전기차 충전기 정류회로의 제어 기법

전기차 충전기 정류 회로의 제어 기법

제안하는데 전기차 충전기 는 충전 용량 용도 시간에 따라 완속 충전기와 급속 충전기로 구분되는데 본 논 문에서는 두 충전기 정류 회로의 제어 기법에 대한 연구가 진행되었으며 각 분야는 완속 충전기 정류 회로를 위한 예측 제어 기법과 급속 충전기 정류 회 로의 불연속 전압 변조 방법이고 첫 번째로 PFC 컨버터를 위한 모델 기반의 예측 전류 제어 방법을 제안하며 기존에는 PFC 컨버터 제어를 위해 PI 제어기를 주로 사용하였는데 PI 제 어기를 전류 제어로 사용하면 계통 전류 중 영 전류 부분에서 왜곡이 발생하고 이는 전력 품질에 악영향을 미치는데 PI 제어기의 느린 동특성과 평균 전류 제어 를 하지 못하는 문제로 인해 전류의 왜곡이 발생하며 본 논문에서는 전류의 왜곡을 저감하고 전력 품질을 개선할 수 있는 예측 제어 방법을 제안하고 제 안하는 방법은 시스템 모델을 기반으로 다음 상태의 전류를 예측하고 전류 지 령을 추종하기 위한 최적의 듀티를 출력하여 동특성이 빠르고 전류 연속 모드 와 불연속 모드에서 평균 전류 제어가 가능하여 전류 왜곡을 개선할 수 있고 두 번째로 LCL-필터를 사용하는 계통 연계 컨버터의 불연속 전압 방법을 제안 하고 LCL-필터를 계통 연계 필터로 사용하는 시스템에서 60도 불연속 전압 변 조 방법을 사용하면 전압 변조 신호가 직류단으로 고정되는 순간마다 전류가 공진하는 문제가 발생하다가 전압 변조 신호가 불연속적으로 변하는 순간에 컨 버터 출력단에 많은 고조파 전압이 발생하게 되고 이러한 고조파가 LCL-필터 에 의한 공진 주파수 대역에 존재하면 전류가 공진하고 전력 품질에 악영향을 주고 제안하는 방법은 6차 고조파를 전압 변조 신호에 주입하여 변조 신호의 불연속적인 변화를 연속적으로 변화시켜 컨버터 출력단에 발생하는 고조파 전 압을 저감할 수 있는데 공진 주파수 대역의 고조파 전압도 저감 되기 때문에 전 류의 공진 문제를 해결할 수 있고 전기차 충전기의 고효율 및 전력 품질 개선을 위해 두 가지 분야에서 제안된 방법들은 우선 시뮬레이션을 통해 성능을 확인하고 실험 세트에 최종적으로 적용 함으로써 타당성을 검증합니다.

 

