전력밀도 및 수명 향상을 위한 Quasi-Single-Stage 방식의 전기자동차용 탑재형 충전기 회로에 관한 연구 :Research on Quasi-Single-Stage Based On-Board Battery Charger Circuits for Electric Vehicles to Improve lifetime and Power Density

채형준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 채형준 (명지대학교, 명지대학교 대학원)

지도교수: 이준영

발행연도: 2013

저작권: 명지대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2013

전력밀도 및 수명 향상을 위한 Quasi-Single-Stage 방식의 전기자동차용 탑재형 충전기 회로에 관한 연구

채형준 전기공 2013.01 학위논문

2012

2-STAGE DC/DC 컨버터를 사용한 전기자동차용 탑재형 충전기

채형준 , 이준영 , 문형태 외 1명 한국자동차공학회 추계학술대회 및 전시회 2012.11 학술대회자료

2010

전기자동차용 역률개선 배터리 충전기

채형준 , 김원용 , 윤수영 외 3명 전력전자학회 학술대회 논문집 2010.07 학술대회자료

전기자동차용 AC/DC 배터리 충전기

채형준 , 윤수영 , 문형태 외 1명 정보 및 제어 논문집 2010.04 학술대회자료

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본 논문은 플러그인 하이브리드 자동차를 포함한 전기자동차 탑재형 배터리 충전기 회로를 제안한다. 전기자동차는 전기모터로 구동되며 그 에너지는 배터리로부터 공급받는다. 전기자동차에 탑재된 배터리를 외부 전기에너지로부터 충전시키기 위해 전기자동차는 탑재형 충전기가 필요하다. 탑재형 충전기는 자동차에 상시 탑재되어 있으므로 차량의 연비에 영향을 주게 되고 따라서 고효율, 고전력밀도, 경량화가 요구되며 자동차용이라는 특성상 장수명이 요구된다. 본 논문의 목적은 고전력밀도와 수명 향상을 위한 탑재형 충전기(OBC, on-board battery charger) 회로를 제안하고 최적의 설계 가이드를 이론적으로 제시한 후 실험을 통해 검증하는 것이다.
본 논문의 3장에서 제안한 QSS(quasi-single-stage) 방식의 충전 회로는 충전기의 수명(15년, 15만km)을 보장하기 위해 고전압 전해 커패시터를 사용하지 않은 새로운 방식이다. 제안한 컨버터의 최적 설계를 위해 공진형 컨버터의 수식적인 해석과 손실분석을 통한 최적의 설계 가이드를 제시하며 링크 커패시터로 사용하는 필름커패시터의 최적값을 리플 전압를 고려하여 도출한다. 반도체 스위치의 병렬 사용 시 최적의 스위치 개수 선정을 위해 손실 해석을 통하여 최적의 개수를 도출한다. 제안한 회로를 적용하여 3.3kW 탑재형 충전기를 제작하여 실험을 통하여 검증한다.
기존의 전기자동차용 탑재형 충전기는 계통전원을 고려하여 3.3kW급 이하의 충전기가 대부분이다. 이 경우 배터리용량 24kWh 기준 충전시간은 약 8시간이 된다. 이러한 충전 시간 단축에 대한 요구가 최근 대두되고 있다. 이에 따라 충전 시간의 단축을 위하여 SAE 1772의 레벨 2와 IEC61851 모드 3을 만족하는 6.6kW급 충전기에 대한 연구 및 개발이 최근 이슈화 되고 있다. 용량이 증가함에 따라 충전기의 부피도 증가하게 되고, 이에 따라 탑재형 충전기의 고전력밀도화에 대한 연구가 시급하게 되었다.
본 논문의 4장에서 제안한 고전력밀도의 충전기는 QSS 방식을 사용한 DC/DC 컨버터와 DCM Boost PFC 컨버터로 구성된다. 전력밀도를 높이고 디지털 제어기의 제어 시간을 줄이기 위해 제어가 간단한 DCM Boost PFC 컨버터를 제안하고 HMT(Harmonic modulation technique) 방식을 적용하여 역률을 높인다. QSS 방식의 DC/DC 컨버터는 2단 구성으로 제어를 하지 않는 LLC 공진형 컨버터와 충전 제어를 담당하는 벅 컨버터로 구성된다. 소프트 스위칭 방식의 LLC 공진형 컨버터는 스위칭 손실이 작으므로 고주파 스위칭 동작이 가능하며 이를 통하여 변압기의 사이즈를 축소하였다. 공진형 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 최적의 변압기 설계 가이드 및 DCM 동작을 위한 인덕터 설계 가이드를 수식을 통해 도출한다. 제안한 설계 방식을 적용하여 6.6kW급 충전기를 제작한다. 제작된 충전 회로에 HMT 제어 방법을 적용하고 실험을 통하여 회로의 유용성을 확인한다.

