[논문]V2G-V2H 기능을 갖는 3.3kW급 전기자동차용 양방향 충전기

정세형; 홍석용; 박준성; 최세완

doi:10.6113/tkpe.2015.20.1.31

V2G-V2H 기능을 갖는 3.3kW급 전기자동차용 양방향 충전기
A 3.3kW Bi-directional EV Charger with V2G and V2H function 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.20 no.1, 2015년, pp.31 - 37

정세형 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 홍석용 (SIGNETSYSTEMS INC.) , 박준성 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 최세완 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a 3.3-kW bi-directional EV charger with V2G and V2H functions. The bi-directional EV charger consists of a DC-DC converter and a DC-AC inverter. The proposed EV charger is suitable for wide battery voltage control due to the two-stage configuration of the DC-DC converter. By employing a fixed-frequency series loaded resonant converter as the isolated DC-DC converter, zero-current-switching can be achieved regardless of battery voltage variation, load variation, and power flow. A 3.3-kW prototype of the proposed EV charger has been built and verified with experiments, and indicates a maximum efficiency of 94.39% and rated efficiency of 94.23%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 배터리 충전 뿐 아니라 V2G, V2H 모드로 동작이 가능한 전기자동차용 양방향 배터리 충전기를 제안한다. 제안하는 배터리 충전기는 양방향 DC-AC 인버터와 2단 방식의 양방향 DC-DC 컨버터^[13]를 사용하여 넓은 배터리 전압 제어 범위를 갖는다.
본 논문에서는 배터리 충전뿐만 아니라 V2G, V2H 모드로 동작이 가능한 전기자동차용 양방향 충전기를 제안했다. DC-DC 컨버터를 2단 방식으로 사용하여 배터리 전압의 제어 범위를 넓혔으며 절연형 SRC를 고정주파수로 동작시켜 절연부 최적설계가 가능하고 전력의 방향과 배터리 전압 및 부하에 상관없이 스위치는 항시 ZCS 턴온/턴오프를 성취한다.

가설 설정

그림 10은 계통과 연계하여 배터리를 방전하는 V2G 모드이고, 충전 모드와 비교하였을 때 전류의 방향이 반대인 것을 확인 할 수 있다. 그림 11과 12는 정전 시 배터리 측에서 가정용 부하에 전력을 공급하는 V2H 모드이며, 각각 R 부하와 RC 부하를 가정하였다.