최초의 전기차

디젤 또는 가솔린 엔진을 사용하는 내연기관차보다 먼저 고 안되었는데 1832년 스코틀랜드의 로버트 앤더슨이 발명한 원유 전기 마차가 전기 차 역사의 시작이고 그 후 1835년 네덜란드에서 작은 크기의 전기차가 만들어 졌고 1842년 미국과 영국에서 연달아 이전보다 실용적인 전기차 개발에 성공하 였지만 그 당시엔 전기차의 동력원인 전지의 충전이 불가능하여 상용화를 이 루지 못했는데 1865년 프랑스에서 충전이 가능한 축전지를 개발하면서 충전 가능 한 전기차 기술도 급속도로 발전하였고 1881년 프랑스 파리에서 연린 국제전기 박람회에서 3륜 전기차가 대중에 공개되었고 1884년에 영국인 발명가 토마스 파커에 의해 세계 최초라 불리는 전기차가 개발되었으며 2년 뒤인 1886년 상용 화에 성공하여 판매가 시작되었다가 가솔린 자동차보다 냄새가 적고 진동과 소 음이 적을 뿐 아니라 기어 조작이 필요하지 않아 전기차는 상류층 사람들에게 인기를 끌면서 1900년초에 전성기를 맞이했으나 배터리가 너무 무겁고 긴 충전 시간 때문에 운행에 제약이 있을 뿐만 아니라 1930년대에 가격이 싼 가솔린 자 동차의 대량생산이 가능해지면서 전기차는 사라지게 되었고 환경오염 문제로 인해 1990년대에 전기차가 다시 주목받기 시작하였는데 환경 오염 및 지구 온난화의 문제가 심각해지면서 이를 극복하기 위해 세계적으로 온실가스 배출 규제를 강화하고 있고 이산화탄소에 의한 대기오염물질 배출량 중 자동차에서 배출되는 오염물질이 31.4%로 가장 높은 비중을 차지하고 일산 화탄소 질소산화물 등의 많은 오염물질이 자동차에서 배출되는데 이러한 흐름에 서 자동차에 대한 연비 및 대기오염물질 배출 규제 강화가 나타나고 있고 날 로 엄격해지는 환경규제에 대응하기 위해 세계 각국과 자동차 생산업체들은 하 이브리드차 전기차 등 친환경 그린카 개발 및 보급에 주력하고 있으며 전 기차는 다음과 같은 장점을 가지고 있고 첫 번째 전기차는 주행 시 화석 연료 를 사용하지 않아 대기오염물질을 배출하지 않고 소음 및 진동이 적으며 두 번 째 전기 모터만 구동할 경우 충전 요금이 저렴하고 심야 전기를 이용할 경우 충전 비용을 더 낮출 수 있고 세 번째 사고 시 폭발의 위험성이 적어 안전하 고 네 번째 심야 전력으로 자택에서 충전이 가능하고 기어를 바꿔줄 필요가 없기 때문에 운전 조작이 간편합니다.

 

전기차가 내연기관차

대신하기 위해서 충전인프라 기술이 중요한데 내연 기관차에 비해 비교적 주행거리가 짧은 전기차의 단점을 보완하고 전기차 보급 과 연계하여 원활한 충전 및 운행을 위해 충전인프라 확충이 필요한데 충전 인프라는 크게 전력공급설비 충전기 인터페이스 충전정보시스템으로 구성되는데 이 중 전기차에 에너지를 공급하는 충전기 기술이 가장 중요하며 고 전력 및 고효율 충전 기술이 화두로 떠오르고 있으며 전기차의 충전 방식에는 직접 충전 무선 충전 배터리 교환 방식이 있지만 충전 효율이 효율이 높고 설치 비용이 적기 때문에 직접 충전 방식을 가장 많 이 사용한하는데 직접 충전 방식에는 크게 완속 충전과 급속 충전이 있고 완속 충전 방식은 충전기에 연결된 케이블을 통해 전기차에 교류 220 V를 공급 하고 차량 내에 있는 충전기를 통해 배터리를 충전하는 방식인데 급속 충전 방식은 충전기가 전기차와 제어 신호를 주고받으며 차량 외부에 존재하는 충전 기에서 제공하는 500 V 이하의 직류 전압을 통해 배터리를 충전하는 방식이고 급속 충전 방식은 보통 50 kW 이상의 고 용량 고 전압 충전으로 충전 시간이 30분 이내로 적게 소요되면서 급속 충전 방식은 완속 운전 보다 더 높은 전압과 전류를 전기차에 공급하기 때문에 충전 시간을 상당 시간 단축 시킬 수 있고 충전 시간 및 용도에 따라서 완속 충전기는 대부분 가정이나 공공기관에 설치 되고 있으며 급속 충전기는 전기차의 장거리 주행을 위해 전용 충전소에 주로 설치된다고 합니다.

 

참고문헌 : 전기차 충전기를 위한 정류 회로 제어 기술 (이교범 2018)