Development of Small-capacity PCS for Personal Mobility Utilization

Personal Mobility 활용을 위한 소용량 PCS 개발

Abstract

This study conducted a study on a small-capacity PCS using lithium-ion batteries used in personal mobility. Most of the batteries in Personal Mobility only charge with external chargers and are used only as mobile energy sources. However, this paper aims to charge the battery of PM using PV and system power or to use the charged power as a stand-alone power supply. The developed PCS can be operated as a two-channel battery charger/discharger, a battery charger using solar power, and a stand-alone solar inverter depending on the operation method. The validity of the manufactured small-capacity PCS was verified through experiments.

1. 서 론

현재 세계는 환경오염으로 발생한 기후변화와 지구의 온도 상승 등의 문제를 해결하고자 큰 노 력을 수행하고 있으며, 그에 대해 제로 탄소 정책 과 같은 노력을 수행하고 있다. 특히, 화석에너지 원을 신재생 에너지원으로 대체하기 위해 정부 차 원에서 많은 노력을 하였고, 이에 따라 점차 성과 들이 나타나고 있다. 내연기관의 경우 전기자동차 의 보급률이 높아지고 있으며, 전기자동차뿐만 아 니라 대형부터 개인형 이동수단까지 전동화 이동 수단에 대한 개발이 이루어지고 있다. 국내의 경 우, 서울을 중심으로 점진적으로 디젤 내연기관에 대한 운행제한이 이루어지고 있고, 향후 2030년부 터는 내연기관 차량에 대한 등록제한이 이루어지 도록 지방 정부 정책 로드맵이 공개되었다. 이에 발맞춰, 개인용 이동수단인 오토바이에 대한 제한 도 이루어진다. 당장 2025년부터는 서울 시내에서 내연기관 개인용 이동수단장치의 사용이 금지된 다. 이는 오토바이와 같은 개인용 이동수단의 전 동화가 강제되는 것이고, Personal Mobility(PM) 의 빠른 보급이 이루어질 것으로 예상된다. 그러 나 전기자동차의 보급 속도에 맞춰 보급률이 증가 하지 못한 충전기는 여전히 전기차의 문제로 인식 되고 있으며, 이는 개인용 이동수단에서도 동일한 문제가 발생할 것으로 예상됨으로, 이에 대한 해 결책이 필요하다. [1-6]

PM은 기존의 오토바이와 자전거와 같은 기존 의 개인용 이동수단을 빠르게 대체하고 있다. 동 남아시아와 같은 개인용 이동수단의 보급률이 높 은 지역은 시장발전 가능성이 무궁무진한 상황이 다. 국내외적으로 시장 가능성이 큼에도 불구하고, 아직 전기차 기반의 급속충전기에 관한 연구가 많 이 이루어지고 있으며, PM의 충전에 대해서는 대 만의 Gogoro社의 제품 정도만 상용화가 이루어진 상황이다. 즉, PM의 단순한 충전기의 역할 뿐만 아니라 다양한 응용이 가능한 시스템의 개발이 필 요하다.

따라서 본 논문에서는 Personal Mobility의 배 터리 활용을 위한 소용량 PCS를 개발한다. 개발 되는 소용량 PCS의 내부 시스템 구조를 제안하고 전력 운용 알고리즘을 제안한다. 이를 검증하기 위해 실험을 통하여 타당성을 검증하였다.

2. Personal Mobility의 종류와 배터리

Personal Mobility(PM)는 전기를 동력으로 하 는 1인용 이동수단을 일컫는 용어이다. Fig. 1에 서 보듯이 1인용 이동수단으로 사용되는 전동 휠, 전동 킥보드, 전기 자전거, 전기 오토바이 등이 해당하며 전기를 주 동력원으로 하는 장비들이다. 크기 및 무게가 소형화되어 휴대성이 높아졌고, 전기를 동력으로 사용함에 따라 에너지 소비 절감 효과가 크다는 장점이 있다.

