[논문]EV와 NEV 겸용 50kW급 고효율 모듈형 급속충전기 개발

김민재; 김연우; 요스 프라보우; 최세완

doi:10.6113/tkpe.2016.21.5.373

EV와 NEV 겸용 50kW급 고효율 모듈형 급속충전기 개발
Development of 50kW High Efficiency Modular Fast Charger for Both EV and NEV 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.5, 2016년, pp.373 - 380

김민재 (Dept. Technology Research Institute New Power Plasma. co., Ltd.) , 김연우 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 요스 프라보우 (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

In this paper, a 50-kW high-efficiency modular fast charger for both electric vehicle (EV) and neighborhood electric vehicle (NEV) is proposed. The proposed fast charger consists of five 10-kW modules to achieve fault tolerance, ease of thermal management, and reduce component stress. Three-level topologies for both AC-DC and DC-DC converters are employed to use 600V MOSFET, resulting in ease of component selection and increase in switching frequency. The proposed three-level DC-DC converter with coupled inductor and its hybrid switching method can reduce the circulating current under wide output voltage range. A 50-kW prototype of the proposed fast charger was developed and tested to verify the validity of the proposed concept. Experimental results show that the proposed fast charger achieves a rated efficiency of 95.2% and a THD of less than 3%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 EV와 NEV 겸용 50kW급 고효율 모듈형 급속충전기를 개발하였다. AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터 모두 3레벨 토폴로지를 적용함으로써 스위치의 전압정격을 감소시키고 효율을 향상시켰다.
본 논문에서는 용량확장과 유지보수가 용이한 50kW급 고효율 모듈형 급속충전기를 제안한다. 제안하는 급속충전기는 스위치의 전압정격이 낮은 비엔나 정류기와 결합 인덕터를 이용한 3레벨 DC-DC 컨버터로 구성된다.

가설 설정

여기서 모든 고속다이오드는 SiC 다이오드로 고려하여 다이오드 역회복 손실은 없다고 가정하였다.

제안 방법

제안하는 모듈형 급속충전기는 히스테리시스 밴드를 적용하여 안정적인 병렬운전이 가능하며 부하에 따라 동작 모듈수를 제어하여 넓은 부하범위에서 높은 효율을 유지한다. 10kW급 모듈 5개를 이용하여 50kW급 급속충전기 시작품을 제작하였으며 실험을 통해 성능을 검증하였다.
제안하는 모듈형 급속충전기는 10kW급 모듈 5개를 병렬로 구성하였으며 10kW급 모듈 회로도는 그림 1과 같다. AC-DC 컨버터로 비엔나 정류기를 사용하였으며 절연형 DC-DC 컨버터로 결합 인덕터를 이용한 3레벨 DC-DC 컨버터를 사용하였다. AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터 모두 3레벨 구조로 스위치 전압정격이 낮으며 스위칭 손실이 적은 장점이 있다.
외부루프의 제어기로 직류링크 전압을 일정하게 제어하며 내부루프 제어기에서 입력역률을 제어한다. 또한 직류링크 커패시터의 전압 불균형을 제거하기 위해 중성점 전압제어기를 추가하였다. 그림 5는 비엔나정류기의 모듈레이션 방법이다.
하지만 배터리전류에 따라 운전 모듈 개수가 변경되므로 각 모듈이 턴온할 때와 턴오프할 때 노이즈나 에러 등으로 모듈의 턴온과 턴오프가 반복되는 채터링현상이 발생할 수 있다. 이러한 채터링현상을 예방하기 위해 제안하는 급속충전기는 그림 11과 같이 히스테리시스 밴드를 적용하였다.
본 논문에서는 용량확장과 유지보수가 용이한 50kW급 고효율 모듈형 급속충전기를 제안한다. 제안하는 급속충전기는 스위치의 전압정격이 낮은 비엔나 정류기와 결합 인덕터를 이용한 3레벨 DC-DC 컨버터로 구성된다. DC-DC 컨버터는 결합 인덕터로 인해 순환전류가 감소하여 도통손실이 작다.
제안하는 급속충전기의 DC-DC 컨버터로 그림 1과 같이 결합 인덕터를 이용한 3레벨 DC-DC 컨버터를 제안하였다. 제안하는 컨버터의 스위치 전압정격은 입력전압의 절반으로 600V MOSFET을 사용가능하여 고주파 스위칭을 통해 수동소자 부피를 줄일 수 있다.
그림 6은 제안하는 컨버터의 주요파형이다. 제안하는 컨버터는 결합 인덕터를 적용하여 넓은 전압범위에서 순환전류를 저감시켜 스위치의 도통손실이 감소하고 스위치와 다이오드의 소프트스위칭을 성취한다.
제안하는 컨버터는 넓은 출력전압에서 순환전류를 줄이기 위해 출력전압이 높을 때(250V∼500V)는 풀브리지로 동작을 하고, 출력전압이 낮을 때(50V∼250V)는 스위치 S5, S8을 항상 턴 오프하여 하프 브리지로 동작하는 하이브리드 스위칭 기법을 적용하였다.