제안 방법

표 1에서 볼 수 있듯이 SRC-Buck 타입은 양방향 하프-브릿지 컨버터의 스위치와 SRC High Side 스위치의 전압 정격이 높고, Buck-SRC와 SRC-Boost 타입은 배터리 전류 리플을 줄이기 위한 추가 필터 인덕터가 필요한 단점이 있다. Boost-SRC 타입은 배터리 리플을 줄이기 위한 추가적인 인덕터가 필요 없고 모든 스위치의 전압 정격이 낮은 장점이 있어서 2단 방식의 컨버터로 선정하였다.
본 논문에서는 배터리 충전뿐만 아니라 V2G, V2H 모드로 동작이 가능한 전기자동차용 양방향 충전기를 제안했다. DC-DC 컨버터를 2단 방식으로 사용하여 배터리 전압의 제어 범위를 넓혔으며 절연형 SRC를 고정주파수로 동작시켜 절연부 최적설계가 가능하고 전력의 방향과 배터리 전압 및 부하에 상관없이 스위치는 항시 ZCS 턴온/턴오프를 성취한다. 또한 CV충전 모드에서 양방향 하프-브릿지 컨버터의 메인 스위치를 바이패스 모드로 동작시켜 스위칭 손실을 줄였다.
제안하는 양방향 충전기는 충전 모드뿐만 아니라 V2G, V2H모드가 모두 가능하며 250V ~ 410V의 넓은 배터리 전압 범위를 갖는다. 계통 전압 또한 110V와 220V 모두 가능하도록 설계하였다.
DC-DC 컨버터를 2단 방식으로 사용하여 배터리 전압의 제어 범위를 넓혔으며 절연형 SRC를 고정주파수로 동작시켜 절연부 최적설계가 가능하고 전력의 방향과 배터리 전압 및 부하에 상관없이 스위치는 항시 ZCS 턴온/턴오프를 성취한다. 또한 CV충전 모드에서 양방향 하프-브릿지 컨버터의 메인 스위치를 바이패스 모드로 동작시켜 스위칭 손실을 줄였다.
양방향 대칭의 특성을 갖는 절연형 SRC를 고정 주파수로 동작시킴으로서 최적 설계가 가능할 뿐만 아니라 전력의 방향과 부하 및 전압변동에 상관없이 항시 ZCS 턴온/턴오프를 성취하게 하였다. 또한 본 논문에서 제안한 제어방식은 DC-AC 인버터가 충전 또는 V2G 동작 시 배터리 CC-CV를 제어하고 V2H 동작 시 AC측 전압을 제어하며, DC-DC 컨버터는 모드와 상관없이 항상 DC링크 커패시터 전압을 제어한다. 따라서 모드 전환 시 DC-DC 컨버터는 모드를 전환하지 않고, DC-AC 인버터만 모드를 전환하기 때문에 과도상태를 줄일 수 있다.
양방향 DC-DC 컨버터의 비절연부는 양방향 하프-브릿지 컨버터를 사용하였고, 절연부는 고정주파수 동작의 SRC를 사용하였다. 양방향 대칭의 특성을 갖는 절연형 SRC를 고정 주파수로 동작시킴으로서 최적 설계가 가능할 뿐만 아니라 전력의 방향과 부하 및 전압변동에 상관없이 항시 ZCS 턴온/턴오프를 성취하게 하였다. 또한 본 논문에서 제안한 제어방식은 DC-AC 인버터가 충전 또는 V2G 동작 시 배터리 CC-CV를 제어하고 V2H 동작 시 AC측 전압을 제어하며, DC-DC 컨버터는 모드와 상관없이 항상 DC링크 커패시터 전압을 제어한다.
시제품은 2층 구조로 설계하였으며 1층에는 컨버터·인버터 통합 파워스택, 2층에는 통합 제어보드와 게이트 드라이버로 구성되어 있다. 외장형 충전기에 배터리가 연결되면 SMPS를 통해 배터리 측에서 제어보드로 전원을 공급하여 정전 시에도 충전기가 동작되도록 하였다.
본 논문에서는 배터리 충전 뿐 아니라 V2G, V2H 모드로 동작이 가능한 전기자동차용 양방향 배터리 충전기를 제안한다. 제안하는 배터리 충전기는 양방향 DC-AC 인버터와 2단 방식의 양방향 DC-DC 컨버터^[13]를 사용하여 넓은 배터리 전압 제어 범위를 갖는다. 양방향 DC-DC 컨버터의 비절연부는 양방향 하프-브릿지 컨버터를 사용하였고, 절연부는 고정주파수 동작의 SRC를 사용하였다.
표 2는 제안하는 양방향 충전기의 설계사양이다. 제안하는 양방향 충전기는 충전 모드뿐만 아니라 V2G, V2H모드가 모두 가능하며 250V ~ 410V의 넓은 배터리 전압 범위를 갖는다. 계통 전압 또한 110V와 220V 모두 가능하도록 설계하였다.
제안하는 전기자동차용 양방향 충전기는 그림 1과 같이 배터리 측의 DC-DC 컨버터와 계통 측의 인버터로 구성되어 있다. 그림 1(a)와 같이 충전 모드 시에는 계통에서 가정용 부하에 전력을 공급하고, 배터리를 충전한다.
DC-DC 컨버터는 비절연형 양방향 하프-브릿지 컨버터와 절연형 SRC로 구성하였다. 제안하는 충전기는 2단 방식의 컨버터를 사용하여 배터리 전압의 제어 범위를 넓혔으며, 절연형 SRC의 경우 그림 3과 같이 부하변동에도 Gain이 변하지 않는 최적 주파수 지점에서 동작시키므로 그림 4와 같이 전 부하 영역에서 항시 ZCS 턴온/턴오프가 성취된다. 또한 1차 측을 하프-브릿지, 2차 측을 더블러 형태로 구성하여 변압기 자화 인덕턴스의 직류 오프셋이 발생하지 않게 하였다.

