[논문]전기자동차용 충전기의 가변출력 및 병렬운전 제어

이상혁; 강성구; 아와스티 프라카시; 황정구; 이승열; 위한별; 박성준

doi:10.6113/tkpe.2013.18.2.153

전기자동차용 충전기의 가변출력 및 병렬운전 제어
Variable Output and Parallel Operation Control of EV Charger 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.18 no.2, 2013년, pp.153 - 160

이상혁 (Dept. of Electrical Engineering, Chonnam Nat'l Univ.) , 강성구 (ESS Development, Samsung SDI) , 아와스티 프라카시 (Dept. of Electrical Engineering, Chonnam Nat'l Univ.) , 황정구 (Dept. of Electrical Engineering, Chonnam Nat'l Univ.) , 이승열 (Dept. of Electrical Engineering, Chonnam Nat'l Univ.) , 위한별 (Dept. of Electrical Engineering, Chonnam Nat'l Univ.) , 박성준 (Dept. of Electrical Engineering, Chonnam Nat'l Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

This research paper describes the development of battery charger with a variable output voltage capacity for charging the batteries used in electrical vehicles. The voltage and current accordingly is control via the buck converter that receives three phase current at primary side and fed to bridge rectifier which is comprised of full bridge converter and HFTR(High Frequency Transformer) for isolation and a square wave AC output. The transformer primary side is in series to divide certain charging current and the secondary side is comprised of six fix transformers so that they can generate certain amount of power and various output voltage through relay connection using 6 DC outputs. Moreover, all parallel connected full bridge serial resonant converter communicate together with upper(main) controller. The constructed structure is verified by conducting the test on PSIM as well as experimentally.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 제조사 별로 다양한 용량과 전압 사양을 갖는 배터리가 출시됨에 따라 기존의 배터리 충전기들이 가지는 배터리 전압이 상이한 시스템에서 우수한 기능을 발휘 하지 못하는 단점이 있다^[5][6]. 이는 배터리의 완전 충전 전압에서 최대 전류를 형성 할 수 있게 설계함으로써 생기는 문제점으로 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 다양한 배터리 전압 시스템에서 고성능 충전기능을 갖도록 충전기 전압에 대한 전력을 기준으로 하여 충전 시스템을 설계할 수 있는 새로운 토폴로지를 제안하였다. 제안된 시스템은 릴레이를 이용함으로써 확장성이 용이하며 구성과 동작이 간단하고 직렬 공진형 컨버터를 이용함으로서 최대 전력전달을 이뤄 고효율화를 실현하였고, 1차측과 2차측의 절연을 통해 안전성을 확보하였다.
즉, 종류가 다른 다수의 배터리를 충전하기 위해서는 다수의 충전기가 필요하게 되며 이러한 문제점을 해결하고자 본 논문에서는 변압기 2차측 출력을 6개로 나누어 출력하고, 릴레이의 직/병렬 연결에 의해 다양한 전압·전류 출력이 가능한 시스템을 제안하였다.

