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[오토저널] 전기자동차용 통합형 온–보드 급속 충전기

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-09-09 01:17:39

본문

전기자동차의 보급을 확대하기 위한 가장 중요한 방법은 전기자동차의 충전전력을 증가시키는 것이다(20kW이상). 충전전력을 증가시키는 방법으로는, 기본적으로 아래 2가지 방법이 있다.

• 오프-보드 급속 충전
충전기는 다양한 종류의 차량에 의해 사용될 수 있으며, 차량 배터리에 직접 연결한다. 오프-보드 급속 충전기는 모든 충전 기능을 담당하고, 차량은 실시간 충전 요구 전력을 오프-보드 충전기로 전송한다. 차량과 충전기 사이에는 반드시 표준화된 통신을 통하여 충전에 필요한 정보를 공유한다. 이러한 오프-보드 방식은 충전 인프라에 대한 투자는 커지게 되나, 차량에 대한 투자는 최소화 되게 된다.

• 온-보드 급속 충전
완속 충전과 똑같이, 충전 기능은 차량에 내장된 충전기에 의해 시행된다. 충전소의 역할을 표준 3상 전력망을 통하여 충전기에 전원을 공급하는 것으로 충분하다. 해결 되어야 할 과제로는 기존의 완속 충전(단상 16A 또는 32A)뿐 아니라 급속 충전(3상 32A 혹은 64A)을 모두 구현할 수 있는 충전구조를 자동차 어플리케이션에 적합한 크기와 가격 경쟁력을 갖을 수 있도록 설계하는 것이다.

본 고에서는 온-보드 급속충전기의 구현과, 파워트레인 구성품의 공유에 의한 온-보드 급속 충전기 통합에 대해 설명하도록 한다.

통합형 온-보드 충전기 개요
대부분 전기자동차에는 주행을 위한 모터 구동 전용의 전력변환기와, 이와는 별도로 구성되는 배터리 충전을 위한 전력변환 모듈이 존재한다. 이러한 기존 구성에서는 어떠한 구동 모드이든 둘중 하나의 전력변환기는 대기상태를 유지한다.

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즉, 주행 중에는 충전기 기능을 담당하는 전력변환기, 배터리 충전 중에는 모터 구동을 담당하는 인버터가 사용되지 않게 되는 것이다. 통합 충전기 개념은 모터구동에 사용되는 부품들을 충전에 사용하는 기본 개념에서 출발하되, 충전 기능에 전용으로 필요한 추가적인 부품의 수를 최소화 하여야 한다.

통합 충전기는 다음과 같은 장점을 갖는다.

– 최소한의 추가 비용 및 추가 공간으로 급속 충전 기능 구현
– 급속충전의 전력용량을 충족하는 사양의 모터 구동용 인버터 사용으로 급속충전 구현 가능

통합 충전기는 배터리를 충전하는 동안 초크 필터로 사용하기 위해서 전기모터의 중성점을 사용하여야 한다. 이를 제외하면, 통합 충전시스템 구성을 위한 추가적인 파워트레인 부품의 변경을 필요로 하지 않는다.

토폴로지 및 제어
통합 충전기는 다음과 같은 다양한 요구사항을 만족해야 한다.

– 단상, 삼상 교류 전력 뿐 아니라 직류전원까지 충전하는 기능
– 250V에서 400V 사이 다양한 배터리 전압을 조정
– 전류고조파와 접지 전류에 관점에서 전력망 연결 요구를 만족

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●정류 회로
정류기는 전력망 고조파 왜곡을 방지하기 위한 PFC (Power Factor Corrector)의 역할을 하여야 하며, 인턱터 전류에 적합한 배터리 전압 이하로 출력전압을 감소시킬 수있는 벅 컨버터의 역할도 수행하여야 한다.

이 전류 스위칭 인버터(Currrent Switching Inverter : CSI) 토폴로지는 특별한 스위칭 방법이 필요하다. <표 1>은 CSI 제어의 각 벡터의 스위치상태를 요약한 것이다. 어떤 시간에서든, 선택된 프리휠링 벡터 V0는 벡터 V1에서 V6까지 상태에 도달하기 위한 2개 스위치 사이에 1개의 정류를 요구하는 상태이다. <그림 4>는 벡터 사용을 요약한다. 예를 들면, 섹터2에서 요구되는 그리드 전류는 다음과 같은 시퀀스에 의해 만족된다.

V0(3H-3L) V2(1H-3L) V4(2H-3L) V0(3H-3L)

<그림 5> 파형에서, 정류기의 이상적인(인덕터전류 IDC가 일정할 때) 전류파형과 출력전압을 도시화하였다. <그림 5>의 확대한 파형을 통해 상세한 PWM제어 방식을 확인할 수 있다. 단상 모드 동작에서, 상/중성선으로 이루어지는 전력망 선로는 2개의 레그로 연결된다. 스위칭 방식은 일반적인 방식으로 왼쪽 레그의 경우 프리휠링을 담당하게 된다. 인덕터 전류는 그리드 전압의 극성의 따라, 연결된 2개의 레그로 이루어지는 H-bridge회로의 양쪽 대각선 방향으로 도통되어 흐르게 된다.

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<그림 8>은 단상 방식의(인덕터전류 IDC가 일정할 때) 이상적인 상황을 보여준다. <그림 9>는 그리드 정현파의 반주기에서 VDC로 보내지거나 혹은 프리휠링되는 오직 2가지 상태만이 가능한 것을 보여준다. 따라서 스위칭 방법은 구현하기 매우 간단하다.

