전기자동차 충전기의 효율향상을 위한 SRT-풀브리지 하이브리드 회로연구

곽태균 명지대학교 대학원 2015 국내석사

This paper suggests another candidate for DC/DC converter in electric vehicle on-board charger. Maintaining topological characteristics similar to those of conventional resonant converters, it is operated with constant frequency PWM for charging control. Since the converter uses secondary resonant tank, soft-switching and resonant operations can be separated. A practical design procedure is suggested to guarantee the normal operation and the feasibility of the proposed charger is verified with a 6.6kW prototype designed by the procedure. 본 논문은 SRT-Full bridge hybrid 구조의 전기자동차용 고효율 충전기 회로를 제안한다. 최근 화석 에너지 고갈과 환경 문제로 대두 되고 있는 부분은 크게 전기자동차 분야와 신재생 에너지 분야이다. 이에 따라 내연 기관 자동차에서 전기 자동차 시대로 변화되어 가고 있고, 구성 요소 또한 대체 되어 가고 있다. 전기자동차는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기모터를 사용해 구동하는 자동차이다. 전기자동차의 특징으로는 가솔린을 사용하지 않아 주행 중 탄소배출량이 거의 없어 연비 및 이산화탄소 절감 측면에서 매우 우수하며, 운영비용 및 에너지 효율도 뛰어나다. 그러나 배터리에 저장된 전기에너지만으로 주행 및 가속이 이루어지므로 타 그린 카에 비해 배터리 의존도가 높다. 그동안 전기자동차는 가솔린 자동차보다 오랜 역사를 갖고 있었으나 배터리 중량, 충전 시간 등의 문제로 인해 실용화 되지 못했다. 그러나 최근 들어 경제성과 친환경성을 만족시키면서 GM, 르노 등 주요 자동차 업체들을 중심으로 전기자동차개발이 활성화되어 GM의 ‘볼트’, 닛산의 ‘리프’등이 상용화 되어 본격적으로 시판되고 있고, 국내에서도 저속 전차와 고속 전기차가 잇따라 개발되고 있다. 친환경 중심의 사회로 변화함에 따라 자동차 시장이 하이브리드 및 전기자동차 시장이 활발해 지고 있지만 이 때 활발한 시장을 육성하기 위해서는 전기차의 핵심인 배터리 충전이다. 물론 충전되어있는 배터리를 얼마나 고효율로 사용하느냐도 중요하지만 계통전원을 이용하여 배터리를 충전하는 효율도 매우 중요하다. 계통에서 DC로 변환해주는 PFC회로나 인버터 회로는 고효율화 및 역률개선이 잘 되어 있는 기존 회로들이 많기 때문에 본 논문에서는 98%의 효율을 목표로 고효율 충전기의 DC-DC Converter 부분을 제안하였으며, DC-DC 2차측 회로의 Full-Bridge 회로에 SRT 보상회로를 적용하여 효율향상을 할 수 있다는 점을 실험을 통하여 검증하였다.

공동주택 전기자동차 충전패턴 분석을 통한 충전기 설치기준에 관한 연구

신성일 고려대학교 공학대학원 2023 국내석사

전 세계적으로 지구온난화와 기후변화 대응을 위해 2021년 영국 글래스고에서 개최된 기후변화협약 COP26에 우리나라를 포함한 120여개국이 참여하였으며, 지구 온난화의 주요 원인인 메탄 30% 감축, 석탄 화력발전2040년 폐지 등을 논의하였다. 우리나라도 2021년도에 탄소중립을 향한 경제·사회 구조 전환과 이행체계를 마련을 위해 탄소중립법을 제정하였으며, 국가차원의 온실가스 감축 목표(‘30년의 전체 온실가스 총배출량을 ’18년기준 온실가스 총배출량과 대비하여 40%만큼 축소)를 달성할 수 있도록 제도를 정비하였다. 또한, 산업부에서는 온실가스 배출의 주요 원인인 수송분야중 내연기관의 수요를 감소하고 친환경자동차 보급확대를 위해 2021년 제4차 친환경자동차 기본계획을 수립하였으며, 친환경자동차를 ‘25년까지 283만대, ’30년까지 785만대를 보급할 목표를 세웠고 이를 통해 자동차 온실가스를 ‘30년까지 24% 감축하기 위해 노력하고 있다. 더불어, 환경부는 전기자동차 충전기(급속, 완속, 이동형)의 의무설치 비율을 확대하는 친환경자동차법 개정을 통해 신축 건축물은 2022년에는 주차면수의 5%까지, 2025년에는 주차면수의 10% 이상의 충전기를 설치하도록 하였다. 기축 건축물은 2022년에는 공공건물은 주차면수의 2%이상, 2025년까지 100세대 이상의 아파트와 대형마트, 백화점, 대기업 소유 건물은 2% 이상의 충전기를 확보하도록 의무화 하였다. 본 논문은 국내에서 발표된 선행 연구결과를 바탕으로 현재 전기자동차 보급과 이용이 활발하게 이루어지고 있는 전국 12개단지(서울 3곳, 경기도 4곳, 광역시 4곳, 제주도 1곳)에 거주하고 있는 전기자동차 이용자들의 평균적인 충전패턴(충전횟수, 충전시간, 충전량 등)을 분석한 결과, 전기자동차 1대당 일평균 충전량은 5.8kWh를 사용하고 있었으며, 하루에 평균적으로 0.3회 충전하고 있었으며, 주로 충전하는 시간대는 중간부하대(17시∼23시) 였다. 산업부의 전기자동차 보급목표를 반영하여 매년 133%씩 증가할 것으로 적용할 경우 공동주택(500세대)에서 필요한 적정수준의 충전기수는 2021년말 기준 2기, 2025년말에는 5기, 2030년말에는 32기가 필요할 것으로 예상된다. 하지만, 2025년 이후 부터는 전기자동차 충전기가 부족하여 원하는 시간대에 충전을 하지 못하거나 대기해야 하는 상황이 생길 우려가 있으며, 전기자동차 충전용 전력량을 원활하게 공급하기 위해 설계단계에서부터 전기실내 여유공간을 확보하고 수배전반 증설이 용이하도록 고려할 필요가 있다. 마지막으로, 현재 전기자동차 충전수요가 퇴근시간 이후인 중간부하대(17∼23시)에 많이 발생하여 충전기를 비효율적으로 사용하고 있으므로, 예약충전 기능을 활용한 분산충전 시스템 도입과 신재생에너지 및 에너지저장장치 등을 활용할 경우 인센티브를 제공하는 방법 등으로 전기자동차 충전기를 더욱 효율적으로 이용하고, 전기자동차 보급·확대에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