제안 방법

각 충전 시스템은 정해진 전류 지령값에 따라 벅 컨버터 출력단의 전류를 피드백 받아 비례-적분 제어를 수행한다. 시뮬레이션 결과 파형과 같이 각각의 충전 시스템은 전류제어기에 의한 정전류가 출력되고, 최종 출력단의 전류는 출력하고자 하는 전류값에 수렴하는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서 제안된 시스템은 변압기 2차측에서 6개의 DC 출력이 생성되며 릴레이를 통해 출력 전압이 가변된다. 즉, 6개의 전압원과 5개의 릴레이가 조합 가능한 경우는 식 (4)와 같다.
본 논문에서는 충전 시스템의 최종단에 릴레이 추가함으로서 구성과 동작이 간단하고 확장성이 용이하며 직렬 공진형 컨버터를 이용하여 고효율화를 실현하였다. 제안된 시스템은 기존 충전 시스템과 달리 일정 전력 영역의 다양한 전압 영역에서 높은 효율을 얻을 수 있으며 상위 제어기와 충전 시스템 5대를 제작하여 병렬 운전을 구현하였다.
정전압 모드는 그림 9과 같이 상위 제어기가 출력할 전압에 따라 해당 전압을 피드백 받아 비례-적분 제어기를 통해 전류 지령값을 계산하고 각 충전기에게 전류 지령값을 전송한다. 이때, 상위제어기의 비례-적분 제어기에 의한 전류 지령값은 각 충전기에게 전송되며 빠른 속응성을 위해 DSP에서 작동에 필요한 부분을 제외한 남은 자원을 CAN 통신을 이용한 전류지령값 전송에 모두 활용하였다.
하지만 입출력 전압 사양에 따른 승 · 강압비의 선택폭이 넓고 고승압비의 만족을 위해서는 HFTR를 통한 입출력 이득 조정과 변압비를 통한 승압이 용이한 구조를 생각 할 수 있다. 이러한 접근을 바탕으로 본 논문에서 제안하는 시스템은 그림 1과 같이 정전압, 정전류 제어를 위한 Buck Converter, 절연 및 고주파 전압을 발생하기 위한 Full-Bridge, 공진 및 일정 전류 부하분담을 위한 절연형 변압기, 다수의 전압을 형성하기 위한 정류기, 일정 출력을 갖으며 다양한 전압 레벨을 형성하기 위한 릴레이부로 구성하였다. 제안된 시스템은 2단 구성으로 1단 구성에 비해 부품수가 많지만 충전조건과 관계없이 안정적인 PFC(Power Factor Correction) 제어가 가능하며 풀-브릿지 구조의 DC/DC 컨버터를 적용하여 다양한 소프트 스위칭이 가능하다.
이와 같이 릴레이의 조합을 통해서 일정 파워를 내면서 다양한 전압을 갖는 특성은 기존의 충전기가 전압에 대한 전류를 기준으로 충전하는 설계방식과 달리 충전기 전압에 대한 일정 전력을 기준으로 하여 충전 시스템을 설계 할 수 있는 새로운 충전 토폴로지를 구현하였다.
본 논문에서는 충전 시스템의 최종단에 릴레이 추가함으로서 구성과 동작이 간단하고 확장성이 용이하며 직렬 공진형 컨버터를 이용하여 고효율화를 실현하였다. 제안된 시스템은 기존 충전 시스템과 달리 일정 전력 영역의 다양한 전압 영역에서 높은 효율을 얻을 수 있으며 상위 제어기와 충전 시스템 5대를 제작하여 병렬 운전을 구현하였다. 본 논문에서 제안된 토폴로지와 시스템 구조는 시뮬레이션과 실험을 통해 타당성을 검증하였다.
제안된 시스템은 시뮬레이션 PSIM을 이용하여 구현하였으며, Buck converter, Full-bridge inverter, Rectifier, Relay로 구분하여 시뮬레이션을 구성하였다.
제안된 충전 시스템의 병렬운전을 실험하기 위해 그림 14과 같이 10[kW] 충전 시스템 5대와 50[kW] 상위 제어기 1대를 제작하여 병렬운전을 구현하였다.

