전기차 충전기 토폴로지 (2/2)

4. 유도성 비접촉 충전기

A. 전도성 충전기

전도성 충전 시스템은 직접 접촉 및 EV 커넥터와 충전 입구 사이의 케이블을 사용한다. 충전은 표준 전기 콘센트 (레벨1 또는 2) 사용하거나 충전 스테이션 (레벨 2 또는 3)에서 할 수 있다. 이 솔루션의 주요 단점은 운전자가 케이블을 직접 연결해야 할 필요가 있다는 것이다.

B.    유도성 충전기

유도 충전기는 자기 전력을 전송한다. 충전기의 유형으로 레벨 1과 2 장치에 관한 탐구가 진행되었다. 비접촉 충전의 명백한 이점은 사용자의 편의이다. 가정이나 직장에서 주차하는 동안이나 쇼핑하는 동안 심지어 신호등 정차 동안도 배터리를 충전할 수 있다. 케이블과 코드는 제거된다. 장점으로 편리함과 갈바니 절연을 포함한다. 운전하는 동안 충전 가능하도록 고속도로 상에 충전시설을 구축하는 것도 가능하다. 따라서 유도 충전은 급속 충전 인프라의 필요성을 줄일 수 있다. 단점은 상대적으로 낮은 효율과 전력 밀도, 제조의 복잡성, 크기 및 비용이다.

1)    고정 유도 충전 : 고정 유도 충전은 기본 및 보조 트랜스듀서를 사용한다. 일반적으로 시스템의 전원 전송 수준은 1~150밀리미터의 에어 갭에서 0.5W에서 50kW 급이다. 이 접근 방식의 가장 큰 장점은 회전을 많이 할수록 변압기의 자화 인덕턴스을 극대화하고 따라서 자화 전류를 제공하는 매체 전력 변환기의 요구 사항을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 고정 유도 충전 방법은 비접촉식 이동-노반의 충전 방식보다 더 나은 커플링, 튜닝, 측면 정렬 및 높은 효율성을 갖추고 있다.

2)    비접촉식 노반 충전 : 접촉 없는 이동식 노반 EV의 충전은 배터리 무게와 크기 감소에 기여한다. 차량 에너지 저장에 대한 제약은 노반 충전 시스템과 줄어들 수 있다. 포장도로 표면 아래 내장된 고정 주요 소스 (트랙 또는 루프)에서 움직이는 차량에 설치된 하나 이상의 보조 루프(픽업)로 전력이 전송된다. 완벽한 정렬 및 조정으로높은 전력 전달도 가능하다. 노반 충전의 도전은 느슨한 커플링, 잘못된 측면 정렬, 대형 에어 갭으로 인해 현재의 높은 전력 등급, 낮은 커플링, 높은 공급 전압 요구 사항, 루프 손실, 높은 자화를 포함한다.

3) 공진 및 보상 회로 토폴로지 : 공진 회로는 일반적으로 전원 공급 장치의 전압 및 전류 등급을 최소화하면서 전력 전송 능력을 극대화하기 위해 유도 충전 네트워크들에서 사용되고 있다. 작은 장치에 필요한 전원을 제공하려면, 높은 주파수에서 동작할 필요가 있다. 효율적으로 필요한 실제 전원을 공급하려면, 직렬 또는 병렬 반응성 보상 유도 충전기의 기본 및 보조 양쪽이 모두 필요하다.

5. EV 충전기에 대한 절연 및 안전 요구 사항

고전압 배터리, DC-DC 컨버터, 전기 모터를 구동하기 위한 인버터, 또한 그리드에 연결된 충전기 모듈을 포함하여 EV의 모든 기능에 절연의 필요성이 요구된다. 따라서 기존의 전기 시스템과 EVSE 사이의 인터페이스의 주요 구성 요소는 변압기이다.

비 절연 DC-DC 컨버터는 일반적으로 간단한 구조, 높은 효율, 높은 신뢰성, 저렴한 비용, 크기, 무게 등의 장점을 가지고 있다. 그러나 낮은 주파수 방식의 비 절연 DC-DC 컨버터 단계는 갈바닉 절연을 제공하지 않아서 그리드에서 배터리를 분리하는 라인 주파수 변압기가 필요하다.

고주파 절연 토폴로지에서 고주파 변압기로 DC-DC 컨버터 단계에서 갈바닉 절연이 제공된다. 변압기 디자인은 크기, 비용 및 손실을 줄이기 위해 매우 중요하다. 고주파 변압기 절연은 더 나은 제어를 위한 전압 조정, 다양한 응용 프로그램에 대한 부하 장비, 압축 및 적합성에 대한 안전을 제공한다. 주요 단점은 수동 정류기 장치에서 과전압을 방지하는 데 사용되는 높은 스너버 손실이다.

갈바닉 절연은 안전상의 이유로 유리한 옵션이지만 시스템의 비용 영향으로 절연된 온 보드 충전기는 주로 피하고 있다. 이 충전기 회로에 사용할 견인 하드웨어인 전기 모터와 인버터를 사용하여 추가 충전기의 무게, 공간, 비용의 문제를 피할 가능성이 있다.

