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6.6kW급 차량탑재형 완속충전기의 상용화 개발

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2014-04-07 04:35:46

본문

1. 서론

온실가스 배출수준, 공해물질 배출수준 및 소음수준이 모두 낮고 재활용성이 높은 자동차를 지칭하는 친환경차는 일반적으로 변환효율이 높은 전기에너지를 사용한다. 특히 순수전기자동차 및 플러그인 하이브리드 전기자동차의 경우 구동전력을 전력계통으로부터 공급받아 배터리에 충전하는 형태를 갖기 때문에 전력계통으로부터 구동배터리를 충전하기 위한 배터리 충전기가 필요하다.

글 / 김영신 (만도 글로벌 R&D 센터)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2014년 1월호

이러한 배터리 충전기는 충전시간에 따라 완속 및 급속으로 구분되고 배터리 충전기의 위치에 따라 차량탑재형 충전기 및 별치형 충전기로 구분된다. 일반적으로 급속충전기의 경우 전력용량이 수십 kW급으로 시스템의 중량 및 부피가 완속충전기에 비하여 상대적으로 크고 인프라를 구성하는데 큰 비용을 필요하기 때문에 별치형으로 구성되는 반면 완속충전기의 경우 10kW 이하의 전력용량을 갖기 때문에 시스템의 중량 및
부피가 급속충전기에 비하여 상대적으로 작고 인프라를 구성하는데 소요되는 비용이 낮아 차량탑재형으로 개발된다.

앞서 소개한 배터리 충전기 중 차량탑재형 완속충전기의 경우 각각 완성차별로 다양한 전력용량 및 전력변환 토폴로지를 가진 제품들이 개발되고 있고 이를 제어하기 위한 제어기법 또한 연구 및 개발이 활발하게 진행 중이다. 그러나 차량탑재형 완속충전기를 상용화 시키기 위해서는 전력변환회로의 설계 및 제어기법의 연구뿐만 아니라 각종 기생성분 및 외부 계통전압의 이상동작 등 비이상적인 상황에 따른 연구 또한 필요하다. 따라서 본 고에서는 현재 상용화를 예정중인 6.6kW급 차량탑재형 완속충전기를 소개하고 상용화를 위하여 고려해야 할 사항에 대하여 다루고자 한다.

2. 차량탑재형 완속충전기 시스템

본 고에서 소개할 6.6kW급 차량탑재형 완속충전기 시스템은 역률개선을 위한 입력전류의 제어 및 교류/직류변환 기능을 갖는 역률개선회로, 전력계통과 차량 내 구동용 배터리와의 절연을 위한 LLC 공진 컨버터회로 및 출력전력의 제어를 위한 Buck 컨버터회로의 3단 전력변환구조를 갖고 각각의 전력변환 회로에서 피드백 받은 전압 및 전류 정보를 이용하여 주 제어기가 각각의 회로를 제어한다.

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6.6kW급 차량탑재형 완속충전기의 시스템 구성도를 그림 1에 나타내었다. 또한 개발된 6.6kW급 차량탑재형 완속충전기의 시스템의 전기적 사양을 표 1에 나타내었다.

3. 입력전압 변동에 따른 제어기법

상용 전원 계통에서는 회로망에서의 오류, 주로 단락회로나 설비 오류 또는 부하의 급작스러운 큰 변화로 인한 전압 강하/상승과 같은 전압 변동이 발생한다. 이에 저전압
계통망에 연결된 전기,전자 제품들은 전압 강하, 순시정전 및 전압 변동 내성 시험 규격 IEC61000-4-11을 만족해야한다. 원가 절감 등의 이유로 하나의 컨트롤러로 탑재형 충전기의 제어를 원하는 경우 컨트롤러의 제어 주파수가 낮은 상황에서의 제어가 필요하게 된다. 제어 주파수가 낮아지면 기존 전압 제어기에서는 급작스런 부하변동이나 계통 입력전압 변동 시에 인덕터 전류가 DCM에서 CCM으로 천이되어 과전류로 인한 충전이 중단되는 문제가 발생할 수가 있다. 따라서 이런 단점을 극복하기 위해 새로운 전압 제어어 시스템의 도입이 필요하다.

일반적인 DCM PFC 부스트 컨버터에서 인덕터 전류를 구하고 인덕터의 스위칭 한 주기에서의 평균값을 계산하여 컨버터의 입력 전류를 수직적으로 구할 수 있다. 정류된 계
통 입력 전류 는 식(1)로 표현된다. 그림 2는 한 스위칭 주기 동안의 DCM 부스트 컨버터의 인덕터 전류를 나타낸다. DCM PFC 방식에서는 입력전압이 커짐에 따라 역률이 감소하는 특성을 보인다.

