단상 V2G 기능을 보유한 양방향 탑재형 충전기 :Bi-directional On Board Charger with Single Phase V2G Function

문승환

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자료유형: 학위논문

저자정보: 문승환 (명지대학교, 명지대학교 대학원)

지도교수: 이준영

발행연도: 2022

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이용수52

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

단상 V2G 기능을 보유한 양방향 탑재형 충전기

문승환 전기공학과 2022.01 학위논문

2021

단상 역방향 기능을 탑재한 11kW급 양방향 OBC

문승환 , 권혁진 , 최승원 외 1명 전력전자학회 학술대회 논문집 2021.07 학술대회자료

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최근 전 세계적으로 화석 연료로 인한 환경 문제를 개선하고자 차량 환경 규제가 강화되고 있다. 이에 대응하기 위해 HV(Hybrid Vehicle), EV(Electric Vehicle), FCV(Fuel Cell Vehicle) 등의 다양한 친환경 차량이 개발 및 출시되고 있다. 최근에는 긴 항속거리를 위한 배터리 용량 증가로 인해 대용량 충전기 개발 요구가 급격히 증대되고 있다. 또한 자동차 배터리를 이용해 계통의 안정화 및 전기기기의 전력 공급을 수행하는 V2G(Vehicle to Grid)와 V2L(Vehicle to Load) 시스템이 활성화되고 있어 OBC(On Board Charger)는 양방향 전력전달 및 단상 역방향 기능이 요구된다.
본 논문에서는 단상 V2G 기능을 보유한 양방향 탑재형 충전기 설계 방안과 충/방전 알고리즘 및 제어 동작을 제안한다. 제안하는 OBC는 인버터, 양방향 LLC 공진형 컨버터 그리고 단방향 Buck 컨버터로 구성된다. 제안하는 회로는 역방향 동작 시 Buck 컨버터를 이용해 전력을 제어하기 때문에 역방향 이득을 고려하지 않고 LLC 공진형 컨버터 설계가 가능하다는 장점이 있다. LLC 공진형 컨버터의 경우 최저 충전 전압에서 공진 주파수와 스위칭 주파수가 동일하게 동작하며 충전전압이 올라갈수록 스위칭 주파수가 낮아지는 Below-resonance 영역에서 설계한다. Below-resonance 영역은 스위칭 손실이 작기 때문에 넓은 출력전압 범위에서 고효율과 고주파동작을 달성할 수 있다. 또한 LLC 공진형 컨버터의 2차측 스위치는 동기전류 구동을 통해 작은 도통손실을 가진다. LLC 공진형 컨버터는 정방향 조건에서 최적화하여 설계하기 때문에 스위칭 주파수 선정에 있어서 자유롭고, 자성체의 사이즈를 줄일 수 있어 전력밀도를 향상시킬 수 있다. 제안하는 회로는 LLC 공진형 컨버터를 정방향 조건에서 최적 설계하였기 때문에 넓은 범위의 배터리 전압에서 역방향 이득이 제대로 형성되어 있지 않다. 이를 해결하기 위해 역방향 동작 시 LLC 공진형 컨버터를 최적 주파수인 200kHz로 비 제어 동작 하여 출력전압을 일정하게 유지하고, Buck 컨버터를 이용해 역방향 전력 제어를 수행한다. 제안하는 단상/삼상 겸용 OBC는 정방향과 역방향 조건에 따른 제어기법이 다르며 충전모드에서는 삼상/11kW, 방전모드에서는 단상/5kW 정격을 가지고 동작하게 된다.
본 논문은 인버터, 양방향 LLC컨버터, 그리고 단방향 Buck컨버터로 구성된 단상/삼상 겸용 양방향 OBC를 제안하였다. 제안된 회로를 검증하기 위해 충전모드 삼상/11kW, 방전모드 단상/5kW의 시제품을 정량적인 설계절차에 의해 구현하였다. 시험 결과, 충전모드에서는 인버터 스위칭 주파수 40kHz, LLC 공진주파수 200kHz에서 평균 95%이상의 최대부하효율을 달성하였으며 방전모드에서는 인버터 스위칭 주파수 20kHz, LLC 공진주파수 200kH, Buck 스위칭 주파수 100kHz에서 평균 93.7%를 달성하였다. 따라서, 본 논문에서 제안하는 회로는 단상/삼상 겸용 양방향 탑재형 충전기로서의 높은 효용성이 검증되었다.