배전계통에서 전기자동차 급속충전기의 고조파 연구

주성철 성균관대학교 일반대학원 2014 국내석사

최근 지구온난화 문제 및 저탄소 배출 정책으로 자동찬 산업은 새로운 전환기를 맞이하고 있다. 전 세계적으로 전기자동차 개발이 활발히 진행되고 관련 산업이 급성장하고 있다. 언제 어디서든 쉽게 전력을 공급할 수 있는 충전인프라 기술 개발이 이루어지고 있으며 전기 자동차를 10분이내의 빠른 충전으로 100km 이상을 여행 할 수 있는 전기자동차 급속충전기가 연구 및 개발되고 있다. 일반적으로 급속충전기는 AC전력을 DC전력으로 변환하는 전력변환장치와 다양한 전압을 공급하기 위한 DC-DC 전력변환기로 구성되어 있으며 효율성, 신뢰성, 비용, 크기, 무게를 고려한 설계가 이루어진다. 급속충전기의 경우 3상 380V전압을 사용하기 때문에 배전계통과의 전기적 차단이 중요하며 일반적으로 전력전자 설비들이 가진 고조파 등의 문제를 야기 할 수 있다. 본 논문에서는 기존 배전 계통에서 전기자동차 급속 충전으로 인한 영향을 분석 하였으며 급속충전기 분석 및 배전계통의 영향 분석을 위해 EMTP (Electric Magnetic Transient Program)로 시스템을 모델링하였고, 모델링 한 급속충전기를 계통에 연계하여 배전계통에서의 전기자동차 급속충전기의 영향을 연구하기 위해 고조파를 분석하였다.

개선된 고조파 檢出기법에 의한 능동전력필터 機能을 갖는 전기자동차용 충전기 시스템

송상훈 성균관대학교 일반대학원 2014 국내박사

전 세계는 천연자원의 한계성과 환경문제 등으로 고전적으로 사용해 온 화석에너지의 대체 에너지에 대한 연구를 지속적으로 진행해 오고 있다. 이에 따라 신재생에너지의 개발과 에너지의 효율성 제고를 위한 많은 노력들이 진행 중이다. 이러한 노력은 대표적 화석에너지 사용분야인 운송 분야에서도 활발히 이루어지고 있다. 그 중 대표적인 전기자동차의 개발과 이에 대한 인프라 구축은 전 세계가 연구단계를 넘어 실용화 단계가 진행되고 있다. 따라서 이러한 인프라 구축 중 충전시스템은 편리성, 신속성과 더불어 효율성 또한 매우 강조되고 있는 분야이다. 현재 전기자동차 충전 인프라는 전기자동차 내부에 탑재된 3.3 kW급 완속 충전방식과 배터리 충전소에서 사용되는 50∼60 kW급 급속 충전방식이 주를 이루고 있다. 완속 충전방식은 전력피크 시간대를 피한 전력의 분산의 효과와 급속충전 방식의 신속성 등은 이러한 방식들의 가장 큰 장점이다. 그러나 이러한 전기자동차의 충전기들은 고주파 스위칭을 통한 전력변환으로 각종 시스템에 악영향을 발생시키는 다양한 고조파를 발생하는 문제점을 야기 시키고 있다. 뿐만 아니라 편향적인 충전기 용량 구성에 따른 충전시간의 양극화, 인프라 설비의 비효율성 측면에서의 보완이 필요하다. 따라서 전기자동차 충전기의 충전기능 이외에 능동전력필터 기능을 추가적으로 부가함으로써 낮은 이용률을 개선하고 고조파 저감을 통한 전력품질의 향상에 기여할 수 있다. 본 논문에서는 기존의 완속 충전기와 급속충전의 편향성을 개선하고 실용성을 고려하여 10 kW급 전기자동차용 충전기를 제안하며 이는 기존의 상가, 오피스 등 대형 상업시설 또는 공공장소의 주차장에서의 활용도가 높다. 충전용량 관점에서 완속 충전기의 3배, 급속 충전의 1/5–1/6 배에 해당하는 용량으로 수전설비용량의 증가를 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라 전기자동차의 충전기능을 수행하지 않는 동안 능동전력필터로 동작하여 계통에 유입되는 전류의 THD를 개선하였다. 이러한 두 가지 모드를 효과적으로 수행하기 위해 모드 선택 알고리즘을 적용하였으며, 능동전력필터 모드에서의 지연요소로 인한 입력 전류의 오버슈트 현상을 저감시키기 위해 전류 예측 알고리즘을 적용하였다. 그러나 기존의 예측 알고리즘은 부하 가변 시에 일정 구간 동안 2-샘플링 앞선 지령 전류를 생성하지 못하여 시스템의 고조파 제거 성능 및 동특성 저하되는 문제점이 있다. 본 논문에서는 비선형 부하 전류의 동기좌표계 d축의 기울기의 증가분을 검출하여 상기의 문제점을 해결하였다. 한편, 전기자동차용 배터리 충전기는 개발단계에서부터 실제 배터리뱅크를 이용한 실험이 필요하나 연구 환경을 고려할 때 리튬계열의 고전압 배터리 뱅크와 최적화된 BMS를 포함한 시스템을 갖추는 것이 현실적으로 매우 어렵다. 따라서 본 논문에서는 10 kW급 고전압 배터리 시뮬레이터를 이용하여 리튬계열 배터리와 동일한 성능 및 전압 프로파일을 출력할 수 있도록 하였다. 그리고 충전기와 연계하여 실제 리튬계열 고전압 배터리뱅크를 연동한 실험과 동일한 결과를 도출할 수 있는 시스템을 구성하였다. 고전압 배터리 시뮬레이터를 이용하여 다기능 충전기의 충전 및 능동전력필터 사이에 모드 선택 알고리즘 구현 실험을 수행하였다. 10 kW급 배터리 시뮬레이터와 전기자동차용 충전기 기능과 능동전력필터 기능을 가지는 전력변환장치를 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션과 실험으로부터 제시된 모든 알고리즘의 유용성 및 실용 가능성을 확인하였다.

