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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 최세완
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수33
이 논문의 연구 히스토리 (5)
2021
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본 논문에서는 단상/3상 겸용의 전해커패시터가 없는 전기자동차 탑재형 충전기를 제안한다. 제안하는 충전기 구조는 모듈러 타입으로 3개의 모듈로 구성되는데 각 모듈의 토폴로지는 양방향 단일단 인터리브드 토템폴 AC/DC 컨버터로써 전해커패시터가 없고 소자수가 적어 고전력밀도, 고효율, 높은 신뢰성을 가진다.
계통 3상 입력 시, 제안하는 충전기는 전해커패시터가 없어 각 모듈의 출력에는 계통의 2차 고조파 성분이 존재함에도 불구하고 3상 모듈의 출력 전류 합은 계통의 2차 고조파가 각각 120도 위상차를 가지게 되어 2차 고조파는 저절로 상쇄된다. 따라서 제안하는 충전기는 전해커패시터 없이 DC 배터리 충전 전류가 보장된다. 또한 3상 계통의 전압이 불평형인 조건에서도 제안하는 밸런싱 제어를 통해 DC 배터리 충전전류가 보장된다.
계통 단상 입력 시, 제안하는 충전기는 2개의 모듈은 계통에 병렬로 연결되어 배터리에 전력을 제공하고 나머지 1개의 모듈은 계통과 분리되어 파워 디커플링 회로로 재구성된다. 제안하는 파워 디커플링 회로는 추가되는 스위치 소자 없이 릴레이와 디커플링 커패시터만 가지고 배터리의 2차고조파 성분을 흡수하여 배터리에 DC 충전전류를 제공하는 것을 가능하게 한다.
충전기의 넓은 계통 전압과 배터리 전압에서 소프트 스위칭을 제공하기 위해 1차 측 듀티 조정 및 하이브리드 동작 전략을 제안한다. 제안하는 1차 측 듀티 조정 전략은 극악 조건인 미국과 일본의 단상 저전압 계통에서 소프트 스위칭을 성취하기 위한 기법으로 계통전압의 피크 값을 배터리 전압과 같게 유지한다. 그 결과 제안하는 충전기는 넓은 단상/3상 계통과 배터리 전압 범위에서 전 구간 소프트 스위칭을 성취하며 여전히 제어 변수는 1개의 phase-shift angle로 유지된다. 제안하는 하이브리드 동작 전략은 다양한 국가의 단상 고압 전압과 3상 전압을 위한 기법으로 넓은 배터리 전압과 계통 전압에서 전 구간 소프트 스위칭을 가능하게 한다. 제안하는 하이브리드 동작 전략은 일부 배터리 전압과 계통의 순시전압이 낮은 구간에서 적용되는데 기존의 phase-shift angle이 90도 보다 작게 사용되었지만 일부 구간에서만 90도 보다 크게 사용하여 소프트 스위칭을 달성한다.
또한 제안하는 4차 고조파 주입 모듈레이션 방식은 출력 전력의 비선형성 특성을 선형화하여 계통의 저차 고조파를 제거하여 OBC의 V2G 기능을 가능하게 한다.
끝으로 본 논문에서 제안하는 충전기의 동작 원리를 분석하고 검증하기 위해 11kW급 시작품을 제작하였다. 제작된 충전기 시작품은 전해커패시터가 없고 플라나 변압기 도입 덕택으로 스택의 높이는 18mm로 설계되었고 그 결과 5.58 kW/L의 높은 전력밀도를 달성했으며 11kW 정격 전력에서의 효율은 97.01%를 달성했다. 따라서 제안하는 無전해커패시터 단일단 충전기는 고 전력밀도, 고효율, 높은 신뢰성이 요구되는 충전기를 위한 적합한 솔루션이 될 수 있다.