To improve the global environmental situation caused by fossil fuels, environmental regulations for vehicles have recently been strengthened. To respond to this, various eco-friendly vehicles, such as hybrid vehicles (HV), electric vehicles (EVs), and fuel cell vehicles (FCVs) are being developed and released. As increased battery capacity has enabled longer cruising ranges, the demand for large-capacity chargers has rapidly increased. In addition, as the V2G (vehicle-to-grid) and V2L (vehicle-to-load) systems which use EV batteries to stabilize the power system/supply of electric devices are being activated, on-board chargers (OBCs) must be capable of bidirectional power transfer and single-phase reverse function.
This paper proposes a design method for a bidirectional On Board Charger with single-phase V2G function, a charge/discharge algorithm, and control operation. The proposed OBC consists of an inverter, a bidirectional LLC resonant converter, and a unidirectional buck converter. The proposed circuit has the advantage of being able to design an LLC resonant converter without considering the reverse gain because the power is controlled using the Buck converter during reverse operation. The LLC resonant converter is designed in the below-resonance region where the resonant frequency and the switching frequency operate the same at the lowest charging voltage, and the switching frequency decreases as the charging voltage increases. Since the below-resonance region has small switching loss, high efficiency and high frequency operation can be achieved over a wide output voltage range. In addition, the secondary side switch of the LLC resonant converter has a small conduction loss through synchronous current driving. Since the LLC resonant converter is designed by optimizing it in the forward direction, it is free to select the switching frequency, and the size of the magnetic material can be reduced, so that the power density can be improved. In the proposed circuit, since the LLC resonant converter is optimally designed under the forward condition, the reverse gain is not properly formed in a wide range of battery voltages. To solve this problem, the LLC resonant converter is operated uncontrolled at the optimum frequency of 200 kHz to maintain the output voltage constant, and reverse power control is performed using the Buck converter. The proposed single-phase/three-phase combined OBC has different control methods according to the forward and reverse conditions, and operates with three-phase/11kW ratings in charge mode and single-phase/5kW ratings in discharge mode.
In this paper, a single-phase/three-phase bidirectional OBC consisting of an inverter, a bidirectional LLC converter, and a unidirectional buck converter is proposed. To verify the proposed circuit, prototypes of three-phase/11kW in charge mode and single-phase/5kW in discharge mode were implemented through quantitative design procedures. As a result of the test, in the charging mode, the maximum load efficiency of more than 95% was achieved on average at the inverter switching frequency of 40 kHz and the LLC resonant frequency of 200 kHz. Therefore, the circuit proposed in this paper has proven its high effectiveness as a single-phase/three-phase bidirectional on-board charger.

#탑재형 충전기 #양방향 전력변환장치 #전기 자동차 #V2G #V2L

목 차
그림 목차 ii
표 목차 v
국문 초록 vi
제 1 장 서 론 1
제 1절 연구 배경 1
제 2절 연구의 목적 7
제 3절 논문의 구성 8
제 2 장 본 론 9
제 1절 제안하는 OBC의 동작모드 및 제어 알고리즘 9
제 2절 삼상 인버터 설계 14
제 3절 2단구조 DC/DC 컨버터 설계 22
제 4절 제어기 설계 30
제 5절 모의실험 및 손실분석 32
제 6절 실험 결과 44
제 3 장 결 론 63
참고 문헌 65
Abstract 67

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