2020. 9. 16. 15:47ㆍ자동차/기술정보
최근 화석 에너지 고갈과 환경 문제로 대두되고 있는 부분은 크게 전기자동차 분 야와 신재생 에너지 분야이다. 이에 따라 내연 기관 자동차에서 전기 자동차 시대로 변 화 되어 가고 있고, 구성 요소 또한 대체되어 가고 있다. 전기자동차는 석유 연료와 엔 진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기모터를 사용해 구동하는 자동차이다. 전기자동 차의 특징으로는 가솔린을 사용하지 않아 주행 중 탄소배출량이 거의 없어 연비 및 이 산화탄소 절감 측면에서 매우 우수하며, 운영비용 및 에너지 효율도 뛰어나다. 그러나 배터리에 저장된 전기에너지만으로 주행 및 가속이 이루어지므로 타 그린 카에 비해 배터리 의존도가 높다. 그동안 전기자동차는 가솔린 자동차보다 오랜 역사를 갖고 있었으나 배터리 중량, 충전 시간 등의 문제로 인해 실용화되지 못했다. 그러나 최근 들어 경제성과 친환경성을 만족시키면서 GM, 르노 등 주요 자동차 업체들을 중심으로 전기 자동차 개발이 활성화되어 GM의 ‘볼트’, 닛산의 ‘리프’등이 상용화되어 본격 적으 로 시판되고 있고, 국내에서도 저속 전차와 고속 전기차가 잇따라 개발되고 있다. 친환 경 중심의 사회로 변화함에 따라 자동차 시장이 하이브리드 및 전기자동차 시장이 활 발해 지고 있지만 이때 활발한 시장을 육성하기 위해서는 전기차의 핵심인 배터리 충 전이다. 물론 충전되어있는 배터리를 얼마나 고효율로 사용하느냐도 중요하지만 계통 전 원을 이용하여 배터리를 충전하는 효율도 매우 중요하다. 계통에서 DC로 변환해주는 PFC 회로나 인버터 회로는 고효율화 및 역률개선이 잘 되어 있는 기존 회로들이 많기 때문에 본 논문에서는 98%의 효율을 목표로 고효율 충전기의 DC-DC Converter 부분을 제안하였으며, DC-DC 2차 측 회로의 Full-Bridge 회로에 SRT 보상회로를 적용하여 효율 향상을 할 수 있다는 점을 실험을 통하여 검증하였다.
1900년대 이후 급격한 산업화로 인해 이산화탄소 농도가 높아지고 있고 이로 인해 지구온난화 현상이 대두되고 있으며 자연재해 및 기후 변화 발생 등의 요인으로 작용하여 이상 기온, 대형 태풍 발생, 물 부족 사태 등 환경 문제로 인한 피해가 급증하고 있다. 또한 80년대 이후 대형 유전의 대부분이 발견되었으며 이로 인해 채굴 가격은 지 속적으로 증가하고 있고 BRICs 국가의 급격한 석유 소비 증가로 유가상승은 계속될 전망이다. 이러한 환경오염과 유가상승으로 최근 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 전 세계 에너지 사용량 중 21%가 수송 분야에서 소모가 되고 있으며, 환경오염 가스의 19%가 자동차에 의해 배출되고 있다. 이러한 이 유로 여러 나라의 정부는 물론 기업, 민간부문까지 친환경 자동차에 대한 관심이 커지고 있으며 다양한 규제와 정책을 통해 친환경 자동차의 보급을 활성화하기 위해 노력하고 있다. 이러한 분위기 속에서 최근 미츠비시 자동차가 세계 최초의 양산 전기차인 i-MiEV를 출시하면서 친환경 자동차는 바야흐로 하이브리드 자동차를 거쳐 전기자동차 시대를 맞이하게 되었다. 전기자동차 시장은 2011년 이후 형성되어 2020년부터 전체 차량의 17% 이상이 될 것으로 예상되고 있으며, 이와 더불어 탑재형 충전기의 시장 또한 계속 증가하여 2011년에 15만 대에서 2020년에는 316만 대(1.2조) 규모로 예상되고 있다.
차량의 수명과 가장 밀접한 관련이 있는 고전압 전해 커패시터를 사용하지 않는 방식을 사용하였으며, 출력 필터를 최소화하였다. 제안한 컨버터 이전에 고 효율 컨버터를 위하여 고전압 컨버터도 설계하여 테스트해본 결과 단순 전압이 높아지고 전류가 작아지면 효율이 올라간다는 생각은 바뀌게 되었으며, 400V 입력으로 기존 풀 브리지 회로를 SRT회로로 보상해 줌으로써 효율이 개선된다는 결과를 얻었다. 실험 결과 소프트 스위칭도 잘 동작하고, 절연형 컨버터이기에 안정성도 검증이 되며, 제어기는 어렵지 않은 PI제어기로 컨트롤을 하므로 Cost면에서도 나쁘지 않다. 회로 또한 기존 플브리지 회로나 SRT방식의 경우 효율 개선을 위한 전류 분배 법칙을 이용하여 다이오드 8개를 2 병렬로 이용하였지만 위의 회로는 병렬 방식에 쓰일 다이오 드를 FB 회로에 4개, SRT회로에 4개 적용하여 소자 부분의 Cost도 차이 나지 않는다. 단 SRT 공진 인덕터 및 공진 커패시터 면에서 Cost가 소모되지만 출력 필터 커패시터를 필름 커패시터로 최소화하여 Cost 및 수명에도 좋은 결과를 얻을 수 있다. 입력 전압의 크기에 따른 동작이 분석되었으며, 몇 가지의 설계 가이드라인이 이 분석에 기초하여 유도되었다. 이를 근거로 제작된 6.6kW급 전기자동차용 충전기로부터 진 행한 실험을 통해 전류 증폭 회로에 의해 소프트 스위칭을 통하여 스위칭 손실 및 스트 레스를 최소화하였으며, 최종 효율이 기존 회로에 비해 개선되었다는 점을 검증하였 다. 출력 전압 413V 기준 효율 97.9%의 결과를 도출해내었고, Overvoltage Protection, Overcurrent Protection, Undervoltage Protection의 구현을 통해 안정성을 보장하였다. 따라서 이는 장수명, 고압 EV용 배터리 충전기에 적합하다.
이상으로 전기자동차 충전기의 효율향상을 위한 SRT에 대해서 알아보았습니다. 감사합니다.