공동주택의 전기자동차 화재 예방 및 대응체계 개선방안

김명희 신라대학교 산업융합대학원 신라대학교 2025 국내석사

With the rapid increase in the adoption of electric vehicles (EVs), concerns about EV fire hazards in apartment complexes are also rising. Underground parking lots in multi-unit residential buildings are physically enclosed spaces directly connected to residential units. Due to this structural characteristic, fires in these spaces can result in significant human and material damage caused by the difficulty of early detection and suppression, the spread of toxic gases, and delayed evacuation. In addition, the presence of combustible installations on the ceilings of underground parking lots can contribute to the rapid spread of fire, necessitating detailed risk analysis. This study aims to propose improvement measures for the prevention of EV fires and the enhancement of response systems in apartment complexes. Key issues are examined, including the risk of damage expansion due to the structural features of underground parking lots, thermal runaway phenomena in EV batteries, emission of toxic gases, and the safety of charger installation environments. Through fire incident case analysis, the study highlights the need for structural systems that enable manual vehicle door operation during emergencies and the installation of devices that can quickly detect heat and high temperatures. A non-probability, purposive sampling method was employed. The survey participants were divided into two groups: “managers” (apartment complex management office directors and team leaders) and “related personnel” (workers, supervisors, and inspectors involved in EV charger installations). Data were collected using a self-administered semi-structured questionnaire, and subjective opinions were gathered through descriptive responses during in-depth interviews. The questionnaire covered topics such as perceptions of fire risks associated with EV charger installations, the current state of EV fire response and management, the need for institutional and policy improvements, and standards for charger installation. Frequency analysis was conducted on general data, and qualitative data from interviews were thematically categorized based on recurring key responses and opinions. The analysis revealed the following: 66.7% of respondents believed EV charger installations increased fire risks; 86.7% considered EV fires more dangerous than internal combustion engine vehicle fires; 100.0% recognized the combustible materials on charger-adjacent ceilings as hazardous; and 100.0% acknowledged that the enclosed nature of underground parking lots contributes to fire spread. Furthermore, 33.3% stated that no fire response manual exists in their residential complexes, 80.0% had never received EV fire prevention and response training, and 100.0% felt that fire safety equipment around chargers was insufficient. Regarding institutional and policy improvements, all respondents agreed that a dedicated EV fire safety management system for underground parking is necessary and that above-ground installation of chargers is safer. Based on the findings, the need for the following is emphasized: strengthening EV charger installation standards, enhancing EV fire response equipment, implementing fire detection and early suppression systems, expanding fire response education, and improving relevant laws and policies. In conclusion, both managers and related personnel perceive the current fire prevention systems for EVs as inadequate. Therefore, this study proposes practical improvements such as above-ground installation of EV chargers, the placement of high-temperature and heat detectors at EV parking spaces, and the introduction of manual door release systems to facilitate occupant evacuation during EV fires. Additionally, it calls for the urgent development of EV fire response manuals that reflect the specific characteristics of EV fires, including persistent combustion due to thermal runaway and the rapid spread of toxic gases. 전기자동차(EV)의 보급이 급격히 증가함에 따라 공동주택 내 전기자동차 화재에 대한 우려도 커지고 있다. 공동주택 지하주차장은 입주자 등이 거주하는 세대와 연결되어 있으며 지하의 구조적 특성상 물리적으로 밀폐되어 있기 때문에 화재 발생 시 화재 발생 식별 및 진압의 어려움, 유독가스 확산, 대피 지연 등으로 인한 심각한 인적·물적 피해를 초래할 수 있다. 또한, 지하주차장 천장에는 가연성 설비들이 산재하여 설치되어 있기 때문에 화재 확산의 주요 요인으로 작용할 수 있어 이에 대한 위험성 분석이 요구된다. 본 연구는 공동주택의 전기자동차 화재 예방 및 대응체계 개선을 목적으로 하였다. 지하주차장 특성으로 인한 피해 확산 가능성, 전기자동차 배터리의 열폭주 현상, 유독가스 발생 및 충전기 설치환경의 안전성 등을 중심으로 문제점을 고찰하였다. 화재사례 조사에 의하면 화재 발생 시 탑승자가 차량 문을 수동으로 제어하여 탈출할 수 있는 전기자동차의 구조적 시스템 도입 필요성과 고온과 열의 신속한 감지를 위한 설비와 설치 도입의 필요성을 고찰하였다. 연구방법으로 비확률적표집법, 목적표집법으로 하였고, 설문대상은 공동주택 관리사무소장을 포함한 관리팀장을 ‘관리자’로 하였고, 전기자동차 충전기 설치 관련 작업자, 감독자, 감리 등을 ‘관계자’로 하였다. 연구 목적 달성을 위해 반구조화된 질문지에 자기기입식으로 조사하였고, 심층 면접은 설문조사 중 주관적 의견을 서술적 기입 방식으로 조사하였다. 설문 문항은‘전기자동차 충전기 설치와 화재 위험성 인식’, ‘전기자동차 화재대응 및 관리 실태’, ‘제도개선 및 정책 필요성’,‘전기자동차 충전기 설치 기준’등으로 구성하였으며, 일반사항은 빈도분석을 하였고, 면접을 통해 수집된 자료는 주제별로 분류하여 반복적으로 응답한 핵심 내용과 의견을 중심으로 정리하였다. 분석 결과, 전기자동차 충전기 설치와 화재 위험성 인식과 관련하여 전기자동차 충전기 설치로 인해 화재 위험성이 증가한다는 응답 66.7%, 전기자동차 화재 발생 시 내연기관 차량보다 위험하다고 인식한 응답 86.7%, 전기자동차 충전기 주변의 가연성 천장 재질에 대해 위험요소로 인식한다는 응답 100.0%, 지하주차장의 밀폐된 구조가 화재 확산에 영향을 준다고 인식하는 응답 100.0%로 조사되었다. 또한, 전기자동차 화재대응 및 관리 실태와 관련된 응답과 관련하여 공동주택에서 전기자동차 화재 발생 시 화재대응지침서가 없다고 한 응답 33.3%, 전기자동차 충전기 화재 예방 및 대응 교육을 받은 적이 없다고 한 응답 80.0%, 충전기 주변의 소방설비가 불충분하다고 한 응답 100.0%였다. 제도개선 및 정책 필요성과 관련한 설문 결과에 따르면 지하주차장 내 전기자동차 전용 화재 안전관리 제도가 필요하다와 충전기를 지상에 설치하는 것이 더 안전하다고 인식하는 응답이 각각 100.0%로 조사되었다. 응답 결과를 전기자동차 충전기 설치기준 강화의 필요성, 전기자동차 화재대응 설비 강화 필요성, 화재 감지 및 조기 진압시스템 도입 필요성, 전기자동차 화재대응 교육 확대 필요성, 전기자동차 화재관련 법·제도 개선방안 필요성으로 구분하여 분석하였다. 결론적으로 요약하면, 관리자와 관계자는 전기자동차와 관련된 화재 예방 체계가 미흡하다고 인식하는 것으로 사료된다. 따라서 전기자동차 충전기와 관련하여 화재 예방을 위해서는 전기자동차 충전기 지상 설치, 전기자동차 주차면에 고온 및 열 감지기 설치, 전기자동차 화재 시 탑승자 탈출을 위한 수동 개문 장치 도입 등의 개선방안을 제시하고자 한다. 열폭주로 인한 연소 지속성, 유독가스의 빠른 확산 등 전기자동차 화재의 특수성을 반영한 화재대응지침서 마련이 절실히 요구된다.

