전기차 충전기 토폴로지 (1/2)

1. 서론

연료 절감과 온실가스 감축 정책 때문에 전기 자동차 (EV)와 플러그인 하이브리드카 (PHEV)에 관한 관심이 점점 커지고 있다.  미국에서는 2015년까지 도로에 전기차 백만 대를 투입하겠다는 공식 국내 목표가 설립되었고, 정부가 나서서 전화(電化)를 장려하기 위한 공공 정책을 모든 레벨에서 시행하고 있다. IEEE, 자동차 엔지니어 사회 (SAE)등 여러 단체가 설비/사용자 인터페이스에 대해 표준 및 코드를 준비하고 있다. 그러나 전기차는 아직 많이 보급되지 못하고 있다. 세 가지 중요한 장벽은 높은 비용과 전지의 사이클 수명, 충전기의 복잡함, 그리고 충전 인프라 부족 등이 있다. 또 다른 단점은 배터리 충전기가 전력망 시스템에 해로운 고조파 효과를 생성할 수 있다는 것이다.

대부분의 EV는 가정용 플러그를 사용하는 레벨1 (느린) 충전방식으로 주택 주차장에서 밤 동안 충전 가능하다. 레벨2 충전은 일반적으로 개인 및 공용 시설 모두에 대한 기본 방법으로 240V 콘센트가 필요하다. 레벨2는 적당히 빠른 충전방식으로 충분한 전력을 제공하며, 대부분의 환경에서 구현될 수 있어서 미래의 발전은 주로 레벨 2에 집중되고 있다. 보통 단상 솔루션은 레벨 1과 2에 사용된다. 레벨 3 및 DC 빠른 충전은 주유소처럼 운영되는, 상업 및 공공 시설에 적용하고 보통 3상 솔루션이 적용된다. 공공 사용을 위해 주차장, 쇼핑 센터, 호텔, 휴게소, 극장, 레스토랑 등에 설치되는 충전기들은 일반적으로 레벨 2 또는 3이다. 공공 충전 인프라가 전기차의 범위 불안을 해결할 수 있다.

2. 배터리 충전기

배터리 충전기는 EVs의 개발에 중요한 역할을 한다. 충전 시간과 배터리 수명은 배터리 충전기의 특성과 관련이 있다. 배터리 충전기는 높은 전력 밀도, 낮은 비용, 낮은 부피 및 중량으로 효율적이고 신뢰할 수 있어야 한다. 그 작업은 구성 요소, 제어 및 스위칭 전략에 따라 달라진다. 공공 전력 품질에 미치는 영향을 최소화하기 위해 그리고 높은 역률에서 실제 전력을 최대화하기 위해EV 충전기 전류는 낮은 왜곡으로 사용되어야 한다. IEEE-1547, SAE-J289, IEC1000-3-2, 미국 국립 전기 코드 (NEC) 690 등의 표준들은 그리드에 허용 고조파 및 DC 전류 주입을 제한하고, EV 충전기는 일반적으로 이들을 준수하도록 설계되어 있다.

현대의 EV 배터리 충전기에는 활성화 역률 보정 (PFC)에 대한 부스트 컨버터가 포함되어 있다. 이 변환기는 기존의 부스트 PFC에 내재한 입력 정류기 다이오드 브리지에서의 열 관리 문제를 해결하지만, 전자기 간섭 (EMI)을 증가시킨다.

멀티 레벨 컨버터는 크기, 전환 주파수 및 장치에 대한 스트레스를 줄일 수 있으며, 레벨 3 EV 충전기에 적합하다. 추가된 복잡성과 구성 요소는 비용과 필요한 제어 회로를 증가시킨다. 현재, 대부분의 EVs은 배터리를 충전하기 위해 단상 온 보드 충전기를 사용한다. 단상 단방향 멀티 레벨 충전기의 토폴로지가 저전력 레벨 1&2 충전방식에 알맞다. 삼상 양방향 멀티 레벨 컨버터는 높은 전력의 레벨 3 충전기 시스템으로 권장한다.

단상 및 삼상 모두에 대해 하프 브리지 또는 풀 브리지를 사용하는 다양한 토폴로지가 보고되었다. 하프 브리지는 적은 구성 요소와 낮은 비용을 가지고 있지만, 높은 구성 요소 스트레스를 보인다. 풀 브리지 시스템은 낮은 구성 요소 스트레스와 더 많은 구성 요소 및 높은 비용을 요구한다.

A. 충전기 전력 레벨 및 인프라

충전기 전력 레벨은 파워, 충전 시간과 장소, 비용, 장비 및 그리드에 주는 영향을 반영한다. 충전 시간, 유통, 수요 정책, 충전 스테이션의 표준화 및 규제 등의 해결해야 할 문제가 많아서 인프라와 전기 자동차 공급 장비 (EVSE)의 보급은 중요한 문제이다.

