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문제 정의
- 본 논문은 EV용 3.3 kW급 탑재형 충전기의 설계 및 제작에 대하여 기술하였다. 개발된 탑재형 충전기의 하드웨어는 부하직렬공진형 dc-dc 컨버터 및 주파수 추적 제어 기법이 적용되었고, 충전특성 및 차량 내 탑재를 고려하여 수동소자의 크기 및 스위칭 손실 간 최적설계를 수행하였다.
- 본 장에서는 개발된 3.3 kW 탑재형 배터리 충전기의 상세한 설계 및 제작에 대해 기술한다.
제안 방법
- 전자부하를 대상으로 그림 10과 같이 충전 프로파일을 모의한 실험을 수행하였다. 4분 동안 CC 제어를 모의한 최대 3 kW 전력을 출력하도록 출력 전류를 정전류로 제어하였고, 3분 동안 CV 제어를 모의하여 3 kW에서 0 W로 출력이 가변되도록 출력전압을 제어하였다. 본 실험을 통해 개발된 탑재형 배터리 충전기의 CC-CV 제어 알고리즘을 검증하였다.
- 678 cm2, 정상상태 인덕턴스는 56 nH/N2 이며 투자율은 125 u이다. Dc-dc 컨버터의 공진 인덕터용 코어는 우수한 주파수 특성, 높은 포화자속밀도, 일정한 dc 바이어스 특성, 그리고 높은 투자율을 가지는 페라이트 코어를 사용하였다. 페라이트 코어의 경우 상대적으로 큐리 온도가 낮기 때문에 열관리에 유의하여야 하고, 최고 효 율을 획득할 수 있는 코어의 온도조건에서 운전되도록 하기 위해 코어손 및 동손의 최적 손실 분담설계를 수행하였다.
- Li-Ion 배터리를 효율적으로 충전하기 위해서 그림 3과 같이 정전류 및 정전압 (CC-CV) 듀얼루프 제어기를 적용하였다. 외부루프의 전압제어기에 의하여 전류 지령이 생성되고, 내부 전류제어기가 충전전류를 제어한다.
- 3 kW급 탑재형 충전기의 설계 및 제작에 대하여 기술하였다. 개발된 탑재형 충전기의 하드웨어는 부하직렬공진형 dc-dc 컨버터 및 주파수 추적 제어 기법이 적용되었고, 충전특성 및 차량 내 탑재를 고려하여 수동소자의 크기 및 스위칭 손실 간 최적설계를 수행하였다. 이를 통해 92.
- 경량·저부피 달성 및 우수한 방열 특성을 위하여 케이스와 방열판을 일체형으로 설계하였다.
- 페라이트 코어의 경우 상대적으로 큐리 온도가 낮기 때문에 열관리에 유의하여야 하고, 최고 효 율을 획득할 수 있는 코어의 온도조건에서 운전되도록 하기 위해 코어손 및 동손의 최적 손실 분담설계를 수행하였다. 고주파 변압기 역시 동일한 이유로 페라이트 코어를 사용하였으며, 입출력 게인을 고려하여 1:1.7의 변압기 턴비로 설계하였다.
- 다양한 공진형 컨버터 중 본 논문에서는 배터리 충전 프로파일을 고려하여 ZVS 확보 및 제어가 용이하고 최소의 부품으로 구성이 가능한 부하직렬공진형 dc-dc 컨버터를 선택하였다. 그림 2는 개발된 탑재형 충전기의 전체 시스템 구성도를 나타낸다.
- 배터리 상태감시 시스템 (Battery Management System, BMS)으로부터 획득한 배터리 충전상태 (State of Charge, SOC)가 낮을 경우, 전압 제어기 출력은 리미터에 의해 포화되어 충전전류 지령이 정전류가 되도록 리미터 레벨을 설정하고, 일정 SOC 이상이 되면 정전압 모드로 전환되도록 설계하였다. 또한 충전전류 및 전압은 스위칭 주파수가 지령치를 추종하도록 가변주파수 제어 기법을 적용하였고, 이의 구현은 DSP의 Period 레지스터를 변수로 설정한 후 전압제어기 또는 전류제어기의 지령치를 추종하도록 레지스터 값을 증가 또는 감소시키도록 프로그래밍하였다. 이렇게 하면 식 (1)에서 알 수 있듯이, 충전상태에 따라 배터리의 등가임피던스 (부하저항)의 변화가 발생하더라도 스위칭 주파수의 가변을 통해 원하는 충전 전압 및 전류를 획득할 수 있다.