대상 데이터

양방향 인버터는 풀-브릿지 구조를 사용하였으며 LCL 필터를 통해 계통과 연계된다. DC-DC 컨버터는 비절연형 양방향 하프-브릿지 컨버터와 절연형 SRC로 구성하였다. 제안하는 충전기는 2단 방식의 컨버터를 사용하여 배터리 전압의 제어 범위를 넓혔으며, 절연형 SRC의 경우 그림 3과 같이 부하변동에도 Gain이 변하지 않는 최적 주파수 지점에서 동작시키므로 그림 4와 같이 전 부하 영역에서 항시 ZCS 턴온/턴오프가 성취된다.
시제품은 2층 구조로 설계하였으며 1층에는 컨버터·인버터 통합 파워스택, 2층에는 통합 제어보드와 게이트 드라이버로 구성되어 있다.

성능/효과

그림 13은 제안하는 충전기의 효율 그래프이며 배터리 전압이 410V일 때 양방향 하프-브릿지 컨버터의 메인 스위치가 바이패스 모드로 동작하기 때문에 가장 높은 효율을 보였다. 그림 10(a)에서 볼 수 있듯이 충전 모드에서는 2.5kW에서 94.39%의 최대효율, 94.39%의 최대효율, 94.23%의 정격 최대효율을 달성하였다. 그림 10(b)는 방전(V2G, V2H) 모드에서의 효율 그래프로 2.
3.3kW 시제품 실험을 통해 배터리 충전 및 V2G, V2H 모드에 대한 동작을 검증하였고 94.39%의 최대효율 및 94.23%의 정격 효율을 달성하였다.
CC충전 모드로 배터리를 충전하면 V_Batt이 증가하고, V_Batt이 CV까지 도달하게 되면 CV충전 모드로 전환된다. 제안하는 충전기는 CV충전 모드에서 V_Batt이 V_link와 같으며, 양방향 하프-브릿지 컨버터의 메인 스위치가 턴 온 상태로 유지되는 바이패스 모드로 동작하여 스위칭 손실이 발생하지 않기 때문에 효율을 높일 수 있다.

후속연구

정전 시에는 V2H 모드로 전환하여 인버터 출력 커패시터의 전압을 제어한다. 비선형 부하를 고려할 경우 전압제어 루프의 대역폭을 넓히기 위해 내부 루프로 i_Li나 i_Cf를 제어하는 기법들이 연구되어있으며,^[14][15] 필요시 본 논문에도 적용이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	V2G란?	[3][4] 최근 전기자동차를 스마트그리드 영역에서 활용하려는 시도가 다양하게 이뤄지고 있다.[5] 특히 충전기를 양방향으로 사용하여 전기자동차 배터리에 저장된 전기에너지를 전력망으로 재송전함으로써 운전자가 전기 요금이 저렴한 야간 시간에 전력을 저장한 뒤 요금이 비싼 주간 시간에 되팔 수 있게 하는 V2G(Vehicle to Grid)에 대한 개발 및 실증이 활발히 진행되고 있다.[6][7] 더불어 정전 시 배터리에 축적된 전기에너지를 가정에 공급하는 V2H(Vehicle to Home) 모드 또한 스마트그리드의 핵심 솔루션으로 부상하고 있다.
	전기자동차를 동작시키기 위해 어떤 과정을 거치는가?	일반적으로 전기자동차는 단방향 충전기를 사용하여 계통으로부터 전기에너지를 공급받아 배터리를 충전하고, 배터리에 저장된 전기에너지를 사용하여 차량을 동작시킨다.[3][4] 최근 전기자동차를 스마트그리드 영역에서 활용하려는 시도가 다양하게 이뤄지고 있다.
	양방향 DC-DC 컨버터로서 DAB의 문제점은?	양방향 DC-DC 컨버터로서 Dual Active Bridge(DAB)는 회로가 간단하며 위상차를 이용하여 전력흐름을 제어하는 방식으로 추가 회로 없이 모든 스위치가 ZVS 턴온이 가능하다.[11] 하지만 전압이나 전력의 변동으로 위상이 증가하게 되면 무효전력과 소자들의 전류 정격이 증가한다. 또한 입력과 출력의 전압비가 다르게 되면 경 부하에서 소프트 스위칭을 실패하는 문제가 있다. 양방향 CLLC 공진형 컨버터는 넓은 배터리 전압 제어범위를 갖고, 전 부하에서 모든 스위치가 소프트 스위칭을 하는 장점이 있다.