능동 전력 필터 기능을 가진 전기자동차용 10kW급 준급속 충전기의 설계 및 제어에 관한 연구

최성촌 성균관대학교 일반대학원 2013 국내석사

현재 점차 화석 에너지 고갈 및 이산화탄소 배출 문제에 직면해 있는 내연기관 자동차에서 전기자동차로 대체되고 있다. 전기 자동차가 일반적인 운송수단으로 대체되기 위해서는 기존의 주유소를 충전기로 구성해야 한다. 그렇기 때문에 전기 자동차의 배터리의 안정한 에너지를 공급하는 충전기에 대한 연구가 매우 중요한 시점이다. 충전기는 충전소 외의 가정이나 그밖에 여러 공공장소 등에 설치되어야 한다. 그러나 현재는 전기자동차 안에 탑재되거나 가정에서 사용되는 3.3-6.6kW급 완속 충전기와 충전소에 사용되는 50-60kW급의 급속 충전기의 연구가 주를 이루고 있다. 이런 편향적인 연구는 앞서 상기한 충전기의 여러 도처에 적용시키는 것에 어려움을 겪을 것이라 예상된다. 그렇기 때문에 본 논문에서는 대형마트와 백화점의 주차장과 여러 공공장소에 적용되기 적합한 10kW급 준급속 충전기를 다루었다. 전기자동차의 보급화를 위해 충전기 설치는 필수적이지만 부수적으로 대용량을 다루는 충전기의 증가로 계통의 질이 저하될 우려가 발생된다. 일반적으로 충전기 토폴로지는 대용량의 전력소자를 사용하여 계통의 AC 전력원을 배터리를 충전시켜주기 위한 DC 전력으로 변환시킨다. 그 과정에서 스위칭으로 인한 고조파가 발생되어 계통에 유입되게 된다. 계통에 주입되는 고조파는 설비 내에 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스의 직·병렬 공진을 발생시켜 변압기나 케이블을 손상 시킬 수 있으며 그밖에 배·수전 설비와 계통과 연결된 전자기기들에 악영향 줄 수 있다. 이러한 고조파를 저감대책으로 대용량의 수동필터를 설치해줘야 하는데 이것은 시스템의 부피와 단가를 높이며, LC필터인 경우에 특정 주파수 영역에서 공진 현상이 발생되는 문제점을 갖는다. 현재는 이러한 수동필터의 단점 없이 고조파 제거가 가능한 능동 전력 필터에 대한 연구가 활발히 연구되고 있다. 논문에서는 용량 및 충전 시간 측면에서 완속충전기와 급속충전기의 중간 형태을 갖으며, 기능면에서는 기존의 전기자동차 충전기능 외에 토폴로지의 변경 없이 능동전력필터 기능이 추가된 전기자동차용 준급속 충전 시스템에 대해 다루었다. APF(active power filter) 기능은 전기자동차의 배터리가 충전기와 분리 되거나, 자동차의 BMS(battery management system)를 통해 실시간 정보를 확인하여 배터리의 SOC(state of charge) 상태에 따라 수행된다. 또한 충전기능과 APF기능을 효과적으로 수행하기 위해 운전 모드 선택 알고리즘을 제안하였다. 제안된 모드 선택 알고리즘을 기반으로 일렬로 배치된 충전기 중에 충전 모드를 수행하고 있는 것은 제외하고 APF 모드를 수행하면 효과적으로 계통의 고조파를 보상 할 수 있으며 각 충전기의 이용률도 향상 시킬 수 있다. 본 논문의 능동전력 필터 기능을 가지는 충전기의 동작과 모드 선택 알고리즘은 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증 되었다.