- 외부루프의 전압제어기에 의하여 전류 지령이 생성되고, 내부 전류제어기가 충전전류를 제어한다. 배터리 상태감시 시스템 (Battery Management System, BMS)으로부터 획득한 배터리 충전상태 (State of Charge, SOC)가 낮을 경우, 전압 제어기 출력은 리미터에 의해 포화되어 충전전류 지령이 정전류가 되도록 리미터 레벨을 설정하고, 일정 SOC 이상이 되면 정전압 모드로 전환되도록 설계하였다. 또한 충전전류 및 전압은 스위칭 주파수가 지령치를 추종하도록 가변주파수 제어 기법을 적용하였고, 이의 구현은 DSP의 Period 레지스터를 변수로 설정한 후 전압제어기 또는 전류제어기의 지령치를 추종하도록 레지스터 값을 증가 또는 감소시키도록 프로그래밍하였다.
- 본 논문에서는, 6.9 kWh급 Li-Ion 배터리 충전을 위한 3.3 kW급 차량 탑재형 충전기를 실차 적용이 가능하도록 부스트 컨버터를 이용한 연속전류모드 제어기법의 PFC 및 ZVS 스위칭이 가능한 부하직렬공진형 dc-dc 컨버터로 구현하였고, CC-CV 듀얼모드 충전 제어를 위해 80-130 kHz의 가변 주파수 제어기법을 구현하였다. 이를 통해 최고 92.
- 4분 동안 CC 제어를 모의한 최대 3 kW 전력을 출력하도록 출력 전류를 정전류로 제어하였고, 3분 동안 CV 제어를 모의하여 3 kW에서 0 W로 출력이 가변되도록 출력전압을 제어하였다. 본 실험을 통해 개발된 탑재형 배터리 충전기의 CC-CV 제어 알고리즘을 검증하였다.
- 본 탑재형 충전기 개발에서는 다양한 역률보상회로 (Power Factor Correction, PFC) 방식 중 입력 EMI 필터의 최소 설계가 가능하고, 상대적으로 낮은 rms 전류를 가지며, 최소의 부품으로 구현 가능한 전류연속모드 (Continuous Current Mode, CCM)의 단일 부스트 컨버터를 적용하였다.
- 3 kW급 차량 탑재형 충전기를 실차 적용이 가능하도록 부스트 컨버터를 이용한 연속전류모드 제어기법의 PFC 및 ZVS 스위칭이 가능한 부하직렬공진형 dc-dc 컨버터로 구현하였고, CC-CV 듀얼모드 충전 제어를 위해 80-130 kHz의 가변 주파수 제어기법을 구현하였다. 이를 통해 최고 92.5%의 고효율, 0.995의 역률, 5.84 L의 저부피 및 5.8 kg의 경량을 획득하였으며, 이에 대한 설계 및 구현내용을 기술하였다.
- 정확한 하드웨어 설계를 위하여 3D 기구설계가 수행되었다. 경량·저부피 달성 및 우수한 방열 특성을 위하여 케이스와 방열판을 일체형으로 설계하였다.
- Dc-dc 컨버터의 공진 인덕터용 코어는 우수한 주파수 특성, 높은 포화자속밀도, 일정한 dc 바이어스 특성, 그리고 높은 투자율을 가지는 페라이트 코어를 사용하였다. 페라이트 코어의 경우 상대적으로 큐리 온도가 낮기 때문에 열관리에 유의하여야 하고, 최고 효 율을 획득할 수 있는 코어의 온도조건에서 운전되도록 하기 위해 코어손 및 동손의 최적 손실 분담설계를 수행하였다. 고주파 변압기 역시 동일한 이유로 페라이트 코어를 사용하였으며, 입출력 게인을 고려하여 1:1.
대상 데이터
- 이에 따른 공진이득곡선을 주파수 스윕을 통해 그림 4에 나타내었다. Li-Ion 배터리 100셀을 기준으로 약 250-410 V의 출력전압 가변제어 범위를 설정하였고, 이를 만족시키기 위하여 공진특성을 기반으로 스위칭 주파수는 80-130 kHz로 선정하였다. 상세한 시스템 사양은 표 1에 나타내었다.