성능/효과

4) 선정된 모든 충전기의 출력 전압이 배터리의 전압과 일치하면 충전기 출력-상위 제어기-배터리를 통한 모든 릴레이를 제어하여 연결.
제안된 시스템은 기존 충전 시스템과 달리 일정 전력 영역의 다양한 전압 영역에서 높은 효율을 얻을 수 있으며 상위 제어기와 충전 시스템 5대를 제작하여 병렬 운전을 구현하였다. 본 논문에서 제안된 토폴로지와 시스템 구조는 시뮬레이션과 실험을 통해 타당성을 검증하였다.
각 충전 시스템은 정해진 전류 지령값에 따라 벅 컨버터 출력단의 전류를 피드백 받아 비례-적분 제어를 수행한다. 시뮬레이션 결과 파형과 같이 각각의 충전 시스템은 전류제어기에 의한 정전류가 출력되고, 최종 출력단의 전류는 출력하고자 하는 전류값에 수렴하는 것을 확인할 수 있다.
시작품으로 제작된 3k[W] 충전 시스템의 효율은 그림 13과 같이 전체 전압영역에서 92[%]의 일정 효율을 확인하였다.
이 전압들은 릴레이 조합에 의해 일정 파워에서 다양한 전압·전류 값을 출력할 수 있으며 언제나 풀-브릿지 컨버터는 소프트 스위칭(soft switching)하는 것을 확인할 수 있다.
이러한 접근을 바탕으로 본 논문에서 제안하는 시스템은 그림 1과 같이 정전압, 정전류 제어를 위한 Buck Converter, 절연 및 고주파 전압을 발생하기 위한 Full-Bridge, 공진 및 일정 전류 부하분담을 위한 절연형 변압기, 다수의 전압을 형성하기 위한 정류기, 일정 출력을 갖으며 다양한 전압 레벨을 형성하기 위한 릴레이부로 구성하였다. 제안된 시스템은 2단 구성으로 1단 구성에 비해 부품수가 많지만 충전조건과 관계없이 안정적인 PFC(Power Factor Correction) 제어가 가능하며 풀-브릿지 구조의 DC/DC 컨버터를 적용하여 다양한 소프트 스위칭이 가능하다. 즉, 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있고 이에 따라 고전력밀도 구현이 가능하다.
이는 배터리의 완전 충전 전압에서 최대 전류를 형성 할 수 있게 설계함으로써 생기는 문제점으로 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 다양한 배터리 전압 시스템에서 고성능 충전기능을 갖도록 충전기 전압에 대한 전력을 기준으로 하여 충전 시스템을 설계할 수 있는 새로운 토폴로지를 제안하였다. 제안된 시스템은 릴레이를 이용함으로써 확장성이 용이하며 구성과 동작이 간단하고 직렬 공진형 컨버터를 이용함으로서 최대 전력전달을 이뤄 고효율화를 실현하였고, 1차측과 2차측의 절연을 통해 안전성을 확보하였다. 그리고 기존 충전기들과 달리 일정 전력의 전체 출력 전압 영역에서 일정한 효율을 확보할 수 있다.
그리고 기존 충전기들과 달리 일정 전력의 전체 출력 전압 영역에서 일정한 효율을 확보할 수 있다. 제안된 시스템은 시뮬레이션과 실험을 통해 타당성을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	충전설비는 충전 속도에 따라 급속 충전과 완속 충전으로 구분할 수 있는데, 급속 충전과 완속 충전은 무엇인가?	이러한 충전 방식에 따라 충전설비는 충전 속도에 따라 급속 충전과 완속 충전으로 구분할 수 있다. 급속 충전은 10∼20분으로 비교적 짧은 시간 내 충전 가능한 방식으로, 주행 중 손쉽게 충전할 수 있도록 주유소 등에 설치되며, 충전기에 부착된 고압용 충전 케이블을 자동차에 연결하여 충전하게 된다. 반면 완속 충전은 4∼5시간 이상으로 긴 시간이 소요되며, 쇼핑센터나 아파트 또는 사무실의 주차장, 일반 가정 등 장시간 주차가 가능한 공간에 주로 설치되고, 차량에 부착된 케이블을 이용하여 충전하게 된다. 일반적으로 EV 충전 시스템은 고효율, 소형화, 경량화를 만족하기 위해 고주파 스위칭 방식을 사용하며 입력 전원과 출력 전원(배터리 전압)이 전기적으로 절연되어 시스템의 안정성을 확보하여야 한다.
	배터리 충전 방법으로는 무엇이 있는가?	현재 EV의 상용화에 문제가 되는 비싼 가격, 짧은 주행 거리, 낮은 출력을 해결하기 위해 소형이면서 고효율의 배터리와 고속의 충전 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[1]-[3]. 배터리의 경우 EV 외에도 다양한 분야에서 사용됨으로서 니켈카드뮴 전지(Ni-cd), 니켈수소 전지(Ni-MH), 리튬이온 전지(Li-Ion)를 이용한 대용량 배터리 연구가 예전부터 진행되어 왔으며 배터리 충전 방법으로는 정전류 (CC:Constant Current), 정전압(CV:Constant Voltage), 정전류-정전압(CC-CV), 펄스(Pulse) 방식으로 구분할 수 있다[4].
	현재 EV의 상용화에 문제점은 무엇인가?	전 세계적으로 화석 에너지의 고갈과 환경문제를 극복하기 위해 신재생 에너지와 더불어 전기 자동차(EV:Electric Vehicle)에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 EV의 상용화에 문제가 되는 비싼 가격, 짧은 주행 거리, 낮은 출력을 해결하기 위해 소형이면서 고효율의 배터리와 고속의 충전 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[1]-[3]. 배터리의 경우 EV 외에도 다양한 분야에서 사용됨으로서 니켈카드뮴 전지(Ni-cd), 니켈수소 전지(Ni-MH), 리튬이온 전지(Li-Ion)를 이용한 대용량 배터리 연구가 예전부터 진행되어 왔으며 배터리 충전 방법으로는 정전류 (CC:Constant Current), 정전압(CV:Constant Voltage), 정전류-정전압(CC-CV), 펄스(Pulse) 방식으로 구분할 수 있다[4].

참고문헌 (8)

J. S. Kim, G. Y. Choe, H. M. Jung, B. K. Lee and Y. J. Cho, "Design and Implementation of 3.3 kW On-Board Battery Charger for Electric Vehicles," Journal of Power Electronics, Vol. 15, No. 5, pp. 369-375, Oct. 2010.

원문보기 상세보기
S. Y. Yun, H. J. Chae, W. Y. Kim, H. T. Moon, Y. S. Jeong and J. Y. Lee, "Battery Charger for EV," Journal of Power Electronics, Vol. 15, No. 6, pp. 460-465, Dec. 2010.

원문보기 상세보기
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상세보기
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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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