대상 데이터

제안하는 모듈형 급속충전기의 타당성을 검증하기 위해 그림 12와 같이 10kW급 모듈 시작품 5대를 제작하여 50kW급 급속충전기를 구성하였다. 10kW급 모듈은 EMI필터, 서지보호기, 비엔나정류기, DC-DC 컨버터, 디지털제어기, 보조전원으로 구성되어있다. 디지털제어기는 TI사의 TMS320F28335를 사용하였다.
비교분석에 사용된 소자는 다음과 같다. MOSFET S_n은 IXFB110N60P3, 정류다이오드 D_n, D_m은 DSI45-08A, 고속다이오드 D_F는 전압정격에 따라 IDW40G65C5, IDW40G120C5를 사용하였다. 여기서 모든 고속다이오드는 SiC 다이오드로 고려하여 다이오드 역회복 손실은 없다고 가정하였다.
하지만 토폴로지 C의 D_F가 전압정격이 높기 때문에 가격이 비싸고 이에 비해 토폴로지 B는 다이오드 개수가 많지만 정류다이오드 가격은 상대적으로 저렴하며 스위치 개수가 적기 때문에 전체적인 가격이 가장 낮다. 급속충전기의 효율과 가격을 고려하여 본 논문에서는 토폴로지 A를 선정하였다. 그림 4는 비엔나정류기의 제어알고리즘이다.
10kW급 모듈은 EMI필터, 서지보호기, 비엔나정류기, DC-DC 컨버터, 디지털제어기, 보조전원으로 구성되어있다. 디지털제어기는 TI사의 TMS320F28335를 사용하였다. 제안하는 모듈형 급속충전기의 개발 사양은 표 1과 같다.
제안하는 모듈형 급속충전기의 타당성을 검증하기 위해 그림 12와 같이 10kW급 모듈 시작품 5대를 제작하여 50kW급 급속충전기를 구성하였다. 10kW급 모듈은 EMI필터, 서지보호기, 비엔나정류기, DC-DC 컨버터, 디지털제어기, 보조전원으로 구성되어있다.

