[논문]전기자동차 충전시스템의 에너지 최적화 알고리즘에 관한 연구

부창진

doi:10.7471/ikeee.2018.22.2.369

전기자동차 충전시스템의 에너지 최적화 알고리즘에 관한 연구
A Study on Energy Optimization Algorithm of Electric Vehicle Charging System 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.22 no.2, 2018년, pp.369 - 374

부창진 (Dept. of Electrical Engineering, Jeju Int. University)

초록
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본 논문에서는 공용 사용목적으로 설치된 전기자동차 충전설비에 다수의 전기자동차가 충전시작과 종료시간이 정해진 조건에서 전력피크 제어와 전기자동차 충전 비용을 최소화 할 수 있는 전기자동차 충전시스템 제어방법을 제안하였다. 전기자동차 충전 과금정책으로 사용되는 계시별요금제기반에서 전기자동차 충전요금 절감할 수 있는 방법으로 전기자동차 배터리 충전상태를 제약조건으로 설정하고 선형계획법 알고리즘을 이용하여 전기자동차 충전시스템을 제어하는 방법을 사용하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 수행 하였을 때 기존 전기자동차 충전시스템보다 충전요금이 절감됨을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the energy cost saving in multi-channel electric vehicle charging system. Joint use of the electric car charger battery state of charging proposed a method based charging. A linear programming with two type is used for optimal control, and the time-of-use price is included to calculat...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 공동으로 사용하는 전기자동차 충전시스템 환경에서 배터리의 충전상태가 선형적인 배터리 잔량이 80%일때 전기자동차 1대의 충전완료 시간으로 설정하여 충전에 사용된 전력사용 요금의 절감과 최대전력사용으로 인한 전력피크를 중부하 시간대로 이동시킬 수 있는 방법을 제시하였다. 시뮬레이션 결과 기본요금을 결정하는 15분단위의 계산은 사용용량이 2대이기 때문에 13.

가설 설정

본 논문에서는 공동으로 이용하고 있는 전기자동차 충전시스템에 다수의 전기자동차가 연결되었을 때를 가정하였다. 또한 전기자동차의 충전방식은 충전시작과 종료시간이 정해진 조건에서 충전시스템을 운영할 수 있는 방법을 제안하였다.

제안 방법

두 번째의 경우 오전 09시에 오피스 건물에 4채널 전기자동차 충전시스템이 설치되어 있고 2대 충전이 가능하고 나머지 2대는 충전 포트를 가지고 있어 충전이 개시된 충전기 중 완료된 충전포트에 권한을 받아 충전을 수행 할 수 있는 경우에 대한 컴퓨터 시뮬레이션이다. 4대의 전기자동차는 각각 배터리 초기 잔량은 20%, 30%, 41%, 31%이며 배터리 충전상태는 80%를 상한으로 설정하고 충전전력은 0kW에서 6.6kW의 전력을 공급하며 완속 완충시간 6시간을 기준으로 하였다.
계시별 요금제는 경부하시간대, 중부하시간대, 최대부하시간대로 3개의 구간이 24시간을 기준으로 구분되어 있으나, 본 논문에서는 다수의 전기차가 공용으로 충전을 할 수 있는 환경에서 시스템 운영을 확인하기 위해서 충전을 최초로 시작하는 출근시간과 충전 완료 최종 시한인 퇴근시간을 기준으로 시뮬레이션 하기 위해 경부하 시간대를 제외하게 되며, 중부하 시간대의 전기자동차 충전시간을 최대 사용하고, 최대부하시간대의 사용을 최소화하여 전기자동차 사용자가 퇴근시간에 전기자동차의 충전상태 80%를 만족할 수 있게 하였다.
본 논문에서는 공동으로 이용하고 있는 전기자동차 충전시스템에 다수의 전기자동차가 연결되었을 때를 가정하였다. 또한 전기자동차의 충전방식은 충전시작과 종료시간이 정해진 조건에서 충전시스템을 운영할 수 있는 방법을 제안하였다. 전기자동차 배터리 충전상태(State of charge)를 에너지 비용 최적화 제약조건 설정하고 최적화 목적함수를 선형계획법(Linear programming)알고리즘을 이용하여 전기자동차 충전시스템 제어하는 방법을 사용하였으며, 그 결과를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 현행 전기자동차 충전에 사용된 전력량 과금 정책으로 사용되는 계시별요금제(Time of use)기반에서 전기자동차 충전요금 절감과 전력 피크 시간대를 이동시켜 안정적으로 전기자동차 충전시스템을 운영 할 수 있음을 나타내었다.
그림 5는 설계된 모델의 충전전압, 전류, 배터리 상태에 대한 출력을 나타낸 것으로 배터리상태가 80%까지 전압은 상승하고 충전전류는 7A로 고정되어 충전을 수행하다가 80% 이상에서는 전압도 증가율이 낮아지고 충전전류는 감소함을 확인 할 수 있다. 이 결과를 통해 배터리 잔량이 80%가 되는 지점을 전기자동차 충전의 상한 제약조건으로 사용하여 충전시스템 제어 알고리즘을 설계하였다.
전기자동차 충전시스템의 배터리 충전상태를 확인하기 위해 Matlab을 사용하여 3.85[V]의 리튬배터리 모듈을 직병렬 연결하고, 이 전압을 기준으로 최대 충전전류를 인가하여 리튬배터리 시스템의 출력을 확인하였다. 그림 4는 리튬 배터리 모델을 나타낸 것으로 충전전압과 배터리상태에 대한 특성을 룩업테이블을 이용하여 전기자동차의 배터리잔량 특성을 확인 할 수 있으며, 쿨롱효율의 선택과 직렬 내부저항의 상태를 선택할 수 있으며 추가적으로 히스테리시스 특성을 반영하였다.
첫 번째 전기자동차 충전 특성을 분석하기 위해 충전 구간을 오전 09시에 충전시작을 4대의 전기자동차가 충전을 개시하였을 때에 대한 분석을 수행하였다. 4대의 전기자동차의 배터리 잔량은 각각 40%, 50%, 60%, 60%의 상태를 가지고 있으며 배터리 잔량 80%를 상한으로 설정한다.