참고문헌 (15)

B. Kramer, S. Chakraborty, and B. Kroposki, "A review of plug-in vehicles and vehicle-to-grid capability," in Proc. IECON, pp. 2278-2283, 2008.
D. S. Gautam, F. Musavi, M. Edington, W. Eberle, and W. G. Dunford, "An automotive onboard 3.3-kW battery charger for PHEV application," IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 61, No. 8, pp. 3466-3474, Oct. 2012.

상세보기
J. Y. Lee and H. J. Chae, "6.6-kW onboard charger design using DCM PFC converter with harmonic modulation technique and two-stage DC/DC converter," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 61, No. 3, pp. 1243-1252, Mar. 2014.

상세보기
S. Li, J. Deng, and C. C. Mi, "Single-stage resonant battery charger with inherent power factor correction for electric vehicles," IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 62, No. 9, pp. 4336-4344, Nov. 2013.

상세보기
H. Wang, S. Dusmez, and A. Khaligh, "Design and analysis of a full-bridge LLC-based PEV charger optimized for wide battery voltage range," IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 63, No. 4, pp. 1603-1613, May 2014.

상세보기
A. K. Verma, B. Singh, and D. T. Shahani, "Grid to vehicle and vehicle to grid energy transfer using single-phase bidirectional AC-DC converter and bidirectional DC-DC converter," in Proc. ICEAS, pp. 1-5, 2011.
Y. Fan, Z. Xue, and X. Han, "Bi-directional converting technique for vehicle to grid," in Proc. ICEMS, pp. 1-5, 2011.
X. Zhou, S. Lukic, S. Bhattacharya, and A. Huang, "Design and control of grid-connected converter in bi-directional battery charger for plug-in hybrid electric vehicle application," in Proc. VPPC, pp. 1716-1721, 2009.
X. Zhou, S. Lukic, and A. Huang, "A comparison of converter topologies for vehicle-to-grid applications: three-leg converter versus H-bridge converter," in Proc. IECON, pp. 3711-3716, 2009.
J. G. Pinto, V. Monteiro, H. Goncalves, B. Exposto, D. Pedrosa, C. Couto, and J. L. Afonso, "Bidirectional battery charger with grid-to-vehicle, vehicle-to-grid and vehicle-to-home technologies," in Proc. IECON, pp. 5934-5939, 2013.
T. Ngo, K. H. Lee, J. H. Won, and K. H. Nam, "Study of single-phase bidirectional battery charger for high power application," in Proc. IPEMC, pp. 958-962, 2012.
H. S. Kim, M. H. Ryu, J. W. Baek, and J. H. Jung, "High-efficiency isolated bidirectional AC-DC converter for a DC distribution system," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 28, No. 4, pp. 1642-1654, Apr. 2013.

상세보기
J. S. Park and S. W. Choi, "Design and control of a bidirectional resonant DC-DC converter for automotive engine/battery hybrid power generators," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 29, No. 7, pp. 3748-3757, Jul. 2014.

상세보기
D. Dong, T. Thacker, R. Burgos, W. Fei, and D. Boroyevich, "On zero steady-state error voltage control of single-phase PWM inverters with different load types," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 26, No. 11, pp. 3285-3297, Nov. 2011.

상세보기
M. Monfared, S. Golestan, and J. M. Guerrero, "Analysis, design, and experimental verification of a synchronous reference frame voltage control for single-phase inverters," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 61, pp. 258-269, 2014.

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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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