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이를 보완하기 위해 전류형상보정 기법을 적용한다. 식(2)에서 부스트 컨버터 도통 듀티 Don을 정류된 계통 입력전압을 제외한 나머지 수식들이 상수가 되게 하면 계통 입력전류는 계통 입력전압과 같은 파형이 된다. 계통 입력전압과 부하가 일정한 정상상태에서 PI 제어기 출력은 상수로 나타낼 수 있기 때문에 PI 제어기 출력 듀티Don에 전류형상 보정 듀티 Dws를 곱해주면 단위 역률 제어가 된다.

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그림 3은 일반적인 DCM PFC 부스트 컨버터 전압제어 블록도를 나타낸다. 여기서, Lb는 부스트 인덕턴스, fsw는 스위칭 주파수, |Vac|는 정류된 계통입력 전압, Vdc_link는 직류 단 링크 전압, Don는 듀티사이클, λ는 임의의 상수이다.

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계통에 연결된 DCM PFC 부스트 컨버터는 직류단 링크가 계통 전압 주파수의 2배가 되는 리플이 발생하기 때문에 일반적으로 제어 대역폭을 100Hz이하로 설정한다. 갑작스런 부하변동이나 계통 입력전압의 변동이 발생 할 경우 낮은 제어 대역폭으로 인해 직류 단 링크 전압이 감소하여 인덕터 전류 모드가 DCM에서 CCM으로 천이되어 과전류가 발생한다. 이를 개선하기 위해 제안된 전압제어기는 전향보상 듀티와 전류제한을 위한 듀티 제한기를 추가된다.

그림 4는 제안된 DCM PFC 부스트 컨버터 전압제어 블록도를 나타낸다. 전향보상 듀티는 다음과 같은 과정으로 계산된다. 부스트 컨버터의 출력전류는 다이오드 도통 전류와 같고 고주파 성분은 직류 단 링크 커패시터로 흐르기 때문에 부하 측으로 흐르는 전류는 식(3)과 같다. 식(3)에서 전향보상을 위한 듀티를 계산하면 식(4)와 같다.

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PFC 부스트 컨버터는 부하에 따른 듀티 이외에도 계통 입력전압에 따라 듀티가 다르다. 듀티 제한을 상수로 설정하면 계통 입력전압에 따라 제한되는 입력전류는 달라지게 된다. 이를 개선하기 위해 입력전압에 따른 전류 제한기를 추가하였다.

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이를 식(5) 및 식(6)에 나타내었다. 제안된 알고리즘을 이용하여 충전 실험을 진행하였다. 그림 5는 계통 입력전압이 220Vrms에서 180Vrms로 강하할 때의 입력전압, 입력전류 그리고 부스트 인덕터 전류 파형이다. 그림 6은 계통 입력전압이 220Vrms에서 260Vrms로 상승할 때의 입력전압, 입력전류 그리고 부스트 인덕터 전류 파형이다. 계통 입력전압이 상승/강하할 때 중단 없이 연속적으로 충전됨을 보인다.

4. 차량탑재형 완속충전기의 외형

그림 7에 실제 개발된 차량탑재형 완속충전기의 3D 모델링을 나타내었다. 냉각방식은 수냉식으로 설계하였으며, 전체 부피는 11ℓ로 0.6kW/ℓ를 달성하였다. 외부 커넥터는 입력과 출력, 신호 커넥터로 구성된다.

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5. 차량탑재형 완속충전기의 성능

그림 8은 입력전압 AC 220V, 출력전압 DC 380V, 냉각수 온도 45℃에서 충전전류를 증가시키면서 최대 부하까지 측정한 효율 그래프로 최대 효율 92.5%를 달성하였다. 또한 역률의 경우 그림 9에 나타내었고 출력전력이 약 1.8kW이상부터 0.99이상을 달성
하였다.

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6. 결론

본 고에서는 6.6kW급 차량탑재형 완속충전기의 상용화 설계시 비이상적인 상황에서 발생할 수 있는 문제의 해결을 위한 역률개선회로의 새로운 제어기법에 대하여 소개하였고 최종적으로 상용화된 6.6kW급 차량탑재형 완속충전기의 사양 및 성능을 나타내었
다.
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