PM에 사용되는 배터리는 과거에는 납축 배터리가 사용되었지만, 현재에는 리튬계열의 배터리 가 사용되고 있다. 리튬을 기반으로 한 배터리는 에너지 저장 밀도가 높아 부피가 작고, 장시간 사 용이 가능하다. 또한, 충전 및 방전에 대한 응답 성이 높아 이동수단에 적합하다. 전동 킥보드나 스쿠터, 세그웨이와 같은 휴대성이 높은 이동수단 들은 대부분 소용량 배터리를 내장하고 있고, 이 동 거리가 짧다. 기존의 오토바이를 대체하는 전 기 오토바이와 같은 부피가 큰 이동수단들은 배터 리의 용량이 크고, 상대적으로 이동 거리가 멀다.

Fig. 1 Types of personal mobility

Table 1. Battery spec. of PM

Fig. 2 Example of a battery module(Very-words Co.Ltd.)

Fig. 3 Baterry Management System(BMS)

전기 오토바이에 적용되는 배터리는 12V∼72V 의 전압 범위와 1kW∼3kW의 용량을 갖는 배터 리가 많이 사용되고 있다. 게다가 배터리 충전 문 제 해결을 위해서 배터리 교체형 모델이 나오기 시작하였고, 해외 Gogoro社에서는 배터리 충전 스테이션을 구축하여 배터리를 교환하도록 하여 충전시간을 단축했다.

교환형 배터리는 교체가 용이하도록 모듈 형태 나 패키지 형태로 제작되며, 내부에 배터리 관리 를 위한 BMS(Battery Management System)를 내 장하고 있다. 따라서, 이러한 교환형 배터리 모듈 은 하나의 소용량 ESS로 볼 수 있으므로 소용량 가정용 PCS에 적용한다면 가정용 ESS로 활용할 수 있다. 이러한 장점은 계통 전력망 안정도가 낮 고, 오토바이 이용률이 높은 지역에서 활용할 수 있다면, 전력 사용의 활용도를 높일 수 있으므로, PM을 이용할 수 있는 PCS 개발이 필요하다.

3. 제안하는 소용량 PCS

현재 상용화된 가정용 PCS를 살펴보면 태양광 발전과 계통연계 운전을 기본기능으로 하며, ESS 를 옵션으로 구성하여 시스템이 구성된다. 가정용 PCS의 용량은 5kW~10kW 내에서 구현되며, 가 정용 ESS의 용량은 10kWh∼20kWh의 범위를 갖 고 있으며, Fig. 4와 같이 전력변환이 이루어진다.

Fig. 4 Example of Power conversion Home ESS

현재 이러한 구조 대부분은 최소 입력 전압이 150V부터 시작하여 12V∼72V의 범위를 갖는 PM용 배터리를 직접 적용하기에는 불가능하다. 또한, Wall-type의 형태로 제작되어 이동성이 제 한되는 단점이 있다. 따라서, PM용 배터리를 활용 하기 위한 낮은 입력 전압에서 동작이 가능한 소 용량 PCS 시스템을 제안한다.

Fig. 5는 제안하는 PCS의 구조이다. 제안하는 구조는 PM용 배터리의 충·방전을 위한 양방향 DC/DC 컨버터, 태양광 발전을 위한 MPPT 컨버 터, 계통연계를 위한 양방향 단상 인버터, DC-link 전압을 위한 Dual Active Bridge(DAB) DC/DC 컨버터로 구성된다.

Fig. 5 Proposed PCS structure

Fig. 6 Bi-directional converter

Fig. 6은 DC-link 저압부의 컨버터 구성을 나타낸 그림이다. 저압 DC-link를 기준으로 양방향 DC/DC 컨버터가 연결되고, 각각의 컨버터는 VLow-DC를 기준 으로 입력하는 전력원의 전압 크기에 따라 입력하는 컨버터가 결정되도록 구성하였다.

VHigh에 연결되는 전력원은 PV 모듈의 Vmpp와 PM용 배터리의 Cut-off 전압 크기가 VLow-DC보다 큰 경우에 연결되는 단자이며 기본적으로 강압시 키는 동작을 수행한다. VLow에 연결되는 전력원은 PV 모듈의 Vmpp와 PM용 배터리의 완충 전압의 크기가 VLow-DC보다 작은 경우에 연결되는 단자이 며 기본적으로 승압시키는 동작을 수행한다. VHigh 와 VLow에 대한 입출력 관계식은 다음과 같다.