전기자동차 대용량 급속충전기를 위한 40kW, 100-1000V 출력을 갖는 DC/DC 전력 모듈

배세영 명지대학교 대학원 2024 국내석사

최근 환경문제가 대두됨에 따라 온실가스 감축을 위한 국내외에서의 내연기관차 규제가 강화되고 있다. 이러한 규제는 전기자동차 시장은 빠르게 성장시키고 있고 이에 따른 전기자동차 충전 인프라 구축은 시급한 상황이다. 전기자동차 사용자의 편의를 위해 충전 시간을 단축시킬 수 있는 전기자동차 대용량 급속충전기에 대한 수요가 증가하고 있다. 전기자동차 대용량 급속충전기를 구성하는 AC/DC 모듈은 편의성 및 효율성을 위해 용량이 증가하고 있다. 하지만 현재 대용량 AC/DC 모듈에 관한 연구 및 개발은 부족한 상황이다. 따라서 전기자동차 급속충전기의 추세에 적합한 대용량, 고효율, 고전력밀도의 DC/DC 컨버터 연구개발이 필요한 상황이다. 본 논문에서는 전기자동차용 대용량 급속충전기를 위한 40kW, 100-1000V 출력을 갖는 DC/DC 컨버터를 제안한다. 제안하는 컨버터는 두 개의 LLC 공진형 컨버터로 구성된다. 1차측 인버터는 병렬로 연결되고 2차측 정류단은 배터리 전압에 따라 직렬 또는 병렬로 연결된다. 각 LLC 컨버터는 두 개의 변압기를 사용하며, 전력 균형을 위해 1차측은 병렬 2차측은 직렬로 연결된다. 대용량 컨버터에서 변압기의 누설 인덕턴스는 효율에 큰 영향을 주기 때문에 변압기의 누설 인덕턴스를 최소화하는 권선법이 연구되었다. 제안하는 컨버터는 고전력밀도, 고효율 설계를 위해 120kHz의 스위칭 주파수를 기반으로 설계되었다. 전력 변환 효율을 극대화하기 위해 두 LLC 컨버터의 입력 전압을 배터리 전압 범위에 따라 제어함으로써 최적의 효율 조건에서 동작된다. 2차측에 직렬 또는 병렬로 연결된 두 컨버터의 전력 균등화와 고효율을 위해 전력 균형 제어, 90도 위상차를 가지고 동작하는 알고리즘이 적용되었다. 제안된 컨버터와 제어 알고리즘의 검증을 위해 40kW급 프로토타입을 설계 및 제작하였고, 실험을 통해 컨버터의 신뢰성과 타당성을 확보하였다. With the recent emphasis on environmental issues, regulations on internal combustion engines are being strengthened both domestically and internationally in order to reduce greenhouse gas. These regulations are rapidly growing the electric vehicle market, and the urgent need to establish an infrastructure for charging electric vehicles is arising. There is an increasing demand for high-capacity fast chargers for electric vehicles to shorten the charging time for the convenience of electric vehicle users. The AC/DC module that composes the high-capacity fast charger for electric vehicles is increasing in capacity for convenience and efficiency. However, there is currently a lack of research and development on high-capacity AC/DC modules. Therefore, there is a need for research and development of high-capacity, high-efficiency, and high-power density DC/DC converters suitable for the trend of electric vehicle fast chargers. In this paper, a 40kW, 100-1000V output DC/DC unit power module, which is composed of two LLC resonant converters, is proposed for EV fast chargers. The primary inverters of the two LLC resonant converters are arranged in parallel, but the secondary rectifiers are connected in series or parallel depending on the output voltage conditions. Each LLC converter uses two transformers, and the primary windings of the two transformers are connected in parallel while the secondary windings are connected in series to balance the power handled by the two transformers. In high-capacity converters, the leakage inductance of the transformer greatly affects the efficiency, a method for minimizing leakage inductance in the transformer is studied to reduce losses caused by leakage inductance. A power balance control algorithm, which operates with a phase difference of 90 degrees, is applied for power equalization and high efficiency of the two converters connected in series or parallel on the secondary side. The performance of the proposed unit was verified in a prototype with a 100-1000V and 40.0kW class specification, and it achieved maximum 97.8% efficiency at 800V and 40kW conditions. After a aging experiment, the thermal profiles of all components used are extracted to verify its reliability.