이 스위칭 방식은 그리드 주파수에 의해 제한되지 않는 것은 매우 중요하다. 따라서 AC그리드 입력 대신 DC전원을 연결하여 직접 충전하는 것도 가능하다. 이를 통하여 여러가지 재생 에너지원로부터 발전되어 DC저장장치에 축적된 에너지를 전기자동차에 충전할 수 있는 추가적인 장점이 있다.

●모터 중성선 전류레귤레이션
모터 중성선 전류레귤레이션은 안정적인 충전기 동작을 위한 중요한 부분으로, 3상 고정자 권선과 추가로 장착된 인덕터에 인가되는 전압을 실시간으로 제어하여 이루어진다. 모터 고정자를 포함하는 인덕터는 그리드로부터 공급되는 전력이 컨버터 손실을 포함하는 배터리충전 전력 요구를 만족시키는 정전류 제어가 가능하도록 하는 에너지 저장 소자 역할을 하게 된다.

인덕터에 걸리는 전압은 정류기 출력전압 VDC와 부스트 컨버터로서 동작하게 되는 인버터 전압 Vbst의 차이이다. 우리는 고전전인 루프레귤레이션을 통한 전압제어를 통하여 인덕터 전류를 제어한다.

정류기 출력 전압 VDC는 그리드 전압, IDC전류, AC그리드의 전류에 변화하게 된다. <그림 11>의 제어기에 VDC는 차단되어야 할 왜란값으로 생각할 수 있다. 또한 이 값을 추정하고 피드포워드 레귤레이션을 통해서 더욱 역동적인 제어를 실현하거나 부하전압 VL을 직접적으로 제어할 수 있다. 인버터 측에서는, 3상 회로는 부스트 컨버터로 사용된다. Vbst = αVbatt으로 Vbat는 배터리 전압, α는 Low side IGBT에 적용된 듀티 사이클이다. 전체 제어 순서 다음과 같다.

– BMS(Battery Management System)는 충전 전력, 혹은 충전 전류을 요청한다.
– 충전기 제어기는 정류기 PWM에 인가될 기준 전류를 규정한다.
– 중성선 전류 레귤레이션 루프는 부스트컨트롤을 통해 배터리로 투입되는 전류를 제어한다.

충전기 효율을 극대화하기 위해, IDC전류를 가능한 최소화 함으로써 동손 및 반도체 소자에서 발생하는 손실을 줄일 수 있다. 다른 한편으로는, 정류기의 출력전압은 부스트 컨버터의 제어를 위해 배터리 전압보다 항상 낮아야 한다. <그림 6>에서, 정류기 출력 전압은 프리휠링 시간을 늘림으로 감소시킬 수 있다. 따라서 그리드 전류 진폭 요구사항은 낮은 인덕터 전류 IDC와 큰 듀티 사이클(낮은 프리휠링 타임), 또는 높은 인덕터 전류 IDC와 작은 듀티 사이클(높은 프리 휠링 타임)제어를 통해 만족시킬 수 있다.

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<그림 12>와 <그림 13>은 동일한 그리드 전류 입력시, 서로 다른 두 개의 인덕터 전류에 의한 출력전압의 영향을 보여주고 있다. 인덕터 전류가 증가할수록 출력전압의 평균은 작아지게 된다. 출력전압의 평균값은 배터리 전압보다 항상 낮아야 한다. 따라서, 충전 동작점에 대해 부스트컨버터의 제어를 위해서 최소의 인덕터 전류가 필요하다. 그런 이유로 인덕터 전류 요구사항은 충전하는 동안 발생하는 변환 손실을 최소화하기 위해서 배터리 전압(혹은 배터리충전량)에 따라 변화하게 된다.

매우 낮은 배터리 충전 상태에서 배터리 전압이 빠르게 증가하기 때문에 충전전력을 감쇠시키는 것이 허용될 수 있고, 이로 인한 충전시간의 영향은 크지 않지만 전력전자 모듈과 추가 인덕터의 현저한 소형화를 이룰 수 있다.

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결과
<그림 15, 16>는 3상 63A, 43KW 충전 조건에서 양산형 충전기의 동작상태를 보여준다. 인덕터 전류 리플은 프리 휠링기간 동안에 발생하는 반도체소자 손실과 인덕터 손실에 기인한다. <그림 17>은 동일한 장비와 실험 환경에서 32Arms 단상충전 동작을 보여준다.

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단상 동작에서 펄스전력은 그리드 주파수의 4배에 해당하는 인덕터전류 리플을 만든다. 모터 고정자와 추가적인 인덕터로 구현되는 유도필터(Inductive Filter)는 스위칭 주파수 범위에 충전기의 전체적인 안전성에 적합한 크기로 설계된다. 따라서 배터리에 공급되는 전력은 그리드 주파수의 두배에 해당하는 리플을 갖게 된다.

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이 통합 충전기 토폴로지는 적어도 저렴한 가격과 인프라에 미치는 영향을 최소화 할 수 있는 내장형 급속 충전기를 시장에 보급할 수 있는 매력적인 장점을 시장에 가져왔다. 이것은 적절한 가격의 전기차를 대량으로 보급할 수 있는 주요한 시장의 요구사항이다. 3kW 충전기를 사용하는 표준 아키텍처 대비 추가된 부품의 부피와 무게는 20%로 늘었지만, 전기차 엔진룸에 충분히 장착될 수 있는 증가량이다. 통합형 온-보드 충전기 개발은 전기자동차와 충전 인프라의 상호작용을 통해 구현할 수 있는 새로운 기능들 중 첫 단계이며, 여러 가지 기능들 중 추가적으로는 양방향 충전기능의 개발을 통해서 전기자동차가 스마트 그리드 네트워크의 한 요소로 사용될 수 있을 것이다.

 

글 / Serge LOUDOT (RENAULT SAS, France)

출처 / 오토저널 16년 2월호 (http://www.ksae.org)  

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