Increase of oil prices and worries of air pollution are prompting introduction of new transportation methods such as electric vehicles (EVs) and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs). Recently, these technologies draws interest from government, auto-makers, and customer and are being supported by various governments with development programs. Because the power sources of EV and PHEV are fully or partially supplied from batteries charged from public line, on-board chargers should be mounted.
Conventional on-board battery chargers for PHEV or EV have two-stage structure of input current shaper for harmonic reduction followed by DC/DC converter for output control and electrical isolation. This structure has good advantages of high power factor, wide line regulation performance, and clean charge current. However, the intermediate DC link capacitor should have a large value to filter the input power fluctuation caused by the single-phase line. Moreover, because the high voltage electrolytic capacitor cannot be used in automotive applications due to its short lifetime, it should be replaced by a film capacitor with low power density, which results in drastic increase of the size and cost of charging system. This problem can be solved by single-stage approaches but they are not applicable to several kW applications due to heavy electrical stresses and low efficiency.
In chapter 3 of this paper, an alternative approach for on-board charger design without high voltage electrolytic capacitors is proposed using QSS(Quasi-Single-Stage). The motivation of this approach is that the rectified AC link voltage can be usable because the battery element is not sensitive to power ripple. The proposed charger has the reverse structure to conventional ones, which is comprised of an isolated resonant converter to produce a scaled and rectified AC voltage and boost converter for harmonic and output control.
On-board chargers equipped in EV/PHEV have been developed with the charging capacity of 3.3kW and the charging time of approximately 8 hours is spent. To shorten this long charging time, a movement that attempts to double the charging capacity of the chargers to cope with SAE J1772 level 2 or IEC61851 mode 3 is taking place but it inevitably increases the charger size. Most of conventional on-board battery chargers have been based on continuous conduction mode boost PFC converter with full-bridge DC/DC converter. The continuous conduction mode (CCM) has been widely used in several kW applications but it suffers from a large inductor size and complex control with two control loops of input current and output voltage. In full-bridge DC/DC converter, it is difficult to increase the switching frequency due to its switching loss so that the transformer size may be another problem to increase power density. Also, additional snubber circuitry alleviating voltage spikes in secondary side affects power density and efficiency. Controller in battery charger should perform not only charging and harmonic controls but also many jobs such as self-diagnosis and communication with battery managing system and vehicle master controller. Unfortunately, since CCM current controller in requires a high sampling frequency to cope with fast dynamics, it is not easy to implement all control algorithms of PFC and DC/DC converters using single digital controller.
In chapter 4 of this paper, another structure to increase power density is proposed based on DCM PFC converter and QSS based DC/DC converter. DCM operation in PFC stage can give small inductor size and simple control but it suffers from a low power factor. To solve this problem, a harmonic modulation technique is developed to increase power factor (PF). Using harmonic modulation factor, the inductor current can be deformed in order for the input current to have sinusoidal waveform. The proposed technique has been simplified so that it can be implemented with a simple control algorithm. In DC/DC stage, another concept of an isolated DC/DC converter comprised of two stages with the hard-switched buck converter for charging control and the unregulated LLC converter for electrical isolation and voltage amplification is adopted. By separating functions, the unregulated LLC converter can be designed to have an optimal switching characteristic regardless of load conditions, so that the switching frequency can be increased without an excessive power loss and wide charging voltage can be accomplished using buck converter.
To verify the feasibility, the proposed circuits have been implemented and tested using a 3.3kW and 6.6kW chargers with full digital control.

#electric vehicle #on board charger #battery #PFC #converter #LLC

제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 및 필요성 1
1.2 논문의 구성 3
제 2 장 연구 동향 및 Quasi-Single-Stage 방식 제안 4
2.1 일반적인 배터리 충전 회로 4
2.2 연구 동향 18
2.3 Quasi-Single-Stage 방식 22
제 3 장 고전압 전해커패시터를 사용하지 않는 QSS 방식의 장수명 탑재형 충전기 회로 30
3.1 고전압 전해커패시터를 사용하지 않는 QSS 방식의 충전 회로 32
3.2 제안한 배터리 충전 회로의 설계를 위한 동작 해석 37
3.3 제안된 회로의 설계 47
3.4 실험 결과 51
제 4 장 Harmonic Modulation Technique 방식의 DCM Boost PFC 컨버터와 QSS 방식의 DC/DC 컨버터를 사용한 고전력밀도 탑재형 충전기 회로 57
4.1 HMT를 적용한 DCM Boost PFC 컨버터와 QSS 방식의 DC/DC
컨버터를 사용한 충전 회로 59
4.2 HMT DCM Boost PFC 컨버터의 동작 해석 및 Approximation 방법
72
4.3 제안한 배터리 충전 회로의 설계를 위한 동작 해석 81
4.4 제안된 회로의 설계 93
4.5 실험 결과 98
제 5 장 결 론 103
참고문헌 106
Abstract 111

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