전기차 급속 충전기와 완속 충전기의 차이점

 

전기차 개발 초

국가 및 전기차 제조사에 따라 충전 전압과 충전 인터페 이스가 제각각 이어서 충전기도 개발 초기 이를 만족하기 위한 연구가 많이 진 행되었는데 전기차 보급 확산에 따라 충전 인터페이스와 관련된 주요 표 준이 확립되면서 충전기의 고효율 및 소형화에 대한 관심이 높아지고 있고 특 히 급속 충전기의 경우 고효율 및 소형화를 위해 충전기를 모듈형으로 개발하 고 있는 추세이는데 단일형 충전기의 경우 고 전력을 달성하기 위해 대 용량 반도체를 사용하게 되고 이로 인한 스위칭 손실이 크게 발생하여 방열 설 비가 커지고 필터로 사용되는 수동 소자의 부피가 크기 때문에 시스템의 소형 화 및 고효율 달성에 한계가 있고 모듈형 충전기는 보통 15 kW 단위의 충전기 모듈을 병렬로 연결하여 구성되는데 충전기 모듈의 용량이 작아 소용량 반도체 소자의 사용이 가능하고 높은 스위칭 주파수를 통해 시스템의 소형화 및 고효율이 가능하고 또한 단일형 충전기는 충전기의 용량에 맞은 시스템 설 계 및 제작이 필요하지만 모듈형 충전기는 모듈 수를 통해 쉽게 용량 확장이 가능하며 충전기의 소형화 및 고효율에 대한 관심이 높아지며 이제 대한 제어 기술에 대한 관심도 높아지고 있는 상황이면서 충전기는 기본적으로 계통과 연계되는 시스템으로 계통연계 규정을 만족하고 고효율 달성을 위한 제어 기술이 필요하 고 본 논문에서는 계통의 전류 품질을 개선하고 충전기의 고효율을 달성하기 위해 전기차 충전기 정류 회로의 제어 기술에 대한 방법을 제안합니다.

 

전기차 충전기

전력 품질 개선 및 고효율 달성을 위한 정류 회 로의 제어 기법을 제안하고 계통 연계 시스템에서 전력의 품질은 전류의 전고 조파왜율Total harmonic distortion THD에 따라 결정되기 때문에 이를 위한 제어 기법이 중요하며 본 논문에서는 계통 전류 품질 개선을 위한 완속 충전기 정 류 회로의 제어 방법과 전류 품질 개선 및 고효율 달성을 위한 급속 충전기 정 류 회로의 제어 방법을 제안하였습니다.

 

완속 충전기

는 보통 7 kW 이하의 소 용량으로 단상 계통을 전원으로 사용하 여 풀-브릿지 컨버터 브릿지리스 PFC 컨버터 부스트-타입 PFC 컨버터가 정류 회로로 많이 사용되지만 시스템의 고효율 달성이 가능하고 구성이 간단한 부스 트-타입 PFC 컨버터가 주로 사용하게 되는데 부스트-타입 컨버터는 단상 다이 오드 정류기와 부스트 컨버터로 구성이 되고 부스트 컨버터의 스위치를 통해 계통 전류를 제어하는데 일반적으로 PFC 컨버터는 PI 제어기를 사용하여 전류를 제어하지만 두 가지 이유로 인해 영 전류 부분에서 왜곡이 발생하고 이는 역률 및 전류의 THD에 악영향을 미치고 첫 번째 이유는 PI 제어기의 느린 동특성이고 PI 제어기는 DC 성분 제어에 특화된 제어기로 AC 성분의 주파수 가 높을수록 제어 성능이 떨어지고 정상상태 오차가 존재하여 전원 주파수를 가진 계통 전류에 왜곡이 발생하게 되며 특히 전류의 변화가 가장 큰 영 전류 부분에서 왜곡이 심하게 발생하며 두 번째 이유는 PFC 컨버터의 모드 변환이 고 PFC 컨버터는 전류 리플 크기와 부하에 따라 전류 연속 모드와 전류 불연 속 모드가 존재하며 PI 제어기를 사용할 경우 전류 불연속 모드에서 평균 전류 제어를 하지 못하고 이로 인해 전류에 왜곡이 발생하는데 전류 불연속 모드는 영 전류 부분 주로 발생하기 때문에 이 부분에서 전류 왜곡이 심해지는데 이러 한 전류 왜곡은 전력 품질에 중요한 요소인 역률과 THD에 악영향을 미치기 때 문에 전류 왜곡 개선을 위한 제어 기법이 필요하고 본 논문에서는 전류 왜곡의 개선을 위한 시스템 모델 기반의 예측 제어 방법 을 제안하는데 시스템 모델과 전압 및 전류의 측정값을 통해 다음 상태의 전류 를 예측 할 수 있고 이를 통해 지령 전류를 추종하기 위한 최적의 듀티를 얻을 수 있고 제안하는 방법은 빠른 동특성을 갖고 두 전류 모드에서 평균 전류 제 어가 가능하여 전류의 왜곡을 개선할 수 있고 시뮬레이션과 실험을 수행하여 제안하는 제어 기법의 타당성 및 성능을 검증합니다.

 

급속 충전기

50 kW 이상의 대 용량으로 삼상 계통을 전원으로 사용하여 2- 레벨 컨버터와 3-레벨 컨버터가 정류 회로로 많이 사용되지만 시스템의 고효율 및 소형화가 가능한 3-레벨 컨버터가 주로 사용되는데 계통과 연계되는 충전기는 계통에서 요구하는 고조파 성능을 만족하기 위해 계통연계 필터가 필 요하고 계통과 컨버터 사이에 인덕터를 삽입한 L-필터가 가장 기본적인 필터 이며 원하는 고조파 성능을 얻기 위해서 큰 인덕턴스가 필요하고 이는 시스템 부피 무게 및 비용을 증가시키는 요인이 되어 필터의 동량을 줄이고 고조파 성능을 만족 시킬 수 있는 LCL-필터가 계통연계 필터로 주로 사용되는데 LCL-필 터를 사용하면 인덕터와 커패시터에 의한 공진이 발생하고 이는 시스템의 안정 도에 악영향을 줄 수 있기 때문에 이를 고려한 필터 설계 및 제어 방법이 필요 하고 충전기의 효율을 향상 시키기 위해 고효율 토폴로지 및 전력 반도체를 사용 하는 방법이 있지만 이는 시스템의 재 설계가 필요하고 비용이 증가하지만 스 위칭 방법의 변경은 비교적 쉽게 효율을 향상 시킬 수 있고 고효율 스위칭 방 법으로 불연속 전압 변조 방법이 있고 그 중 60도 불연속 전압 변조 방법이 가 장 널리 사용되면서 이 방법을 사용하면 컨버터 출력 단에 많은 고조파 전압이 발생하게 되고 LCL-필터에 의한 공진 주파수 대역에 고조파 전압이 존재하면 계통 전류가 공진하는 문제가 발생하여 전력 품질을 저하시키는데 본 논문에서는 전류의 공진 문제를 해결하기 위한 개선된 불연속 전압 변조 방법을 제안하는데 전압 변조 신호의 불연속적인 변화에 의해서 컨버터 출력 단 에 많은 고조파 전압이 발생하고 제안하는 방법은 기존의 전압 변조 신호에 6 차 고조파를 주입하여 전압 변조 신호의 불연속적인 변화를 연속적으로 변화시 켜 컨버터 출력 단에 발생하는 고조파 전압의 저감을 통해 전류 품질을 개선하며 시뮬레이션과 실험을 수행하여 제안하는 방법의 타당성 및 성능을 검증합니다.

 

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