성능/효과

그림 9는 본 논문에서 제안한 충전 방식의 배터리 잔량을 나타낸 것으로 최대부하시간대에 배터리잔량상태가 완만하게 나타남을 확인할 수 있다. 기본 2채널에 예비 포트에 대한 자동 스위칭이 가능하여 기존 시스템에서 충전기 분리 및 연결에 대한 문제점을 개선할 수 있고, 기존 시스템에서는 TOU를 고려하지 않지만, 본 논문에서는 최대부하시간대인 11시에서 12시 사이와 13시에서 16시까지의 충전 시간대에 전기자동차 충전을 최소화함으로써 피크전력을 저감할 수 있다.
기본 2채널에 예비 포트에 대한 자동 스위칭이 가능하여 기존 시스템에서 충전기 분리 및 연결에 대한 문제점을 개선할 수 있고, 기존 시스템에서는 TOU를 고려하지 않지만, 본 논문에서는 최대부하시간대인 11시에서 12시 사이와 13시에서 16시까지의 충전 시간대에 전기자동차 충전을 최소화함으로써 피크전력을 저감할 수 있다.
는 제어시한 i차에서 전기자동차 계시별요금을 나타낸다. 또한 공동이용 건물에 대한 충전시간을 고려할 때 오전 9시에서 오후 18시까지의 사용시한이 구성되며, 전력요금제는 1시간 단위로 부과되지만 최대전력 산정은 15분단위의 수요시한을 가지고 있으므로, 제어시한을 최소 15분 단위로 선정하였을 경우는 36이고, 배터리잔량의 경우 선형적 특성을 가정할 수 있는 배터리 잔량 80%가 전기자동차 1대의 최대충전 완료시간으로 선정할 수 있다.
또한 전기자동차의 충전방식은 충전시작과 종료시간이 정해진 조건에서 충전시스템을 운영할 수 있는 방법을 제안하였다. 전기자동차 배터리 충전상태(State of charge)를 에너지 비용 최적화 제약조건 설정하고 최적화 목적함수를 선형계획법(Linear programming)알고리즘을 이용하여 전기자동차 충전시스템 제어하는 방법을 사용하였으며, 그 결과를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 현행 전기자동차 충전에 사용된 전력량 과금 정책으로 사용되는 계시별요금제(Time of use)기반에서 전기자동차 충전요금 절감과 전력 피크 시간대를 이동시켜 안정적으로 전기자동차 충전시스템을 운영 할 수 있음을 나타내었다.