전기자동차 급속충전기 고효율화 기술에 관한 연구

김진학 계명대학교 2018 국내석사

환경 오염이 심화됨에 따라 이를 해결하기 위해 정부 규제나 친환경 정책들이 강화되고 있다. 또한 자동차 시장에서는 친환경 자동차인 전기 자동차에 대한 연구가 활발해지고 있다. 전기 자동차 개발을 위해서는 충전 인프라 구축과 경쟁력 있는 가격을 위한 충전 기술 개발은 필수이다. 따라서 본 논문에서는 전기 자동차 급속충전기 고효율화를 위한 기술을 발표한다. 기존의 전기 자동차 급속 충전기는 20kW급 AC-DC converter가 3대 병렬로 배치되어 있고 각 20kW 모듈은 한 대의 PFC(Power Factor Corrector)와 DC-DC converter로 구성된다. 여기서 DC-DC converter가 배터리를 직접 충전하므로 DC-DC converter의 효율이 전체 급속 충전기 효율에 매우 큰 영향을 미친다. 따라서 고효율 급속 충전기 개발을 위해서는 고효율에 적합한 DC-DC converter 토폴로지 선정과 최적 설계가 매우 중요하다. 기존의 전기 자동차 급속충전기용 DC-DC converter 토폴로지로는 LLC resonant converter나 Phase-Shift Full-Bridge converter를 사용해왔다. 이 두 컨버터는 배터리 충전기 응용에서 고효율 및 소형화가 되기 힘든 치명적인 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 기존의 단점을 극복할 수 있는 새로운 급속 충전기용 LLC-Buck DC-DC converter를 제안한다. 제안하는 컨버터는 절연 기능과 충전 기능을 분리하여 공진점에서 주파수 고정형으로 설계하였고, 순환 전류가 없는 구조인 벅 컨버터를 직렬 연결한 구조이다. 제안하는 컨버터는 다음과 같은 장점을 가진다. 1. LLC resonant converter를 효율이 가장 높은 지점에서 동작하도록 스위칭 주파수를 공진 주파수로 고정시켰다. 그렇게 되면 부하가 변동하더라도 ZVS, ZCS가 달성되고, 순환 전류가 최소화된다. 2. ZVS, ZCS를 통한 100kHz이상의 고주파 동작이 가능하여 대용량 변압기 소형화 설계를 달성했다. 3. 변압기를 2개 사용하여 대용량 변압기 1개보다 사이즈 측면에서 보다 최적 설계가 가능하다. 4. 2차측 정류기의 직렬 연결을 통해 2차측 소자의 내압을 낮춰 비용 및 손실을 저감시켰다. 위의 네 가지 장점에 따라 배터리 충전 전 구간에서 높은 효율로 배터리를 충전시킬 수 있으며, 효율 변동이 최소화된다. 또한 고전력밀도 달성이 가능하다. 제안하는 컨버터를 제작, 실험을 진행한 결과 전 부하 영역에서 97% 수준의 높은 효율로 항상 배터리를 충전하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 기존의 주파수 가변형 컨버터보다 1%이상 높은 효율이다. 제안하는 컨버터를 급속 충전기에 적용해본 결과 DC-DC converter의 고효율을 통해 전체 효율 95.242%로 고효율을 달성할 수 있었다. 또한 타회사 제품과의 성능 비교를 통해 부피 면에서도 경쟁력이 있는 것을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 새롭게 제안하는 LLC-Buck DC-DC converter는 고효율 및 소형화가 요구되는 전기 자동차용 급속 충전기에 널리 활용될 것으로 예상된다. As environmental pollution intensifies, government regulations and eco-friendly policies are being strengthened to solve these problems. In the automobile market, research on electric vehicles, which are environmentally friendly automobiles, is becoming active. For the development of electric vehicles, it is essential to build charging infrastructure and develop charging technology for competitive prices. Therefore, in this paper, presents a technology for high efficiency of electric car rapid charger. The conventional rapid charger for electric vehicle, three 20kW AC-DC converters are arranged in parallel, and each 20kW module is composed of one PFC(Power Factor Corrector) and DC-DC converter. Since DC-DC converter directly charges the battery, the efficiency of the DC-DC converter greatly affects the overall fast charger efficiency. Therefore, it is very important to select a DC-DC converter topology suitable for high efficiency and to design an optimum for high-efficiency rapid charger development. The conventional DC-DC converter topologies for electric vehicle rapid chargers have used LLC resonant converters or phase-shift full-bridge converters. Both converters have a fatal disadvantage that can be difficult to achieve with high efficiency and miniaturization in battery charger applications. Therefore, in this paper, we propose a new LLC-Buck DC-DC converter for a rapid charger that can overcome the existing disadvantages. The proposed converter is designed as frequency fixed type at the resonance point by separating the insulation function and the charging function. The buck converter, which is a structure without circulating current, is connected in series. The proposed converter has the following advantages. 1. The switching frequency is fixed to the resonant frequency so that LLC resonant converter operates at the highest efficiency point. Then, ZVS and ZCS are achieved even if the load fluctuates, and the circulating current is minimized. 2. Based on the ZVS and ZCS achievement, a small scale transformer was designed to allow a high frequency operation to be achieved. 3. By using two transformers, it is possible to design more optimally in terms of size than one high-capacity transformer. 4. The series connection of the secondary rectifiers lowered the internal voltage of the secondary rectifiers, reducing costs and losses. These four advantages, it possible to charge the battery with high efficiency throughout the battery charge period, and the efficiency fluctuation is minimized. And high power density can be achieved. As a result of the fabrication and testing of the proposed converter, it was confirmed that the battery is always charged at a high efficiency of 97% in the entire load range. This is more than 1% higher efficiency than conventional frequency-variable converters. As a result of applying the proposed converter to the rapid charger, the high efficiency of 95.242% of the total efficiency was achieved through the high efficiency of the DC-DC converter. Also confirmed that it is competitive in terms of volume through comparison with other companies products. Therefore, the proposed LLC-Buck DC-DC converter is expected to be widely used in electric car chargers requiring high efficiency and small scale.