- 실제의 경우 입출력 사양, 동작온도 조건, 특히 방열시스템의 조건에 따라 선택 가능한 전류용량이 크게 달라진다. PFC와 dc-dc MOSFET의 최종 전류용량 설계는 방열시스템과의 트레이드 오프 관계에 있으며 반도체 스위치의 접합부 온도가 어떠한 조건에서도 최고 125도를 초과하지 않도록 (실리콘 계 반도체의 경우) 각각 90 A 및 50 A급으로 선정하였다. 다양한 제조사 제품 중 스위칭 손실 저감을 위하여 Eon, Eoff가 낮고, 도통 손실 저감을 위하여 Rds(on) 낮으며, 출력 등가 커패시턴스에 의한 손실 저감을 위하여 Coss가 낮은 제품을 선정하였다.
- PFC용 코일은 온도특성이 우수한 High Flux 코어를 사용하였다. 사용된 코어의 단면적은 0.
- 개발된 배터리 충전기의 성능을 3.6 kW급 전자부하를 대상으로 검증하였다. 입력전원으로 NF사의 6 kW급 교류전원 공급장치를 사용하였고, 효율, 역률, 입출력 전압 및 전류 측정은 YOKOGAWA사의 전력분석기 WT3000을 사용하였다.
- PFC와 dc-dc MOSFET의 최종 전류용량 설계는 방열시스템과의 트레이드 오프 관계에 있으며 반도체 스위치의 접합부 온도가 어떠한 조건에서도 최고 125도를 초과하지 않도록 (실리콘 계 반도체의 경우) 각각 90 A 및 50 A급으로 선정하였다. 다양한 제조사 제품 중 스위칭 손실 저감을 위하여 Eon, Eoff가 낮고, 도통 손실 저감을 위하여 Rds(on) 낮으며, 출력 등가 커패시턴스에 의한 손실 저감을 위하여 Coss가 낮은 제품을 선정하였다.
- 또한 PCB 패턴, 부스바, 전선 등의 부유 인더턴스에 의해 식 (2)와 같이 RBSOA의 디레이팅이 존재하므로 이를 고려하여 600 V 급의 반도체 소자를 선정하였다.
- 시스템 설계의 첫 번째 단계는 dc-dc 컨버터의 공진 주파수를 선정하는 것으로, 수동소자의 크기 및 스위칭 손실의 트레이드 오프를 고려하여 fsw=71.6 kHz로 선정하였다. 공진주파수 선정으로 인해 공진 네트웍의 인덕턴스와 커패시턴스가 고정된 상수이므로, 공진이득은 부하저항 (RL) 및 스위칭 주파수에 따라 변화된다.
- 6 kW급 전자부하를 대상으로 검증하였다. 입력전원으로 NF사의 6 kW급 교류전원 공급장치를 사용하였고, 효율, 역률, 입출력 전압 및 전류 측정은 YOKOGAWA사의 전력분석기 WT3000을 사용하였다.
- 전자부하를 대상으로 그림 10과 같이 충전 프로파일을 모의한 실험을 수행하였다. 4분 동안 CC 제어를 모의한 최대 3 kW 전력을 출력하도록 출력 전류를 정전류로 제어하였고, 3분 동안 CV 제어를 모의하여 3 kW에서 0 W로 출력이 가변되도록 출력전압을 제어하였다.
성능/효과
- 이를 통해 92.5%의 고효율을 획득하였고, 수동소자 및 방렬시스템의 최적 설계를 통해 5.8 kg, 5.84 L의 경량·저부피를 실현하였다.
- 전 부하영역에서의 효율과 역률을 그림 11에 나타내었다. 최저효율은 300 W에서 84%로 나타났고, 최고효율은 2.7 kW에서 92.5%를 기록하였다. 입력전류의 역률은 약 1 kW 이상부터 0.
후속연구
- 84 L의 경량·저부피를 실현하였다. 개발된 충전기는 EV 및 PHEV 실차 적용이 가능 할 것으로 판단되며, 향후 EV용 Li-Ion 배터리를 대상으로 충전알고리즘에 대한 비교분석을 수행할 예정이다.
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