\(V _ { L o w - D C } = \frac { 1 } { 1 - D _ { L o w } } V _ { L o w }\)

\(V _ { L o w - D C } = D _ { H i g h } V _ { H i g h }\)

위의 관계식을 살펴보면 두 개의 제어기가 VLow-DC를 전압제어를 하게 되면 시스템이 불안정 하게 된다. 그러나 제안된 시스템은 계통 연계운 전 모드에서는 연계형 인버터가 VHigh-DC를 제어하 고, DAB를 통하여 VLow-DC의 크기는 TR의 턴 비 에 의해 크기가 결정되며 다음과 같이 표현된다.

\(V _ { \text { Low } - D C } = \frac { N _ { sec } } { N _ { \text { pri } } } V _ { \text { High } - D C }\)

따라서, 두 개의 컨버터는 연계형 모드에서는 기본적으로 전류제어 모드로 수행하고, 이를 통해 시스템 제어의 안정성을 높일 수 있다.

Fig. 7은 DAB 컨버터를 나타낸 그림이다. DAB 는 각각의 H-Bridge 컨버터의 스위치 위상을 제 어를 통하여 전력전달을 수행한다. 식(3)과 같이 관계식을 갖고 있으며, 제안된 시스템에서는 1/8 의 비율로 TR을 설계하였다. 또한, 스위치 간 위 상을 180°로 고정하여 동작을 수행하며, 제안된 시스템의 VLow-DC와 VHigh-DC의 관계식은 식(4)와 같다.

\(V _ { \text { Low-DC } } = \frac { 1 } { 8 } V _ { H i g h - D C }\)

Fig. 7 Dual-Active Bridge Converter(DAB)

Fig. 8 Grid-tied One-phase inverter

Fig. 9 Voltage control diagram for inverter

Fig. 8은 제안된 시스템에서 사용된 인버터의 그림으로 일반적인 단상 인버터와 동일한 구조로 선정하였다. Totem-pole PFC와 같은 고효율 토 폴로지가 제안되었으나, Totem-pole PFC는 계통 연계모드에서 제어기의 특성에 의해, 계통으로 전 력을 전달하는데 제어기의 속응성이 좋지 않다. 따라서, 기존의 단상 인버터의 구조를 이용하여 DC-link 전압 제어기를 구현하여 양방향 전력전 달이 되도록 하였다. 또한, 독립형 인버터로 사용 한다면 필터에 충분한 인덕턴스 값을 확보함으로 써 고조파가 낮은 전압파형을 출력할 수 있다.

Fig. 9는 인버터의 전압제어 블록도를 나타낸 그림이다. 그림을 살펴보면 VHigh_DC를 제어하는 일반적인 인버터 DC링크 전압 제어기로, VHigh_DC 에 전력이 공급되어 전압이 증가하면

계통으로 전력을 전달하게 되며, 인버터의 출력 전류는 계통 전압과 역상이 되고, 역률은 1에 가 깝게 제어된다. 이때, VLow-DC는 식(4)에 의해 전 압제어가 이루어진다.

4. 성능 실험 및 고찰

제안된 시스템의 타당성 검증을 위해 시제품을 제작하였다. 제작된 시제품의 각각의 컨버터는 독 립적인 제어기를 통하여 동작하게 설계를 수행하 였다. 설계된 인버터는 Ti社의 TMS320F280025를 이용하여 제어 보드를 구현하였고, 양방향 인버터 는 VHigh-DC 전압이 400V로 제어가 되도록 하였 다. 절연형 양방향 DC/DC 컨버터는 부피가 작고 높은 효율을 갖으며, 제어기가 필요없이 8:1의 입 출력비를 갖는 BCM6123 모델을 선정하였다. 양 방향 DC/DC 컨버터는 Ti社의 TMS320F28069를 메인 제어기로 선정하여 제어 보드를 구성하였고, 상위 EMS로부터 전류제어 지령 값을 받아 시제품 이 동작하도록 하였다.