전기 자동차용 통합형 전력변환시스템 설계 및 제어

박상훈 성균관대학교 일반대학원 2011 국내박사

Most developed countries that produce vehicles and automobile companies invest in lots of budgets for developing electric vehicle to reduce the use of fossil fuel. Particularly, as the battery technology has been made rapid progress, electric vehicles are able to operate with only battery system. In this context, battery charger connected with grid is required to charge the batteries attached with vehicles. Battery charger charges the battery bank through using the electrical energy of grid, and the operation is similar with that fossil fuel is injected into the gas tank of an internal-combustion engine. This system requires input power factor controller and energy conversion system for charging the battery bank, and the system generally consists of diode rectifier and DC/DC converter or single stage AC/DC PWM converter. In the case of the charger that consists of diode rectifier and DC/DC converter, based on the voltage level of battery, the battery is charged through using buck type or boost type DC/DC converter, and the input power factor is controlled as well. On the other hand, AC/DC PWM converter contains single stage circuit that consists of power semi-conductor switching devices instead of diode rectifier, and the converter charges battery and controls input power factor. Moreover, the structures of energy conversion system to control motor are classified into two types. The first type is that the voltage and capacity of battery bank is bulky. In this case, the battery bank is employed as the input of inverter. The inverter supplies energy for operating to motor and transports free-wheeling energy generated when vehicle brakes suddenly to the battery bank through simple rectifying operation. The second type is that the voltage and capacity of the battery bank is comparably low. When the vehicle is operating, the Bi-directional DC/DC converter boosts the battery energy until the voltage is same as that of inverter DC-link. On the other hand, when the vehicle is braking, the free-wheeling energy is charged into the battery bank through the Bi-directional DC/DC converter. In this paper, battery charger used for electric vehicle as an energy conversion system, Bi-directional DC/DC converter, and three-phase voltage source inverter were designed. The inverter performs the vector control of interior synchronous permanent magnet motor for electric vehicle. Also, depending on the driving mode, simulation was performed through using the designed energy conversion system. The battery charger charges four 12[V] series connected lead battery bank with single commercial power, and the charger was designed based on AC/DC PWM buck converter. The capacity of the employed battery bank is 48[V]/100[Ah], and the battery bank was charged in constant current control condition with 0.2[C-rate], 20[A]. The Bi-directional DC/DC converter was designed based on three-phase interleaved type buck-boost DC/DC converter. The designed converter controls the output voltage constantly as 250[V] in operating condition, and the inductor current of each phase was controlled by the designed converter to have same average current value. Particularly, the DC-link voltage of inverter is controlled in 230~270[V] range by the instantaneous boost and buck operations of Bi-directional DC/DC converter in free-wheeling mode. Due to the operational characteristic of the Bi-directional DC/DC converter, the DC-link voltage of the inverter is able to be stable, and the system shows better performance than vector controlled system since DC-link voltage of the inverter is controlled in definite range when free-wheeling mode is turned into driving mode. Previously mentioned, 1.2[kW] battery charger was designed for the 0.2[C-rate] constant current and 50.7[V] constant voltage control of 48[V]/100[Ah] battery bank, and 4[kW] Bi-directional DC/DC converter for boosting the charged energy of battery bank and three-phase voltage source inverter were designed. The designed energy conversion systems verified the validity of results through presenting the experimental results depending on the driving modes of electric vehicle. 전 세계 대부분의 자동차를 생산하는 선진국 및 완성차 업체에서는 자동차의 화석연료 사용을 줄이기 위해 전기자동차 개발에 많은 투자를 하고 있다. 특히, 배터리의 기술이 비약적으로 발전하면서 순수 전기에너지만으로 동력을 발생하는 전기자동차의 구현이 가능하게 되었다. 이와 관련하여 차량에 탑재된 배터리 뱅크를 계통전원으로부터 충전시키기 위한 배터리 충전기는 필수적이다. 배터리 충전기는 기존 내연기관의 연료탱크에 화석연료(석유자원)를 주입하는 것과 같은 의미로 계통전원의 전기에너지를 이용하여 배터리 뱅크를 충전시키는 장치이다. 이 장치는 입력단 역률제어와 배터리 뱅크를 충전하기 위한 전력변환장치를 필요로 하며, 일반적으로 다이오드 정류기와 DC/DC 컨버터로 구성되거나 단일 구조의 AC/DC PWM 컨버터로 구성된다. 다이오드 정류기와 DC/DC 컨버터로 구성된 충전기의 경우 배터리의 전압 크기에 따라 승압형과 강압형 DC/DC 컨버터를 사용하여 배터리 충전 및 입력단 역률제어를 수행한다. 반면에 AC/DC PWM 컨버터의 경우 다이오드 정류기 부분을 제거하고 단일 구조(단상의 경우 풀-브리지 컨버터 형태)의 전력용 반도체 스위칭 소자로 회로를 구성하여 배터리 충전과 입력단 역률제어를 수행한다. 또한, 배터리 뱅크에 충전된 에너지를 이용하여 차량 구동용 전동기를 제어하기 위해서는 사용되는 전력변환장치의 구조는 크기 2종류로 분류된다. 첫 번째 구조는 배터리 뱅크의 전압 및 용량이 큰 경우로 배터리 뱅크를 인버터의 입력으로 직접 사용하여 전동기 구동에 필요한 전원을 공급하거나 차량 제동 및 급정거 시 전동기로부터 회생되는 에너지를 단순히 인버터의 정류동작(인버터를 구성하는 IGBT의 역병렬 다이오드에 의해 정류동작 됨)에 의해 배터리 뱅크로 충전한다. 두 번째 구조는 배터리 뱅크의 전압 및 용량이 상대적으로 낮은 경우로 양방향 직류 변환장치를 사용하여 차량 기동 시 인버터의 직류링크단에서 요구하는 전압으로 승압하여 사용하거나 회생 운전 시 전동기로부터 발생되는 에너지를 양방향 직류 변환장치를 통해 배터리 뱅크로 충전한다. 본 논문에서는 전기자동차에 사용되는 전력변환장치인 배터리 충전기와 양방향 직류 변환장치 그리고 차량 구동용 매입형 영구자석동기 전동기의 벡터제어를 수행하기 위한 3상 전압형 인버터를 설계하고 설계된 전력변환장치들을 사용하여 차량 주행모드에 따른 연계운전을 수행하였다. 배터리 충전기의 경우 단상 상용전원을 입력으로하여 12[V] 납축전지 4개로 직렬구성 된 48[V](충전 설정전압 : 50.7[V] / 최대 충전 허용전압 : 59.2[V]) 배터리 뱅크를 충전하는 장치로 AC/DC PWM Buck Converter를 적용하여 설계하였다. 사용된 배터리 뱅크의 경우 48[V]/100[Ah]의 용량을 갖으며 정전류 제어 시 0.2[C-Rate]인 20[A]로 충전하였다. 양방향 직류 변환장치는 3상 인터리브드 방식으로 구성된 Buck-Boost DC/DC 컨버터를 적용하여 설계하였다. 설계된 컨버터는 전동기 구동 시 출력전압(인버터의 직류링크 전압)을 250[V]로 일정하게 정전압 제어하고, 이와 동시에 각 상의 인덕터에 흐르는 전류의 평균값을 동일하게 하는 전류평형제어를 수행한다. 또한, 차량 제동 및 급정거 시 전동기로부터 발생되는 회생 에너지에 의해 인버터 직류링크 전압이 지속적으로 상승하여 커패시터가 과전압에 의해 소손되는 것을 방지하기 위해 회생 에너지를 배터리 뱅크에 순시적으로 충전할 수 있도록 제어하였다. 특히, 회생 모드 시에도 양방향 직류 변환장치의 순시적인 승압 및 강압모드 동작에 의해 인버터의 직류링크 전압은 230-270[V]의 일정 범위에서 제어된다. 이러한 DC/DC 컨버터의 운전 특성으로 인하여 인버터의 직류링크 전압은 안정화되고, 이에 따라 회생모드가 끝나고 다시 주행모드로 동작 시 인버터의 직류링크단 전압이 일정 범위 안에서 제어되고 있기 때문에 벡터제어를 수행하는데 보다 안정적이다. 앞서 언급하였듯이 본 논문에서는 48[V]/100[Ah] 배터리 뱅크를 0.2[C-Rate]로 정전류 제어 및 50.7[V]의 정전압 제어를 수행하기 위한 1.2[kW]급 배터리 충전기를 설계하였으며, 충전된 배터리 뱅크 50.7[V]로부터 3.7[kW]급 매입형 영구자석 동기전동기를 구동하기 위해 직류링크단 250[V]로 전압을 승압하거나 회생에너지를 충전하기 위한 4[kW]급 양방향 직류 변환장치 및 3상 전압형 인버터를 설계하였다. 설계된 전력변환장치들은 전기자동차의 주행모드(정지 시 배터리 충전, 차량 기동 및 제동)에 따른 연계운전을 통해 실험 결과를 제시함으로써 이론적인 결과의 타당성을 검증하였다.

