[논문]EV/PHEV용 3.3kW 양방향 배터리 충전기

김원용; 김종원; 김현준; 김경동; 김도현; 최대식; 오형록; 이준영

EV/PHEV용 3.3kW 양방향 배터리 충전기
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김원용 (명지대학교) , 김종원 (명지대학교) , 김현준 (명지대학교) , 김경동 (명지대학교) , 김도현 (명지대학교) , 최대식 (명지대학교) , 오형록 (명지대학교) , 이준영 (명지대학교)

최근 하이브리드 및 전기자동차의 집약적인 발전과 함께 충전기술이 대두 되고 있다. 본 논문은 충전기능만을 고려한 단방향 충전시스템에서 양방향 배터리 충/방전 시스템에 대하여 서술한다. 양방향 시스템은 주차 된 차량의 배터리를 저장 매체로 활용하여 V2G(Vehicle to Grid)기술로 활용할 수 있어 잉여전력에 대해서 계통으로 전력을 전송할 수 있다. 용량은 가정용으로써 3.3kW 탑재형 단상 양방향 충/방전기에 대한 시뮬레이션과 실험을 통해 결과를 도출했다.

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문제 정의

본 논문에서는 단상 양방향 인버터와 LLC, Buck 컨버터를 연계한 3단 구성방식의 계통연계형 컨버터를 제안하였다. ZVS, ZCS를 이용한 공진형 컨버터로 설계하여 고주파 스위칭을 적용하여 자화소자의 사이즈 경감을 유도하였다.

제안 방법

본 논문에서는 단상 양방향 인버터와 LLC, Buck 컨버터를 연계한 3단 구성방식의 계통연계형 컨버터를 제안하였다. ZVS, ZCS를 이용한 공진형 컨버터로 설계하여 고주파 스위칭을 적용하여 자화소자의 사이즈 경감을 유도하였다. 기존의 충전기능만을 담당하는 충전기에서 계통연계형 양방향으로 시스템을 개발함으로써 V2G 기술과 관련하여 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있음을 실험을 통하여 확인하였다.
높은 효율과 안정적인 출력전달을 위해서 소프트 스위칭이 가능한 LLC 공진형 컨버터를 사용하였다. LLC 타입은 ZVS(Zero Voltage Switching)와 ZCS(Zero Current Switching)동작이 가능하며 부하의 변동에도 동작주파수의 변동이 적기 때문에 고효율을 달성할 수 있는 장점이 있다.
25A이며, 출력 전압 157V, 전류 21A로써 정격운전이 정상적으로 수행됨을 확인하였다. 반대로 방전시에도 동일한 전압/전류 조건으로 3.3kW 정격운전을 정상적으로 수행하여, 계통연계형 단상 양방향 배터리 충전기를 검증하였다.
따라서, 실시간 제어 또는 단상 PLL을 통해 역률을 보상하게 된다. 본 논문은 3상 인버터와 동일하게 동작 할 수 있도록 D Q변환에서 Q성분을 가상으로 생성하여 3상 인버터와 동일하게 제어한다. 단상 PLL을 통해 얻은 위상 정보로 전류 제어 및 DC 전압제어를 수행할 수 있다.
배터리 충전기는 별치형(Stand Type)과 탑재형(On Board Type)으로 분류 된다. 이 중에서 탑재형을 목표로 구성하였으며, 탑재형은 가정용 전원으로부터 충전을 하기에 3.3kW로 설계하였다. 회로구성은 배터리에 충전하는 방향을 기준으로 계통연계형 인버터, 공진형컨버터, 벅 컨버터로 구성되어 있다.

대상 데이터

실시간 제어에 비해 전류 레퍼런스가 Sine Wave와 유사하다. 고조파 함유율 (THD)이 적고 전압이용률이 넓은 SVPWM을 사용하였다.

이론/모형

3kW 단상 양방향 컨버터의 시뮬레이션 파형이다. 시뮬레이션은 PSCAD를 이용하였으며, 충전 및 방전에 대하여 역률과 제어 정도를 볼 수 있다. 충전시 전압과 전류의 관계를 보여준다.
인버터는 DC링크 전압 유지 및 AC측 역률보상 목적, 공진형 컨버터는 계통과 배터리(자동차)간의 전기적 절연, 벅 컨버터는 450V까지 승압 된 공진형 컨버터의 출력을 받아 넓은 제어 범위를 가지는 배터리의 특성에 맞도록 강압하도록 한다. 제어기는 Texas Instruments社의 32bit Floating Point타입의 TMS320F28335를 이용하였으며, 디지털 PI제어와 단상PLL 기법을 통하여 충/방전 및 역률보상 (Power Factor Correction) 알고리즘을 구현하였다.

성능/효과

그림 5는 그림 4와 동시 실험파형으로써 충전과 방전시 DC/DC 컨버터의 입/출력 전압/전류를 측정한 파형이다. 3.3kW 충전시 DC링크 전압 400V로부터 전류 8.25A이며, 출력 전압 157V, 전류 21A로써 정격운전이 정상적으로 수행됨을 확인하였다. 반대로 방전시에도 동일한 전압/전류 조건으로 3.
ZVS, ZCS를 이용한 공진형 컨버터로 설계하여 고주파 스위칭을 적용하여 자화소자의 사이즈 경감을 유도하였다. 기존의 충전기능만을 담당하는 충전기에서 계통연계형 양방향으로 시스템을 개발함으로써 V2G 기술과 관련하여 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있음을 실험을 통하여 확인하였다.

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