Fig. 10은 제작된 시제품으로 1개의 양방향 인 버터, 2대의 절연형 양방향 DC/DC 컨버터, 2대 의 양방향 DC/DC 컨버터로 구성되었다.

Table 2는 입력과 출력의 전압과 출력전력에 대한 실험조건을 나타낸다. 실험에 사용된 배터리 는 Fig. 2의 베리워즈社의 배터리 모듈을 사용하 였다. 배터리는 36V/40Ah의 사양을 가지고 있으나 충전 시 0.5C로 충전이 가능하여 출력전력은 500W에서 1000W까지 실험을 수행하였다.

Table 2. Experimental condition

Fig. 10 Experimental stack

Fig. 11 Experimental result – charging state

Fig. 11은 입력전력 550W에서 입력 전압/전류, 출력 전압/전류에 대한 실험 파형이고, Fig. 12은 Fig. 11에서 출력전류 15A 구간을 확대한 파형이 다. 실험 결과, 출력 전압 36V에서 15A로 전류 지령을 받아서 충전하는 것을 확인할 수 있으며, 계통 전압과 전류를 살펴본 결과 높은 역률을 보 임을 확인할 수 있다.

Fig. 13은 PCS의 독립형 모드에 대한 실험 파 형으로 PCS의 VHigh-DC와 IDC, 인버터 출력 전압 VAC과 출력전류 IAC를 나타낸다. 실험 결과 인버 터 출력 전압 220V, 출력전류 2.54A, 출력전력 560W이며, 독립형 모드로 동작 됨을 확인하였다.

Fig. 12 Experimental result – charging state

Fig. 13 Experimental result – Standalone mode

Fig. 14 Experimental result – Efficiency

Fig. 15 Experimental result – Efficiency

Fig. 14는 제작된 시제품의 최대 효율을 측정한 결과이다. 시제품의 최대 효율은 입력전력 834.9 W, 출력전력 787.7W로 94.349%임을 확인하였 다. 시제품은 3종의 전력변환장치가 연결된 구조 로 종합효율이 94.349%임은 각각의 전력변환장치 의 평균 효율이 98% 이상이 되어야 나올 수 있는 결과로 제작된 시제품은 고효율 시스템임을 확인 할 수 있다.

Fig. 15는 입력 전압 100V에서의 효율을 측정 한 결과이다. 측정결과 VLow-DC의 50V보다 높은 100V 입력 전압에서도 동작이 됨을 확인하였고, 효율은 90.871%이다.

Fig. 16은 시제품의 충전과 방전에 대한 지령치 동작을 실험한 결과 파형이다. 파형은 VLow-DC와 배터리의 전압, 배터리의 전류를 나타낸다. 지령치는 충전 및 방전 모두 10A의 값을 주었으며, 1초 이내에 모드가 변경되는 것을 확인하였다.

Fig. 16 Experimental result – Charging mode change

실험 결과에 대해 분석한 결과, 제작된 시제품 은 매우 높은 효율 특성이 있고, 양방향 DC/DC 컨버터의 전류제어를 통하여 시제품의 양방향 전 력제어가 이루어지고 있음을 확인하였다.

5. 결 론

본 논문에서는 Personal Mobility에서 사용하는 리튬이온 배터리를 활용하는 소용량 PCS에 관한 연구를 수행하였다. 연구를 통하여 개발된 소용량 PCS는 PM의 배터리를 PV와 계통 전력을 이용하 여 충전하거나, 충전된 전력을 이용하여 독립형 전원장치로 사용하는 것에 목적이 있다. 개발된 PCS는 필요에 운용 방식에 따라 2채널 배터리 충·방전기, 태양광을 이용한 배터리 충전기, 독립 형 태양광 인버터로 운영할 수 있다. 제작된 소용 량 PCS는 실험을 통하여 타당성을 검증하였다.

개발된 시스템은 현재 캄보디아에서 실증 진행 하기 위해 준비하고 있다. 개발된 시스템을 통하 여 Personal Mobility가 단순히 이동장치에서 머 물지 않고 이동형 ESS로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 중소벤처기업부의 규제자유특구혁신 사업육성 지원에 의한 연구임. (P0016629)