출력 인덕터가 없는 위상천이 풀 브리지 컨버터를 이용한 3.3kW 플러그인 하이브리드 전기자동차 탑재형 충전기

강민혁 성균관대학교 일반대학원 2017 국내석사

최근 세계 각국은 화석에너지 사용으로 인한 탄소배출문제와 고유가로 인한 고연비 자동차에 대한 요구를 충족하기 위하여 친환경 자동차 개발에 역량을 집중하고 있다. 배터리 저장기술의 발달과 모터제어 기술의 발달로 인하여 전기자동차에 대한 관심이 높아지고 있으며, 그 중에서 순수 전기자동차(BEV) 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV)는 고전압 배터리로부터 모터를 직접 구동하는 자동차로 상용화에 대한 관심이 매우 높다. BEV 및 PHEV의 주동력원이 고전압 배터리이기 때문에 고밀도 2차 전지에 대한 기술개발과 함께 고성능 충전장치에 대한 기술개발도 함께 진행되고 있다. 탑재형 충전기(OBC)는 광범위한 출력전압을 낼 수 있는 고성능 고출력 특성을 비롯하여, 고역률, 고효율 등의 충전특성과 차량 주행시 전기적 동작을 하지 않으므로 소형화, 경량화 등의 비충전 특성이 동시에 요구된다. 따라서 고성능, 고효율, 고전력 밀도의 탑재형 충전기 특성을 달성하기 위해 고주파 스위칭이 필요하고 스위칭 손실을 저감시키기 위하여 공진형 컨버터 토폴로지를 이용한 영전압 스위칭기법(ZVS)이 요구된다. 최근 테슬라에서 출시하는 전기자동차는 주행거리를 늘이기 위해서 배터리 용량을 크게 높이고, 이로 인해 탑재형 충전기가 6.6kW와 9.9kW의 대용량으로 변화하고 있는 추세이지만, 가정용 전원으로 충전하기에 단상 교류전원으로부터 30A, 45A의 대전류가 요구되어 충전 인프라 보급이 어떻게 전개될지 관심이 집중되고 있다. 이에 비해 PHEV는 기존 HEV 차량에 모터와 배터리 용량을 높였지만 연료에 의한 주행도 가능하므로 배터리를 크게 높이지 않고 20, 30, 40km 주행이 가능하도록 배터리가 설계되어 탑재형 충전기는 3.3kW가 가장 적합하다. 본 논문에서는 탑재형 충전기의 고효율, 고역률, 고출력밀도 및 광범위한 전압을 얻기 위해 위상천이방식을 적용한 풀 브리지 컨버터를 이용하여 3.3kW 출력의 충전기를 설계하였다. 일반적인 영전압 스위칭 위상천이 풀 브리지 컨버터는 트랜스포머의 누설 인덕턴스에 저장된 에너지를 이용하여 스위칭 소자 기생 커패시턴스 의 에너지 충방전으로 영전압 스위칭을하는 방식이다. 그러나 이와 같이 영전압스위칭은 손실 저감에는 효과적이지만, 누설인덕턴스에 저장된 에너지가 충분하지 못하면 트랜스포머 1차측 풀 브리지 회로에서 지상 래그 스위칭 소자는 영전압 스위칭 조건을 만족시킬 수 없다. 이를 만족시키기 위해서는 누설인덕턴스가 커야 하는데 누설인덕턴스를 크게 하면 듀티손실이 커져서 트랜스포머 2차측 턴비가 증가하게 되고 이로 인하여 2차측 정류다이오드에 서지전압이 크게 발생하게 된다. 이렇게 2차측에서 발생되는 서지전압을 억제하기 위하여 스너버 회로를 추가하지만 이는 효율 저감의 요인이 된다. 따라서 많은 연구개발자들이 2차측 서지전압을 개선하기 위하여 다양한 연구를 수행하고 있지만 입력전압보다 출력전압이 높은 사양에서는 아직도 어려움이 많다. 본 논문에서는 상기 문제를 해결하기 위하여 기존 위상천이 풀 브리지 회로 2차측 출력 인덕턴스를 1차측으로 옮겨서 누설 인덕턴스의 역할에 출력 인덕턴스 합의 에너지가 스위칭 소자의 기생 커패시턴스를 통해 방전시키게 함으로써 지상 래그 스위치도 영전압스위칭이 가능하게 하였다. 또한 출력 인덕턴스를 1차측로 옮김으로써 2차측 정류다이오드와 출력 커패시터가 직접 보이게 하여 2차측 정류다이오드에 발생하는 서지전압을 출력 커패시터가 클램프 역할을 하도록 하였다. 정류 다이오드가 출력전압으로 클램핑 되도록 함으로써 서지문제를 해결하고 고전압 출력과 고효율이 가능하게 하였다.