다목적 최적화 기법을 이용한 절연형 양방향 DC-DC 컨버터의 변압기 최적설계

Abstract

최근 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)과 같은 양방향 전력전달 시스템에 대한 수요가 증가함에 따라, 양방향 컨버터가 인기를 얻고 있다. 또한 해당 시스템들은 높은 전압과 전압변환 비를 사용하는 특성 상 변압기를 이용한 절연형 설계가 필요하며 그에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만, 도출된 설계 변수 조합을 바탕으로 양방향 동작 시퀀스에 따른 전체적인 에너지 효율에 대한 추가적인 최적화 연구가 필요하나 관련연구는 많이 이루어지지 않고 있다. 본 논문은 절연형 양방향 컨버터의 자성소자 부피와 전체적인 컨버터 손실을 최적화하기 위한 다목적 최적화 설계 알고리즘을 제안한다. 이는 시스템 부피 저감 및 양방향 에너지 전달효율을 높이기 위한 배터리 연계형 컨버터에 주안점을 두었다. 제안 알고리즘의 경우 비지배 정렬 유전 알고리즘-Ⅱ를 이용한 다목적 최적화를 통해 자성소자 부피와 컨버터 전력 손실을 최적화한 200개의 설계 후보군을 도출하고, PLECS 연동 시뮬레이션을 통하여 제안된 컨버터 디자인이 적용된 회로를 통해 양방향 전력 효율 분석과 배터리 충, 방전 시퀀스에 따른 에너지 효율 분석을 진행하여 단일 최적화 설계치를 결정한다. 이는 기존의 최적화 설계와 달리, 최적화 설계 과정에서 시스템의 에너지 효율까지 분석할 수 있는 장점이 있다. 제안된 알고리즘을 검증하기 위해, 20W급 양방향 2-스위치 포워드 컨버터를 사용한 배터리 셀 균등화 회로, 12.5kW급 DAB 컨버터를 사용한 차량용 배터리 팩 충방전기의 두 가지 종류의 컨버터 설계를 분석하였다. 종래의 설계방식과 제안된 알고리즘을 통해 제작된 컨버터의 자성소자 부피와 손실 비교를 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 또한, 기존 설계방식 및 제안한 알고리즘을 통해 제작한 20W급 배터리 균등화 회로 하드웨어를 실제 구현하여 하드웨어 부피와 컨버터 전력 및 에너지 손실을 비교하였다. 결과적으로 제안된 알고리즘으로 설계한 컨버터는 부피가 저감되고 컨버터 전력 및 에너지 효율이 증가하였다. 따라서 제안된 기술은 배터리의 충방전이 요구되는 절연형 양방향 시스템에 매우 유용한 알고리즘이 될 것으로 판단된다.

주요어 : 절연형 양방향 DC-DC 컨버터, 다목적 최적화 알고리즘, Non-dominated sorting genetic algorithm-II (NSGA-II), 컨버터 최적 설계