전기차 완속 충전기의 회로도 (제어기와 컨버터)

환경오염 및 소음 문제를 해결

하기 위해 내연기관차를 대신할 수 있는 전기 차의 보급이 확산되고 있고 주행거리가 짧은 전기차의 단점을 보완하기 위해 충전 인프라의 보급 또한 활발히 이루어 지고 있는데 충전 인프라는 크게 전력 공급설비 충전기 인터페이스 정보시스템 등으로 구성되며 이 중 충전기에 전 력을 공급하는 충전기의 고효율 및 고 전력 충전 기술이 중요하며 완속 충전 방식은 충전기의 케이블을 차량에 연결하여 AC 220 V를 차량에 공 급하는 방식으로 차량 내에 탑재되어 있는 OBC를 통해 전기차 배터리를 충전 하는데 완속 충전기는 일반적으로 7.7 kW 이하로 용량이 크지 않기 때문에 충전 시간이 오래 걸려 급속 충전을 필요로 하지 않는 가정 직장 및 공공기관에 주 로 설치되고 완속 충전기에서 AC 전압을 DC 전압으로 정류하기 위해 단상 전원 용 정류 회로가 필요한데 정류 회로 중 구성 및 제어가 간단하고 효율이 우수한 PFC 컨버터가 정류 회로로 많이 사용되고 PFC 컨버터는 비교적 간단한 제어 방법 으로 입력 전류의 역률과 고조파를 제어할 수 있는 장점이 있으며 입력 전류를 제어하기 위해 기존에는 PI 제어기를 많이 사용했고 PI 제어기의 느린 동특성에 의해 영전류 부분에서 전류의 왜곡이 발생하게 되고 이 문제는 역률 과 고조파에 악영향을 미치며 입력 전류의 품질을 향상 시키기 위한 연구들이 활발히 이루어지고 있고 본 논문에서는 PI 제어기를 사용했을 때 발생하는 전류 왜곡에 대해 분석하 고 이를 개선하기 위해 시스템 모델 기반의 예측 제어 방법을 제안하며 제안 하는 알고리즘은 전류 연속 모드Continuous current mode CCM와 전류 불연속 모드Discontinuous current mode DCM를 판별하고 모드 별 지령 전류를 추종할 수 있는 최적의 듀티를 출력합니다.

 

완속 충전기의 정류 회로

완속 충전기는 단상 계통을 전원으로 사용하기 때문에 AC 전압을 DC 전압 으로 정류 하기 위해 단상 전원에 적합한 정류 회로가 필요하고 정류 회로는 PWM 컨버터와 PFC 컨버터로 구분할 수 있고 PWM 컨버터의 회로 를 나타내는데 풀-브릿지로 구성된 단상 PWM 컨버터는 가장 기본적인 구조이며 스위치 소자를 4개 사용하기 때문에 양방향 전력 전달이 가능하고 4개의 능동 소자를 독립적으로 제어하기 위해 각각의 게이트 드라이버 회로가 필요하며 벡터 제어를 하기 위해 계통의 위상각 검출 알고리즘과 전원 전압과 전류의 동 기 좌표 변환이 사용되고 벡터 제어를 통해 무효 전력과 유효 전력을 독립적 으로 제어할 수 있기 때문에 역률을 제어할 수 있고 전류의 고조파를 능동적으 로 제어할 수 있는 장점이 있고 PFC 컨버터 회로를 나타내는데 PFC 컨버터는 계통의 단위 역률과 전류의 낮은 THD Total harmonic distortion를 목적으로 사용되다가 다양한 종류의 PFC 컨버터가 있지만 브릿지리스 PFC 컨버터와 부스트-타입 PFC 컨버터가 주 로 사용되는데 브릿지리스 PFC 컨버터의 회로는 PWM 컨버터와 유사하고 PWM 컨버터의 상단 스위치가 다이오드로 변경된 구조로 단방향 전력 전달만 가능하며 PFC 컨버터는 일반적으로 벡터 제어를 하지 않 기 때문에 제어가 간편한 장점이 있고 브릿지리스 PFC 컨버터는 계통 전압의 방향에 따라 한 레그의 스위치만 동작하고 부스트 컨버터와 유사하게 동작하는데 부스트-타입 PFC 컨버터의 회로를 나타내고 부스트-타입 PFC 컨 버터는 단상 다이오드 정류기와 부스트 컨버터로 구성되고 스위치 소자가 가장 적게 사용되면서 단상 정류기를 통해 정류된 전압을 부스트 컨버터가 목표 전압 까지 승압합니다.

 

완속 충전기 정류 회로의 제어기 구성

완속 충전기에서 DC/DC 컨버터는 배터리의 충전을 위해 CC Constant current 또는 CV Constant voltage 제어를 수행하기 때문에 충전 제어 의 안정성을 위해 AC/DC 컨버터는 DC/DC 컨버터의 입력 전압을 일정하게 유 지하기 위해 직류단 전압 제어를 수행하고 PFC 컨버터의 제어 블 록도를 나타내는데 PFC 컨버터의 제어기는 이중 루프 제어기로 구성되고 PFC 컨 버터는 직류단 전압을 일정하게 제어해야 하기 때문에 상위 제어기로 직류단 전압 제어기가 사용되고 직류단 전압을 안정적으로 제어하기 위해 하위 제어기 로 전류 제어기가 사용되며 하위 제어기는 상위 제어기 보다 높은 대역폭을 가져야 하고 각각의 제어기는 독립적으로 설계되는데 단위 역률 제어를 위해 부 스트 컨버터는 인덕터의 전류를 전원 전압과 동상의 정현파 형태로 제어해야 하고 다이오드 정류기 출력 전압을 통해 정류된 정현파를 얻을 수 있고 여기 에 전압 제어기의 출력인 전류 지령의 크기를 곱하면 전원 전압과 동 위상의 전류 지령을 만들 수 있으며 전류 제어기가 교류 형태의 전류 지령을 잘 추종 한다면 PFC 컨버터는 단위 역률 제어를 할 수 있습니다.

 

 

대부분의 PFC 컨버터

전류 제어기로 PI 제어기를 사용하는데 전류 제어기는 하위 제어기로 사용되기 때문에 전압 제어기보다 대역폭이 높아야 하고 제어의 안정성과 동특성을 고려하여 일반적으로 스위칭 주파수의 1/20 ~ 1/10 범위 내에서 대역폭을 선정합니다.

 

PI 제어기를 전류 제어

사용할 경우 입력 전류가 영 전류 부분에서 왜곡되 는 문제가 발생하는데 입력 전류 왜곡의 원인은 크게 두 가지가 있고 입력 전류가 영 전류 부분에서 왜곡되는 첫 번째 이유는 PI 제어기의 느린 동특성이고 일반적으로 PI 제어기의 대역폭은 스위칭 주파수의 1/20 ~ 1/10 범 위 내에서 선정되고 전류 제어기의 동특성은 대역폭에 의해 결정되기 때문에 전류 제어기의 동특성은 제한을 받게 되며 PI 제어기는 DC 성분 제어에 특화 된 제어기로 AC 성분의 주파수가 높을수록 제어의 성능이 떨어지면서 PFC 컨버 터의 전류 지령은 AC 성분으로 입력 전원 주파수의 2배를 갖기 때문에 전류 제어기는 영 전류 부분에서 지령을 잘 추종하지 못하고 전류에 왜곡이 발생하며 PI 제어기의 느린 동특성을 보완하기 위해 듀티를 전향 보상하는 방법이 제 안되었습니다.

 

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