충전 코드, 충전 스탠드, 전원 콘센트, 자동차 커넥터 및 보호장비 등이 EVSE의 주요 구성 요소이다. 이것들은 일반적으로 전문 코드 세트 또는 벽이나 받침대 상자의 두 가지 구성이다. 전문적 구성은 지역/나라별로 주파수, 전압, 전기 그리드 연결 및 전송 표준에 따라 다양하다. 전력 연구소 (EPRI)에 따르면, 대부분의 EV 소유자는 집에서 밤사이 충전을 할 것으로 예상한다. 이러한 이유로, 레벨 1과 레벨 2 충전 장비는 기본 옵션이 될 것이다.

1) 레벨1 충전 : 이 방식은 가장 느린 충전 방식이다. 미국에서 레벨 1은 NEMA 5-15R과 같은 표준 단상 120V/15A 접지 콘센트를 사용한다. EV 교류 포트로 연결은 표준 J1772 커넥터를 사용할 수 있다. 집이나 회사 사이트의 경우, 추가 인프라는 필요하지 않고 낮은 심야 전기 요금을 적용할 수 있다.

2) 레벨2 충전 : 이 방식은 개인 및 공공시설에 대한 기본 방식이다. 이 충전 인프라는 중복된 전력 전자를 피하고자 온 보드 방식일 수 있다. 기존 레벨 2 장비는 208V 또는 240V (최대 80A, 19.2kW 급까지)에서 충전을 제공한다. 가정이나 공공시설에서 레벨 2사용은 전용 장비와 연결 설치가 필요할지도 모른다.

3) 레벨3 충전 : 이 방식은 1시간 미만의 빠른 충전을 가능하게 해준다. 이 주유소와 유사한 고속도로 휴식 공관과 도시 급유 지점에 설치할 수 있다. 일반적으로 480V 이상의 삼상 회로와 함께 운영하고 통제된 AC-DC 변환을 제공하는 오프 보드 충전기가 필요하다.

B. 국제 충전 코드와 표준

향후 10 년 동안 EVs의 성공적인 보급은 국제 표준 및 코드의 도입, 범용 인프라와 관련 주변 장치 및 사용자 친화적 소프트웨어에 연결되어 있다. 안전 코드와 표준들은 EV의 광범위한 문제를 다룬다. 충전 인프라와 관련된 비용은 하드웨어 표준과 상관관계가 있다. 몇몇 표준은 충전 인프라를 종래의 전기 인프라보다 더 복잡하고 비싸게 만들고 있다.

작업 그룹의 수는 국제 에너지기구 (IEA), 자동차 엔지니어 사회 (SAE), 전기 전자 기술자 협회 (IEEE), 국립 전기 코드, 인프라 실무위원회 (IWC) 등 주요 기관에 의해 형성되었다.

SAE는 J1772 커넥터에 고전압 DC 전원 접촉 핀을 추가하여 모든 충전 레벨에 동일한 소켓의 사용을 사용하게 하고 빠른 충전을 위한 "복합형 커넥터" 표준을 위해 노력하고 있다.

C. 단방향 충전기

단방향 충전기는 전기차를 충전은 하지만 전력 그리드에 에너지를 주입할 수는 없다. 이러한 충전기는 일반적으로 필터 및 DC-DC 컨버터와 함께 다이오드 브리지를 사용한다. 오늘날 이 컨버터는 비용, 무게, 부피, 그리고 손실을 제한하는 단계에서 구현된다. 단방향 충전기 제어의 단순함은 공공 충전시설이 동시에 많은 전기차 충전을 처리하는 것을 비교적 쉽게 해준다. 양방향 충전기와 관련된 비용, 성능 및 안전 문제를 피하는 동안, 충전 전류의 능동적 제어를 많이 보급시켜 단방향 충전기는 대부분의 공공 충전시설 목표를 달성할 수 있다.

D. 양방향 충전기

일반적인 양방향 충전기는 역률을 향상하는 AC-DC 컨버터, 배터리 전류를 규제할 수 있는 DC-DC 컨버터의 두 단계를 가진다. 충전 모드에서 작동할 때, 이것들은 전력을 제어할 정의된 위상 각을 가진 정현파 전류를 그려야 한다. 방전 모드에서 충전기는 비슷한 정현파 형태로 전류를 반환해야 한다. 양방향 충전기는 차량-to-그리드 (V2G) 작동 모드에서 다시 그리드에 배터리 에너지를 주입 및 전력 안정화를 지원한다.

대부분의 연구는 양방향 전력 흐름에 초점을 두지만 이를 채택하기엔 심각한 도전과제들이 있다. 양방향 전력 흐름이 빈번한 사이클링으로 인한 배터리 성능 저하, 양방향 전력 흐름 충전에 대한 프리미엄 비용, 측정 문제, 필요한 배포 시스템 업그레이드 등을 극복해야 한다.

레벨1 충전은 전력 제한 및 비용 목표가 낮고 유연성을 극대화 하는게 중요하여서 양방향 충전기는 레벨 2 인프라를 위한 것으로 예상한다. 레벨 3의 빠른 충전에서는 역방향 전력 흐름이  연결 시간을 최소화하고 상당한 에너지를 가능한 한 빨리 제공해야하는 전제와 충돌을 일으킨다.

