배터리 스택 BMS 스위치용 양방향 강압 컨버터 구성과 제어기법 = Bidirectional Buck Converter Configuration and Control Techniques for Battery Stack BMS Switch

국문 초록 (Abstract)

분산형 에너지 저장 시스템은 다수의 배터리 스택이 공통 DC 버스에 병렬로 연결되는 구조로 운전되며, 스택 간 전압 및 SOC 편차에 의해 순환전류와 전류 분담 불균형이 발생할 수 있다. 이때 스택 차단기 중심의 보호 체계는 사고 전류 차단에는 유효하나, 병렬 운전 중 스택 단위의 전력 흐름을 직접 제어하는 데에는 한계가 있다. 본 논문은 분산형 ESS에서 스택 단위 전력 제어와 단락 보호 동작을 함께 고려하기 위해, 양방향 강압 DC/DC 컨버터 구조와 제어 방법을 제안한다. 제안하는 토폴로지 구조는 강압 컨버터 두 개를 직렬로 구성하는 기존 형태에서 중간 커패시터를 제거하고 인덕터를 하나로 통합하여, 전체적인 회로 구성을 단순화하였다. 또한 양 단자에 인가되는 스위칭 신호가 동일한 조건에서도 단자 간 전압차에 의해 인덕터 전류 방향이 결정되도록 회로를 구성하여, 전력 흐름이 전압이 높은 단자에서 낮은 단자로만 형성되도록 하였다. 제안하는 회로의 동작은 스위치 조합에 따라 인덕터 전류 증가 모드와 전류 감소 모드로 구분하여 정리하였다. 제안 회로는 스위치 상태에 따라 인덕터 전류의 증가·감소 동작을 구분하여 전류 제어 원리를 정리하였으며, 전류 경로의 연속성을 확보하는 구동 방식을 통해 포트 전류 제한 및 단락 보호 동작을 구현하였다. 단락 보호는 사고 발생 직후 하드웨어 전류 제한이 우선 동작한 뒤, 시비율 감소와 소프트웨어 전류 제한으로 제한 전류를 재설정하는 순서로 구성하였으며, 단락 해제 후 출력 전압이 기준값으로 복원되도록 재기동 동작을 검증하였다. 제안된 구조와 제어 방법의 타당성을 확인하기 위해 프로토타입을 제작하고 정전류 동작, 부하 변동, 기동, 단락 조건에서 실험을 수행하였다. CC 지령 3 A 조건에서 전류가 3 A 수준으로 유지되었고, 부하를 1 A로 낮춘 경우 출력 전압은 110 V로 복귀되었다. 단락 시험에서는 부하 전류가 약 150 A의 펄스성 전류로 나타났으며, 단락 발생 순간 전류가 12 A로 제한된 뒤 시비율 감소와 소프트웨어 전류 제한에 의해 약 5 A 수준으로 전환되었다. 단락 해제 후 출력 전압은 110 V로 복원되었다. 기동 시험에서는 소프트 기동 적용 시 출력 전압이 지령값까지 선형적으로 상승하였고, 충전 스위치와 방전 스위치에 동일한 시비율을 인가한 조건에서도 인덕터 전류 변동이 크지 않음을 확인하였다. 이상의 결과로부터 제안된 회로의 동작 원리와 단락 보호 동작의 유효성을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Distributed energy storage systems operate with multiple battery stacks connected in parallel to a common DC bus. Voltage and SOC deviations between stacks can cause circulating currents and current sharing imbalances. While stack circuit breaker-based protection systems are effective for fault current interruption, they have limitations in directly controlling power flow at the stack level during parallel operation. This paper proposes a bidirectional buck DC/DC converter structure and control method to simultaneously address stack-level power control and short-circuit protection in distributed ESS. The proposed structure reduces the number of components and circuit complexity by removing the intermediate capacitor and integrating the inductors into a single unit, compared to the conventional configuration of two buck converters connected in series. Furthermore, the circuit is designed such that the inductor current direction is determined by the voltage difference between the terminals, even under identical switching signal conditions applied to both terminals. This ensures power flow is directed only from the higher voltage terminal to the lower voltage terminal. The operation of the proposed circuit is categorized into inductor current increase mode and current decrease mode based on the switch combination. The proposed circuit distinguishes between inductor current increase and decrease operations according to the switch state, establishing the current control principle. It implements port current limiting and short-circuit protection through a drive method that ensures continuity of the current path. Short-circuit protection is configured to first activate hardware current limiting immediately after a fault occurs, followed by resetting the limiting current through a reduction in the duty cycle and software current limiting. Restart operation was tested to ensure the output voltage recovers to its reference value after the short-circuit is cleared. To validate the proposed structure and control method, a prototype was constructed and tested under constant current operation, load variation, startup, and short-circuit conditions. Under a CC command of 3 A, the current was maintained at approximately 3 A. When the load was reduced to 1 A, the output voltage returned to 110 V. During the short-circuit test, the load current exhibited a

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 문제 정의 1
• 1.2 연구 동향 2
• 1.3 연구방법 및 논문의 구성 4
• 2. 에너지 저장 시스템(ESS)의 기술 동향 6
• 2.1 배터리 스택과 보호 기능 6
• 2.1.1 과충전 보호 7
• 2.1.2 과방전 보호 8
• 2.1.3 단락 및 과전류 보호 8
• 2.2 ESS 구성 방식 9
• 2.2.1 집중형 ESS 10
• 2.2.2 분산형 ESS 10
• 2.3 분산형 ESS 구조적 한계 11
• 3. 분산형 ESS용 양방향 강압 컨버터 14
• 3.1 배터리 스택 직결용 DC/DC 컨버터 개요 15
• 3.2 기존 양방향 컨버터 구조 17
• 3.2.1 양방향 승강압 컨버터 Type-A 17
• 3.2.2 양방향 승강압 컨버터 Type-B 17
• 3.2.3 기존 양방향 강압 컨버터 19
• 3.3 제안하는 양방향 강압 컨버터 토폴로지 22
• 3.3.1 양방향 강압 포트 모델 23
• 3.3.2 제안하는 양방향 강압 컨버터 24
• 3.4 제안하는 양방향 강압 컨버터 동작 모드 25
• 3.4.1 인덕터 전류 증가 모드 26
• 3.4.2 인덕터 전류 감소 모드 27
• 3.4.3 배터리 스택 등가 모델 기반 전력 인터페이스 구성 28
• 4. 양방향 강압 컨버터 제어기법 30
• 5. 실험 및 결과 32
• 5.1 실험 장치구성 및 방법 32
• 5.2 컨버터의 기동 및 양방향 특성 분석 결과 33
• 5.3 부하 변동에서의 CC/CV 동작 특성 35
• 5.4 단락 보호 동작 특성 37
• 6. 결론 및 향후계획 40
• 6.1 결론 40
• 6.2 향후계획 41
• 참고문헌 42
• Abstract(영문초록) 46