계통 3상 입력 시, 제안하는 충전기는 전해커패시터가 없어 각 모듈의 출력에는 계통의 2차 고조파 성분이 존재함에도 불구하고 3상 모듈의 출력 전류 합은 계통의 2차 고조파가 각각 120도 위상차를 가지게 되어 2차 고조파는 저절로 상쇄된다. 따라서 제안하는 충전기는 전해커패시터 없이 DC 배터리 충전 전류가 보장된다. 또한 3상 계통의 전압이 불평형인 조건에서도 제안하는 밸런싱 제어를 통해 DC 배터리 충전전류가 보장된다.
계통 단상 입력 시, 제안하는 충전기는 2개의 모듈은 계통에 병렬로 연결되어 배터리에 전력을 제공하고 나머지 1개의 모듈은 계통과 분리되어 파워 디커플링 회로로 재구성된다. 제안하는 파워 디커플링 회로는 추가되는 스위치 소자 없이 릴레이와 디커플링 커패시터만 가지고 배터리의 2차고조파 성분을 흡수하여 배터리에 DC 충전전류를 제공하는 것을 가능하게 한다.
충전기의 넓은 계통 전압과 배터리 전압에서 소프트 스위칭을 제공하기 위해 1차 측 듀티 조정 및 하이브리드 동작 전략을 제안한다. 제안하는 1차 측 듀티 조정 전략은 극악 조건인 미국과 일본의 단상 저전압 계통에서 소프트 스위칭을 성취하기 위한 기법으로 계통전압의 피크 값을 배터리 전압과 같게 유지한다. 그 결과 제안하는 충전기는 넓은 단상/3상 계통과 배터리 전압 범위에서 전 구간 소프트 스위칭을 성취하며 여전히 제어 변수는 1개의 phase-shift angle로 유지된다. 제안하는 하이브리드 동작 전략은 다양한 국가의 단상 고압 전압과 3상 전압을 위한 기법으로 넓은 배터리 전압과 계통 전압에서 전 구간 소프트 스위칭을 가능하게 한다. 제안하는 하이브리드 동작 전략은 일부 배터리 전압과 계통의 순시전압이 낮은 구간에서 적용되는데 기존의 phase-shift angle이 90도 보다 작게 사용되었지만 일부 구간에서만 90도 보다 크게 사용하여 소프트 스위칭을 달성한다.
또한 제안하는 4차 고조파 주입 모듈레이션 방식은 출력 전력의 비선형성 특성을 선형화하여 계통의 저차 고조파를 제거하여 OBC의 V2G 기능을 가능하게 한다.
끝으로 본 논문에서 제안하는 충전기의 동작 원리를 분석하고 검증하기 위해 11kW급 시작품을 제작하였다. 제작된 충전기 시작품은 전해커패시터가 없고 플라나 변압기 도입 덕택으로 스택의 높이는 18mm로 설계되었고 그 결과 5.58 kW/L의 높은 전력밀도를 달성했으며 11kW 정격 전력에서의 효율은 97.01%를 달성했다. 따라서 제안하는 無전해커패시터 단일단 충전기는 고 전력밀도, 고효율, 높은 신뢰성이 요구되는 충전기를 위한 적합한 솔루션이 될 수 있다.
목차
요약 ⅰ표목차 ⅲ그림목차 ⅲ기호설명 viI. 서 론 11. 연구 배경 및 필요성 12. 연구 목적 및 방법 53. 논문 구성 6II. 기존 전기자동차 충전기 71. 모듈러 2단 방식 92. 논모듈러 2단 방식 133. 모듈러 단일단 방식 17III. 제안하는 전기자동차 충전기 211. 모듈러 단일단 컨버터 동작 원리 232. 3상 계통에서의 동작원리 273. 단상 고전압 계통에서의 동작원리 334. 단상 저전압 계통에서의 동작원리 37IV. 소프트 스위칭 전략 45V. 4차고조파 주입 모듈레이션 방식 52VI. 실험결과 59VII. 결 론 78참고문헌 79영문초록(Abstract) 85
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