power Processing, FPP) 방식은 시스템의 모든 전력을 컨버터가 변환해야 하므로 전력 변환 손실이 크고, 컨버터의 정격 용량이 커져 부피와 비용이 증가하는 한계를 갖는다. 이에 본 논문에서는 BESS 의 시스템 효율을 극대화하고 컨버터 용량을 저감하기 위해 부분전력처리(Partial Power Processing, PPP) 방식을 적용한 dc-dc 컨버터의 설계 방법을 제안한다. 제안하는 시스템은 배터리와 dc 버스 사이의 전압 차이만을 보상하도록 입출력 병렬-직렬(Input-Parallel Output- Series, IPOS) 구조로 결선되어, 컨버터가 처리하는 전력비율을 저감한다. 본 연구에서는 부분전력처리 구조에 최적화된 토폴로지로 하프 브리지- 푸시풀(Half-Bridge Push-Pull, HB-PP) 컨버터를 선정하였다. 해당 토폴로지는 기존의 부분전력처리에 주로 사용되는 이중 능동브리지(Dual Active Bridge, DAB) 방식 대비 스위치 수를 저감하면서도, 고전류가 흐르는 2 차측(dc 버스 측)의 도통 손실을 효과적으로 줄일 수 있는 구조적 장점을 갖는다. 또한, 변압기 누설 인덕턴스에 의한 전압 서지 문제를 해결하고 스위칭 손실을 저감하기 위해 2 차측에 능동 클램프(Active Clamp) 회로를 적용하여 신뢰성을 확보하였다. 제안하는 시스템의 타당성을 검증하기 위해 14kW 급 BESS 사양을 기반으로 시작품을 제작하여 실험을 수행하였다. 실험 결과, 컨버터는 배터리의 충·방전 모드에서 안정적인 양방향 전력 제어 성능을 보였다. 특히, 부분전력처리 동작을 통해 컨버터 자체의 효율은 약 89.8% 수준임에도 불구하고, 전체 시스템 효율은 최대 99.55%를 달성하였다. 이는 기존 FPP 방식 대비 월등히 높은 효율이며, 제안된 설계 방식이 차세대 고효율·고밀도 BESS 구축을 위한 실효적인 솔루션임을 입증한다.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 viii
• 표 목차 x
• 1 서론 1
• 1.1 연구배경 및 필요성 1
• 1.2 연구의 목표 및 구성 8
• 2 부분전력처리의 필요성 10
• 2.1 기존 전력처리 방식의 특징 및 문제점 10
• 2.2 제안하는 부분전력처리 방식의 특징 13
• 2.3 부분전력처리와 BESS의 결합 17
• 2.4 부분전력처리 시스템 결선 방식 20
• 2.5 부분전력처리 연구 사례 27
• 3 부분전력처리용 dc-dc 컨버터 토폴로지 선정 및 설계 30
• 3.1 토폴로지의 요구 조건 분석 30
• 3.1.1 절연형 토폴로지의 필요성 31
• 3.1.2 높은 전압 변환비의 필요성 31
• 3.2 부분전력처리용 토폴로지 선정 33
• 3.2.1 동작 모드 분석 35
• 3.2.2 제안하는 설계 절차 41
• 4 제안하는 방법의 검증 50
• 4.1 시뮬레이션 50
• 4.2 하드웨어 검증 54
• 5 결론 및 향후과제 67
• 참고 문헌 70