2-Trans를 적용한 전기자동차 통합 충전 시스템의 LDC 단독 운전 시 경부하 손실 저감에 관한 연구 = Light-Load Loss Reduction for Standalone LDC Operation in 2-Trans Based EV Integrated Charging Systems

국문 초록 (Abstract)

환경 문제에 대한 국제적 관심이 높아지고 탄소배출 및 에너지 소비에 관한 규제가 강화되면서, 전 세계 선진국 및 완성차 업계를 중심으로 친환경 에너지를 기반으로 한 전기자동차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 리튬(Li) 화합물 배터리의 발전으로 전기자동차의 주행거리 향상을 위한 에너지 저장 용량 이 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 대용량 배터리를 신속하고 효율적으로 충전하기 위한 전력 변환 시스템의 중요성이 더욱 커지고 있다. 이러한 고전 압 배터리를 충전하기 위해 차량 내부에는 탑재형 충전기(On-Board Charger, OBC)가 적용된다. OBC는 차량 내 제한된 공간에 설치되며 충전 속도에 직접적 인 영향을 미치기 때문에 고전력밀도 및 고효율 특성이 요구된다. 또한 전기자동차 내부에는 전장 부품 구동을 위해 고전압 배터리의 전력을 저전압으로 변환하는 저전압 DC-DC 변환기(Low Voltage DC-DC Converter)가 필수적으로 포함 된다. LDC는 주행 중 상시 동작하며 차량의 전비와 밀접하게 연관되어 있으며 OBC와 마찬가지로 소형화 및 고효율화가 요구된다. 최근 OBC와 LDC의 전력 변환 기능을 통합하여 부품 수를 줄이고 전력밀도를 향상시키기 위한 통합형 충 전 시스템(Integrated Charging Control Unit, ICCU)에 관한 기술이 활발히 연구되고 있다. 기존 ICCU는 3권선 변압기를 통해 OBC와 LDC의 전력 변환을 단일 자성체에서 수행하며, OBC 2차 측 인버터와 LDC 측 인버터를 공유함으로써 부품 수 감소와 전력밀도 개선의 장점을 제공한다. 그러나, 하나의 변압기 내에 3개의 서로 다른 전력 사양의 출력단이 집중되어 권선 간 복잡한 자기 결합 특 성이 발생하여 설계 및 모델링 난이도가 상승된다. 또한 제한된 창면적 내에서 구성되어야 하므로 권선 배치, 절연 설계, 인덕턴스 매칭 등의 설계 유연성이 감소한다는 단점이 있다. 특히, LDC 단독 운전의 경부하 영역에서는 고출력 기반으로 설계된 3권선 변압기의 철손이 지배적으로 작용하게 되면서 전체 시스템 효율이 크게 저하되는 문제가 발생하게 된다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 OBC와 LDC 각각에 독립된 변압기를 적용하는 2-Trans 구조의 통합 충전 시스템을 제안한다. 제안하는 방식은 인버터 통합을 통한 부품 수 절감의 장점을 보존하는 동시에, OBC 및 LDC 변 압기의 설계를 독립적으로 최적화할 수 있어 LDC 단독 운전 경부하 영역에서 변압기 철손을 효과적으로 저감할 수 있다. 제안하는 방법을 통해 14kW급 프로토타입을 제작하였으며, 실험 결과 최대 33%의 LDC 단독 운전 경부하 손실 개 선 및 최대 16.5%의 전력밀도 향상을 달성하였다. 또한 LDC 단독 운전뿐만 아니라 OBC-LDC 동시 동작 모드도 검증함으로써 제안하는 방식의 타당성 및 운영 가능성을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With increasing global concern over environmental issues and the tightening of regulations on carbon emissions and energy consumption, research on electric vehicles (EVs) based on environmentally friendly energy has been actively pursued, particularly by developed countries and major automotive manufacturers. In particular, advancements in lithium (Li)-based battery technologies have led to a continuous increase in energy storage capacity to extend the driving range of EVs, thereby intensifying the importance of power conversion systems capable of rapidly and efficiently charging large-capacity batteries. To charge high-voltage batteries, an on-board charger (OBC) is installed inside the vehicle. Since the OBC is mounted in a space-constrained environment and directly affects charging speed, high power density and high efficiency are essential design requirements. In addition, EVs require a low-voltage DC–DC converter (LDC) to supply power to various electrical components by converting energy from the high-voltage battery to a low-voltage level. The LDC operates continuously during vehicle
operation and is closely related to overall vehicle energy efficiency; thus, compact size and high efficiency are also critically demanded.
Recently, integrated charging systems, referred to as integrated charging control units (ICCUs), which combine the power conversion functions of the OBC and LDC to reduce component count and improve power density, have been actively studied. Conventional ICCUs employ a three-winding transformer to perform OBC and LDC power conversion within a single magnetic component and share the OBC secondary-side inverter with the LDC-side inverter, offering advantages in terms of reduced component count and enhanced power density. However, concentrating three output ports with different power ratings within a single transformer leads to complex magnetic coupling among windings, significantly increasing design and modeling complexity. Moreover, the limited window area restricts winding arrangement, insulation design, and inductance matching, resulting in reduced design flexibility. In particular, during light-load operation in
the LDC-only mode, core losses of the high-power-rated three-winding transformer become dominant, causing a substantial degradation in overall
system efficiency. To address these issues, this paper proposes a two-transformer (2-Trans) integrated charging system that applies independent
transformers to the OBC and LDC, respectively. The proposed architecture preserves the advantage of reduced component count through inverter integration while enabling independent optimization of the OBC and LDC transformers. As a result, transformer core losses can be effectively reduced in the light-load region during LDC-only operation. A 14-kW-class prototype was fabricated to validate the proposed system, and experimental results demonstrate up to a 33% reduction in light-load losses during LDC-only operation and a maximum improvement of 16.5% in power density. Furthermore, both LDC-only operation and simultaneous OBC–LDC operation modes were experimentally verified, confirming the feasibility and practical applicability of the proposed approach.

목차 (Table of Contents)

• 그림 목차 ⅱ
• 표 목차 ⅲ
• 1. 서론 1
• 가. 연구 배경 및 필요성 1
• 나. 연구 목적 및 방법 6
• 다. 논문의 구성 7
• 2. EV 전력변환 시스템 연구 동향 8
• 가. OBC 연구 동향 8
• 나. LDC 연구 동향 12
• 다. 통합형 OBC-LDC 연구 동향 13
• 3. 제안하는 2-Trans를 적용한 통합 충전 시스템 16
• 가. 제안하는 2-Trans 시스템 16
• 나. 제안하는 시스템 등가회로 분석 19
• 다. 동작모드 분석 22
• 라. 동작 원리 및 제어 방식 24
• 4. 제안하는 시스템의 설계 방법 36
• 가. 시스템 사양 분석 36
• 나. OBC 설계 37
• 다. LDC 설계 40
• 5. 실험 및 결과 43
• 가. 프로토타입 제작 43
• 나. 실험 결과 46
• 6. 결론 53
• 참고문헌 55
• Abstract(영문초록) 58