성능/효과

본 논문에서는 EV와 NEV 겸용 50kW급 고효율 모듈형 급속충전기를 개발하였다. AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터 모두 3레벨 토폴로지를 적용함으로써 스위치의 전압정격을 감소시키고 효율을 향상시켰다. DC-DC 컨버터에 결합 인덕터와 하이브리드 스위칭 기법을 적용하여 순환전류를 대폭 감소시켰으며 효율적인 병렬운전을 통해 넓은 부하범위에서 높은 효율을 유지하였다.
AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터 모두 3레벨 토폴로지를 적용함으로써 스위치의 전압정격을 감소시키고 효율을 향상시켰다. DC-DC 컨버터에 결합 인덕터와 하이브리드 스위칭 기법을 적용하여 순환전류를 대폭 감소시켰으며 효율적인 병렬운전을 통해 넓은 부하범위에서 높은 효율을 유지하였다. 50kW급 시작품을 통해 최고효율 95.
그림 15는 YOKOGAWA사의 WT3000을 이용하여 측정한 효율, 역률, THD이다. 역률과 THD는 정격에서 각각 0.99, 2.3%를 달성하였다. 그림 15(a)는 비엔나정류기의 측정효율로 정격효율 97.
일반적으로 전력변환기는 인덕터와 변압기의 철손으로 인해 경부하에서 효율이 낮고 중부하 이상에서 높은 효율을 유지한다. 이를 고려하여 5개의 모듈을 동시에 운행하는 것보다 배터리전류에 따라 운전하는 모듈의 개수를 조절하면 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 제안하는 모듈형 급속충전기는 그림 10과 같이 배터리전류가 상승함에 따라 운전 모듈의 개수를 증가시킨다.
표 3^[11]은 제안하는 급속충전기와 선진사 급속충전기 최신제품의 성능을 비교한 것이다. 제안하는 급속충전기는 효율측면 뿐만 아니라 전력밀도측면에서도 우수한 것을 알 수 있다.
게다가 하이브리드 스위칭 기법을 적용하여 배터리 전압이 낮을 때는 하프브리지, 배터리 전압이 높을 때는 풀브리지로 동작하여 넓은 배터리전압에서도 고효율을 유지할 수 있다. 제안하는 모듈형 급속충전기는 히스테리시스 밴드를 적용하여 안정적인 병렬운전이 가능하며 부하에 따라 동작 모듈수를 제어하여 넓은 부하범위에서 높은 효율을 유지한다. 10kW급 모듈 5개를 이용하여 50kW급 급속충전기 시작품을 제작하였으며 실험을 통해 성능을 검증하였다.
제안하는 급속충전기의 DC-DC 컨버터로 그림 1과 같이 결합 인덕터를 이용한 3레벨 DC-DC 컨버터를 제안하였다. 제안하는 컨버터의 스위치 전압정격은 입력전압의 절반으로 600V MOSFET을 사용가능하여 고주파 스위칭을 통해 수동소자 부피를 줄일 수 있다. 그림 6은 제안하는 컨버터의 주요파형이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	급속충전기 EV와 NEV의 전압 범위는?	최근 환경오염 및 규제로 인해 전기자동차의 개발이 활발히 이루어지면서 전기자동차의 충전시간을 줄이기 위한 급속충전기의 개발이 요구되고 있다[1]-[5] . 급속충전기는 30분 이내에 배터리를 충전하기 위해 일반적으로 50kW급 용량이 요구되며 EV(Electric Vehicle)의 전압 범위는 200V∼500V이고 NEV(Neighborhood Electric Vehicle)의 전압범위는 50V∼100V로 EV와 NEV를 충전하기 위해 급속충전기는 50V∼500V의 넓은 전압범위를 갖는다. 50kW급 급속충전기는 단일 시스템과 모듈형 구조로 구분할 수 있다.
	단일시스템의 장단점은?	단일 시스템은 50kW급 AC-DC 컨버터와 병렬 연결된 다수의 절연형 DC-DC 컨버터로 구성할 수 있다[4],[5] . 단일시스템은 대용량 AC-DC 컨버 터를 사용하여 제작단가가 낮지만 용량확장이 어렵고 신뢰성이 낮은 단점이 있다. 이와 비교하여 모듈형 구조는 모듈증가와 교체가 간단하기 때문에 용량확장과 유지보수가 용이하며 일부 고장모듈이 발생하여도 지속적인 배터리 충전이 가능하기 때문에 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다[6].
	급속충전기는 입력이 3상 380V일 때 직류링크단이 750V∼800V가 되어 스위치 전압정격이 높아지는 문제점이 있는데, 이를 해결하기 위한 방법은?	급속충전기는 입력이 3상 380V일 때 직류링크단이 750V∼800V가 되어 스위치 전압정격이 높아지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 스위치 전압 정격이 낮고 스위칭 손실이 작은 3레벨 구조의 AC-DC 컨버터와 DC-DC 컨버터가 주로 사용된다. 3레벨 AC-DC 컨버터로는 T-type 3레벨 컨버터가 주로 사용 되지만[7],[8] 모듈형 급속충전기에 적용시 스위치가 많기 때문에 가격이 비싸고 스위칭 주파수 제한으로 인해 필터 부피가 큰 단점이 있다.

참고문헌 (11)

D. Aggeler, etc. al, "Ultra-fast dc-charge infrastructures for EV-mobility and future smart grids," in Proc. IEEE ISGTEUROPE, pp. 1-8. Oct. 2010.
M. Yilmaz and P. T. Krein, "Review of battery charger topologies, charging power levels, and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 28, No. 5, pp. 2151-2169, May 2013.

상세보기
L. Tan, N. Zhu and B. Wu, "An integrated inductor for eliminating circulating current of parallel three-level DC-DC converter-based EV fast charger," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 63, No. 3, pp. 1362-1371, Mar. 2016.

상세보기
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J. Park, M. Kim, H. Jeong, J. Kim and S. Choi, "Development of 50kW high efficiency fast charger with wide charging voltage range," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 21, No. 3, pp. 267-274, Jun. 2016.

원문보기 상세보기
H. Behjati, etc. al, "Modular DC-DC converters on graphs: Cooperative control," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 29, No. 12, pp. 6725-6741, Dec. 2014.

상세보기
P. Alemi, Y. C. Jeung, and D. C. Lee, "DC-link capacitance minimization in T-type three-level AC/DC/AC PWM converters," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 62, No. 3, pp. 1382-1391, Mar. 2015.

상세보기
Y. Prabowo, M. Kim, S. Kim and S. Choi, "Development of EV fast charger using vienna rectifier," in Annual Conference of the KIPE, pp. 199-200, Jul. 2015.
K. Jin and X. Ruan, "Hybrid full-bridge three-level LLC resonant converter - A novel DC-DC converter suitable for fuel-cell power system," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 53, No. 5, pp. 1492-1503, Oct. 2006.

상세보기
I. Lee and G. Moon, "Analysis and design of a three-level LLC series resonant converter for highand wide-input-voltage applications," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 27, No. 6, pp. 2966-2979, Jun. 2012.

상세보기
S. Srdic, X. Liang, C. Zhang, W. Yu and S. Lukic, "A SiC-based High-Performance Medium-Voltage Fast Charger for Plug-in Electric Vehicles," 2016 IEEE ECCE, Milwaukee, WI,

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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