E. 온 보드/오프 보드 충전기

차 안에 위치한 온 보드 충전기는 적절한 전원을 사용할 수 있는 곳이면 어디든지 충전할 수 있다. 일반적인 온 보드 충전기는 무게, 공간 및 비용 제약으로 전력을 레벨 1급으로 제한한다. EV의 전형적인 전력 전자 등급이 최소 30 kW 급임을 감안할 때, 오프 보드 충전은 중복 전원 전자 제품과 관련된 추가 비용을 포함한다. 다른 단점은 기물 파손의 위험을 포함하고 도시 환경에 혼란을 더할 수 있다는 점이다.

3. 통합 충전기

무게, 부피, 비용을 최소화하기 위해 전기 드라이브 시스템에 충전 기능을 통합하는 것이 제안되었다. 충전과 견인이 동시에 일어나지 않으면 기능 통합이 가능하다. 가장 중요한 장점은 저렴한 비용으로 높은 전력 (레벨 2, 3) 양방향 고속 충전을 지원할 수 있다는 것이다. 제어의 복잡성 및 추가 하드웨어가 상용 제품의 구현에 큰 도전 과제이다. 통합 충전기 토폴로지는 모터 개수 및 인버터 개수에 근거하여 분류할 수 있다. 1개의 모터와 1개의 전력변환기 토폴로지의 경우엔 모터의 유형에 따라 분류가 가능하다.

A. 유도 모터에 대한 비절연 / 절연 사례 : 총 다섯 개의 비절연 유도 모터에 대한 사례들이 있다. 먼저 Ripple이 소개한 삼상 교류 모터와 견인 모드에서 인버터를 사용하는 두 가지 경우가 있다. 세 번째 경우는 커플링 인덕터로 모터를 사용하여 모터 센터 탭에 접근하는 경우이다. 네 번째 경우에서는2 륜 차량에 대한 프런트 엔드로 레벨3 DC-DC 부스트 컨버터가 사용된다. 다섯째 경우는 비 절연 단상 통합 배터리 충전기이다.

절연 충전기로 유도 모터를 사용하며 리프트 트럭에 적용된 사례가 있다. 장점으로 갈바니 절연, 양방향 전력 흐름의 가능성, 낮은 고조파 왜곡 및 단일 역률 등이 있다. 단점은 높은 자화 전류와 회전자와 접촉기의 추가 비용이 포함되어 있다.

B. 영구 자석 모터에 대한 비 절연 / 절연 사례 : 첫 번째 영구 자석을 사용한 비 절연 토폴로지에서는 기계 권선을 통해 그리드에 차량을 연결한다. 각 위상은 두 개의 평행한 PWM 부스트 컨버터에 연결되어 있다. 그리드는 동등하고 반대 부분에 전류를 분할하는 각 위상에서 중심 단자에 연결되어 있다. 두 번째 개념은 빠른 온 보드 충전에 대한 것으로 필터로 영구 자석 모터를 사용한다. 토폴로지는 두 삼상 PWM 부스트 컨버터 및 벅 - 부스트 DC-DC 컨버터로 구성되어 있다. 세 번째 토폴로지는 내부 영구 자석 (IPM) 모터 트랙션 드라이브를 사용하여 스쿠터에 적용되었다. 충전시엔 AC 모터 드라이브는 3 상 PFC 결합 부스트 정류기로 운영된다. PWM 리플이 위상 간삽법에 의해 최소화되기 때문에 추가적인 필터링이 필요하지 않다.

절연 안전 문제를 극복하기 위해 다양한 가능성은 권선의 추가 세트를 갖춘 전기 기계 구성에 중점을 두고 조사되었다. 고정자 권선의 두 세트가 있는 IPM 동기 모터를 사용하는 절연된 높은 전력 통합 충전기가 소개되었다. 주요 아이디어는 견인 모드에서는 모터로 작동하고 충전하는 동안에는 절연된 발전기와 변압기로 수행하기 위해, 다중 말단 모터 / 발전기 세트를 사용하는 것이다.

C. 자기 저항 모터를 위한 비 절연 / 절연 사례 : 세 저항 기계 토폴로지가 있는데 먼저 Chang과 Liaw는 전압 증폭 및 보드 PFC 충전 기능이 있는 EV 용 소형 배터리 전원 SRM 드라이브를 제시한다. 프런트 엔드 DC-DC 컨버터 부스트가 외부에 있지만, 온 보드 충전기는 SRM 권선과 변환기의 내장 된 구성 요소에 의해 형성된다. 각 다리의 자기소거 동안 저장된 권선 에너지는 배터리로 복구된다. 충전 모드에서 전원 장치는 좋은 전원 품질 유틸리티에서 충전하기 위해 벅-부스트 정류기를 구성하는 데 사용된다. Barnes와 Pollock은 활성 PFC를 통제하지 않고 충전하는 동안 변압기로 SRM 위상 권선을 사용하였다. Haghbin는 SRM과 단상 AC 공급을 위한 변압기 작업을 지원하기 위해 고정자의 단상에 추가 권선을 사용했다.