후속연구

전기자동차 충전인프라의 확산은 전력계통에서 피크전력 발생요인이 될 수 있기 때문에, 이를 해결하기 위한 방안으로 전력계통의 안정을 고려하는 방법[2]과 가격신호를 통한 충전시간의 이동을 유도하는 방법[3], 최적화 방법을 이용한 자동충전제어[4] 등의 연구를 통해 해결하려는 연구가 진행되고 있다. 또한 전기자동차 보급 확산은 개인주택 사용자의 경우 초기 설정한 전기자동차 충전기의 최대 전력 사용 용량 변경없이 전기자동차 충전을 수행할 수 있으나, 전기자동차 충전설비를 공동으로 사용하는 공동주택 및 공용장소에서는 제한된 변압기 허용용량 환경에서 새로운 전기자동차 충전설비의 대수나 가용용량 증설등의 어려움이 발생될 수 있기 때문에 공동으로 사용되는 전기자동차 충전설비의 충전전력을 분산하여 효율적으로 충전시스템을 운용하는 기술을 적용하여야 할 것이다.
하지만 건물등에 동일한 변압기를 사용할 경우 전기자동차 충전부하가 전체 사용전력에 가산되기 때문에 피크절감 측면과 기본요금 산정에 영향을 주기 때문에 제어할 필요성은 있다. 향후 배터리 상태에 대한 동적 특성과 외란 등을 고려한 시스템 모델설계와 실험을 진행하게 되면 다채널을 활용과 신재생에너지와 ESS를 결합하면 효율적인 전기자동차 충전시스템의 운용이 가능게 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기자동차 충전방식에는 무엇이 있는가?	또한 전기자동차 충전시스템은 크게 충전방식, 연결방식, 통신 및 제어방식에 따라 구분할 수 있다. 충전방식은 전기자동차와 충전기를 커넥터로 연결하는 방식에 따라 접촉식(Conductive), 유도식(Inductive) 충전방식 그리고 배터리교환방식(Battery Swapping)으로 구분 가능하다[5]. 전기적 연결 장치는 전기자동차와 전기적으로 연결시킬 수 있는 커넥터(Connector)와 전기자동차에 장착된 인렛(Inlet)이 있으며 단상 및 삼상 교류용, 직류 전용 그리고 교류 및 직류가 함께 있는 콤보(Combo)형으로 구분할 수 있다.
	전력피크를 제어해야 하는 이유는 무엇인가?	2kW를 초과할 경우가 없다. 하지만 건물등에 동일한 변압기를 사용할 경우 전기자동차 충전부하가 전체 사용전력에 가산되기 때문에 피크절감 측면과 기본요금 산정에 영향을 주기 때문에 제어할 필요성은 있다. 향후 배터리 상태에 대한 동적 특성과 외란 등을 고려한 시스템 모델설계와 실험을 진행하게 되면 다채널을 활용과 신재생에너지와 ESS를 결합하면 효율적인 전기자동차 충전시스템의 운용이 가능게 될 것이다.
	전기자동차 충전인프라 구축이 필수적인 이유는 무엇인가?	전기자동차의 개발과 보급이 급증하고 있으며, 국내에서도 정부주도의 전기자동차 보급 확대 정책을 적극 펼치고있다. 현재 판매되는 전기자동차는 배터리 1회 충전 시 실주행거리가 약 160[km] 이하 수준으로 주행거리에 대한 제약요인 해결을 위해 잦은 충전이 필요하기 때문에 전기자동차 보급 확산을 위해서는 충전인프라 구축이 필수이다[1]. 전기자동차 충전인프라의 확산은 전력계통에서 피크전력 발생요인이 될 수 있기 때문에, 이를 해결하기 위한 방안으로 전력계통의 안정을 고려하는 방법[2]과 가격신호를 통한 충전시간의 이동을 유도하는 방법[3], 최적화 방법을 이용한 자동충전제어[4] 등의 연구를 통해 해결하려는 연구가 진행되고 있다.

참고문헌 (6)

Ministry of Environment, "A Study on Supporting Criteria and Demand Infrastructure for Electric Vehicle Supply," 2011
M. Caramanis, "Management of Electric Vehicle Charging to Mitigate Renewable Generation Intermittency and Distribution Network Congestion," IEEE Conf. on Decision and Control, pp. 4717-4722, 2009 DOI: 10.1109/CDC.2009.5399955
A. Joao, M. Pedeo, S. Pilipe, et al. "Integration of Electric Vehicles in the Electric Power System," Institute of Electrical and Electronics Engineers,Vol. 99, No. 1, pp. 168-183, 2011 DOI: 10.1109/JPROC.2010.2066250

상세보기
S. Shengnan, Z. Tianshu, P. Manisa and R. Saifur, "Impact of TOU Rates on Distribution Load Shapes in a Smart Grid with PHEV Penetration," IEEE PES, pp. 1-6, 2010 DOI: 10.1109/TDC.2010.5484336
Ministry of Environment,, "Electric Vehicle Charging Infrastructure Installation and Operation Guidelines," 2017
L. Chen, C. Y. Chung, Y. Nie and R. Yu, "Modeling and optimization of electric vehicle charging load in a parking lot," 2013 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), pp. 1-5, 2013 DOI: 10.1109/APPEEC.2013.6837301

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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