6. 인프라 장비에 대한 전략과 효과

A. 비통합 충전

비통합 충전이 의미하는 것은 플러그가 연결되자마자 충전을 시작하거나, 사용자가 조절 가능한 지연시간 후 충전을 시작해서 완전히 충전될 때까지 또는 연결이 끊어질 때까지 충전을 계속하는 것을 말한다. 이 충전 시스템은 레벨 1에서 가장 가능성이 높다. 비통합적 충전 작업은 피크타임에 부하를 증가시키고 추가 전력 손실 및 전력 품질에 영향을 미칠 전압 편차 등의 문제가 샐길 수 있다.

B.    통합 충전

통합 스마트 충전은 시간과 전력 수요를 최적화하고, 매일의 전기 비용, 전압 편차, 선 전류 및 변압기 부하 급등을 감소시킨다. 통합 충전 시스템은 높은 전력 레벨 (레벨 2, 3)에 더 많이 적합하다. 더 나은 조정 및 안정성을 위해 제안되었다. 차량과 그리드 사이의 양방향 에너지 흐름과 통신은 그리드의 안정성을 유지하기 위해 제어될 수 있다.

C.    급속충전 인프라를 위한 도전

기존의 전기 인프라가 필요한 전기 서비스 스테이션에서 전력 수요의 급증을 만족하도록 설계되지 않았을 수 있다. EV 보급, 차량 사용 일정, 그리고 요구되는 레벨3 충전에 따라 충전기는 빠르게 분배 장비에 부하를 줄 수 있다. 이를 해결하기 위해 지하 케이블과 오버헤드 라인 그리고 더 큰 변압기 용량 등의 추가 투자가 필요하다. 이 비용은 변압기 수명의 가능한 손실로 새로운 스마트 그리드 개발의 신뢰성, 보안, 효율성 및 경제에 영향을 미칠 수 있다. 전형적인 유통 변압기의 수명 저하는 제어 충전 방식을 사용하여 상당히 줄일 수 있다.

D.    미래 경향 및 인프라와 전기차의 성공적인 보급

환경적인 면이나 효율성에서 여러 장점을 가지고 있음에도 전기차는 보급이 더디다. 충전 인프라 부족이 가장 큰 원인 중의 하나인데 관련법률이나 기술표준, 설치비용, 요금책정방식 등 해결해야 할 문제들이 아직 많이 남아 있다.

레벨 1 및 2의 느린 충전 방식이 편리하고 저렴한 비용 그리고 월박스 같은 특별한 장비를 필요로 하지 않기 때문에 미래에 가장 많이 사용될 것이다. 레벨 3 급속 충전은 전기차의 가용거리 불안을 완화할 수 있는 방법을 제공한다. 지역 사회와 고속도로에서의 급속 충전 가능성이 대량 상용화에 필수적인 요소이다. 저장 및 충전문제에 대한 제한은 유도 노반 충전 방식으로 일부 극복할 수 있다.

향후 10년 동안 전기차의 성공적인 보급은 다음에 따라 달라질 것이다 :

1) 충전 인프라 구축 및 관련 EVSE

2) 충전기 신뢰성, 내구성, 안전 고려 사항,

3) 충전기 효율과 충전기 비용 절감,

4) 양방향 전력 흐름, 통신 및 계량 적합성,

5) 높은 전력을 수용할 수 있는 충전 시스템,

6) 충전 전략, 충전 시간제한 설정 및

접근 규칙,

7) 충전 스테이션의 국제표준화,

8) 충전기 및 커넥터 사용의 용이성.

7. 결론

배터리 충전기, 충전 레벨, 관련 인프라의 현재 동향을 알아보았다. 배터리 성능은 배터리 자체의 영향도 받지만, 충전기의 특성과 인프라의 영향도 받는다. 단방향 충전방식은 하드웨어 요구사항도 적고 배터리 성능저하도 줄여주고 있다. 양방향 충전은 배터리 에너지를 그리드로 주입 가능하게 해준다. 온 보드 충전기는 무게, 공간 및 비용문제로 전력을 제한하는데 이는 전기 드라이브 시스템을 통합된 충전기로 사용함으로 해결 가능하다. 가장 중요한 통합 충전기의 장점은 저비용으로 고전력 양방향 고속충전이 가능하다는 점이다. 유도 충전방식은 노반충전방식으로 적용되어 전기차의 가용거리 문제를 해결해 줄 것이다. 전기차의 성공적인 보급은 기술 표준화, 인프라 구축, 충전기의 효율성 그리고 배터리 기술 향상에 달려있다.

References

1. M. Yilmaz and P. T. Krein, Review of battery Charger topologies, charging power levels, and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles, IEEE Trans. ON POWER ELECTRONICS, VOL. 28, NO. 5, MAY 2013

2. A. Y. Saber and G. K. Venayagamoorthy, One million plug-in electric vehicles on the road by 2015, in Proc. IEEE Intell. Trans. Syst. Conf., Oct. 2009, pp. 141–147.