전기 자동차 고효율 충전을 위한 단일 정량화 기반의 SC-CV 충전기법의 적용 = Application of Single Quantification-based on SC-CV Method for High-efficiency Charging of Electric Vehicles

국문 초록 (Abstract)

전기 자동차 고효율 충전을 위한 새로운 SC-CV 충전기법의 적용

최근 친환경적 정책에 따라 기존의 내연 기관차에서 전기 자동차의 전환이 가속화되고 있다. 전기 자동차는 배터리가 공급하는 전기에너지를 에너지원으로 사용하므로 이를 충전하기 위한 배터리 충전 알고리즘이 현재까지 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage), BC-CV(Boost Current-Constant Voltage), MCC-CV(Multistage Constant Current-Constant Voltage), PC(Pulse-Charging) 기법 등 다양한 방식으로 연구되어 왔다. 하지만, 전기 자동차 사용자들의 충전하는 환경이 주거 및 직장, 휴게소, 백화점 등 다양해지는 상황에 따라 요구되는 충전 알고리즘이 다르므로 다양한 충전 알고리즘의 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
본 논문은 배터리의 충전상태를 나타내는 SOC(State of Charge)와 배터리의 충․방전 전류량을 나타내는 C-rate(Current-rate)를 단일 정량화한 궤적을 이용한 전류 기반의 새로운 SC 충전 알고리즘과 배터리의 허용 전압을 넘지 않기 위한 CV 기법을 혼용한 SC-CV 충전기법을 제안한다. SC-CV 충전 기법의 효과를 검증하기 위해 최대 C-rate가 1[C] 일 때를 가정하여 모의실험을 진행하였으며, 타당성을 입증하기 위해 모의실험을 통해 CC-CV 충전 기법 및 MCC-CV 충전 기법과 다양한 조건에서의 특징을 비교‧분석 하였다.
그 결과, SC-CV 충전기법을 낮은 C-rate에서 CC-CV 충전 기법과 비교하였을 때 전력손실이 감소되었으며 높은 C-rate에서 사용될 경우 충전 시간 면에서 CC-CV 충전 기법과 거의 동일한 결과를 보였다. 이러한 SC-CV 충전 기법의 결과는 MCC-CV 충전 기법과 상보적인 특성을 보였으며 MCC-CV 충전 기법보다 충전 시간과 전력 손실량 면에서 모두 우위를 갖는 C-rate 범위가 존재하였다. 이를 통해 특정 C-rate 범위에서는 MCC-CV 충전 기법보다 SC-CV 충전 기법이 효율적이라 판단할 수 있었다.
이에 따라, SC-CV 충전 기법은 전기 자동차 충전 인프라를 구성하는데 있어 기존 방식과는 다른 새로운 충전 방식으로 고려될 수 있으며, 사용될 특정 C-rate 범위에서는 MCC-CV 충전 기법보다 SC-CV 충전 기법을 사용하는 것이 효율적이라고 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Application of Single Quantification-based on SC-CV Method for High-efficiency Charging of Electric Vehicles

Cho, Yoon Sun
Advised by Prof. Shon, Jin Geun
Dept. of Electrical Engineering
Graduate School of
Gachon University

Recently, due to eco-friendly policies, the transition from internal combustion engine vehicles to electric vehicles is accelerating. Since an electric car uses electric energy supplied by a battery as an energy source, a battery charging algorithm for charging it has been studied in various ways until now. However, as the charging speed and environment for each electric vehicle user varies, the charging algorithm requires to be adaptive to different charging environment. Which means, additional research on various charging algorithms is needed.
In accordance with the purpose stated above, this paper quantifies the SOC(State of Charge) indicating the state of charge of the battery and the C-rate indicating the amount of charge/discharge current of the battery in a single quantification. This paper proposes a SC-CV charging method that is mixed with the CV method to avoid this. In order to verify the effect of the SC-CV charging method, a simulation was conducted assuming that the maximum C-rate is 1 [C]. To prove the validity, the CC-CV charging method and MCC-CV charging were conducted through simulations. Methods and characteristics under various conditions were compared and analyzed.
As a result, when SC-CV charging method was compared with CC-CV charging method at low C-rate, power loss was reduced, and when used at high C-rate, CC-CV charging method showed almost the same results in terms of charging time.
The results of the SC-CV charging method showed complementary characteristics to the MCC-CV charging method, and there was a C-rate range that had superiority over the MCC-CV charging method in terms of charging time and power loss. It could be determined that it is more efficient to use the SC-CV charging method than the MCC-CV charging method in a specific C-rate range.
Accordingly, the SC-CV charging method can be considered as a new charging method different from the existing method in constructing the electric vehicle charging infrastructure, and the SC-CV charging method is used rather than the MCC-CV charging method in the specific C-rate range to be used which is considered to be effective.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장. 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 연구의 동향 및 필요성 2
• 1.3 연구의 목적 및 구성 5
• 제 2장. 다양한 전기자동차용 배터리의 특성과 충전 기법 6
• 2.1 전기자동차용 2차전지의 구조 및 특성 6
• 2.2 전기자동차용 배터리 충전기의 구조 8
• 2.3 배터리의 충전 알고리즘 10
• 2.3.1 CC-CV 충전 기법 10
• 2.3.2 MCC-CV 충전 기법 12
• 2.3.3 BC 기법 13
• 2.3.4 PC 기법 14
• 제 3장. SOC, C-rate 단일 정량화를 통한 새로운 충전 기법 15
• 3.1 SOC 및 C-rate 정의 15
• 3.1.1 SOC란 15
• 3.1.2 C-rate란 16
• 3.2 새로운 SC-CV 충전 기법 17
• 3.2.1 SOC와 C-rate의 정량화 17
• 3.2.2 SOCb와 Cb를 이용한 SC 충전 기법 설계 18
• 3.2.3 SC 충전 기법의 효과 검증 모의실험 21
• 3.2.4 SC-CV 충전 기법의 설계 및 모의실험 23
• 제 4장. 제안된 SC-CV 충전 기법의 적용 검증 26
• 4.1 SC-CV 충전기법을 적용한 모의실험의 조건 및 진행 방법 26
• 4.2 SC-CV 충전기법을 적용한 C-rate 가변에 따른 모의실험 결과 27
• 4.2.1 최대 C-rate가 0.3C일 때의 모의실험 결과 27
• 4.2.2 최대 C-rate가 0.5C일 때의 모의실험 결과 28
• 4.2.3 최대 C-rate가 1.0C일 때의 모의실험 결과 30
• 4.2.4 최대 C-rate가 1.5C일 때의 모의실험 결과 31
• 4.2.5 최대 C-rate가 2.0C일 때의 모의실험 결과 32
• 4.2.6 최대 C-rate가 2.5C일 때의 모의실험 결과 34
• 4.2.7 최대 C-rate가 3.0C일 때의 모의실험 결과 36
• 4.2.8 최대 C-rate가 3.5C일 때의 모의실험 결과 37
• 4.2.9 최대 C-rate가 4.0C일 때의 모의실험 결과 39
• 4.2.10 최대 C-rate가 4.5C일 때의 모의실험 결과 40
• 4.3 SC-CV 충전기법을 적용한 모의실험 결과 비교·분석 42
• 제 5장. 결 론 48
• 참고 문헌 50
• ABSTRACT 53