1. 서 론

최근 짧은 주행거리와 긴 충전 시간이라는 약점을 지닌 전기차의 문제를 해결하기 위해 2018년 이후부터 전기차의 배터리 용량이 점차 증가하는 추세다. 이러한 추세에 맞춰 전기차 충전기도 충전 용량을 증가시키는 등, 전기차의 충전 시간 단축을 위한 기술이 활발히 연구개발 되고 있다^[1,2].

전기차 충전기는 단일형 시스템 또는 모듈형 시스템으로 나눌 수 있다. 단일형 시스템은 제작단가가 낮지만, 용량 확장이 어렵고 대 전력 시스템을 구성할 때 반도체 소자의 스위칭 손실이 증가하여 시스템의 고효율 달성에 어렵다. 이와 비교하여 모듈형 시스템은 모듈의 병렬 연결을 통한 용량 확장 및 생산·유지·보수가 쉬우며, 일부 모듈이 고장이 발생하여도 고장이 발생하지 않은 모듈을 이용하여 충전을 진행할 수 있어 시스템의 신뢰성을 향상할 수 있다^[3-8].

전기차 충전기는 충전을 위해 전기차와 연결되었을 때 충전 포트를 통해 통신을 주고받으며, 이때 전기차 충전기는 전기차가 요청하는 전력에 맞추어 전기차를 충전한다. 전기차에서 충전기로부터 요구하는 전력량은 전기차 내부 배터리의 충전 잔량 (State of Charge: SoC)에 따라 달라지는데, 배터리의 충전 잔량이 적게 남았을 때는 요청하는 전력량이 증가하고, 반대로 배터리의 충전 잔량이 많이 남았을 때는 요청하는 전력량이 감소한다^[9,10].

일반적으로 전력 변환기는 경부하 구간에서 효율이 낮고 중부하 이상 구간에서 효율이 높게 유지된다. 전기차로부터 충전기의 용량에 비례한 일정 용량 이상의 충전량이 요구되어 중부하 이상 구간에서 충전이 진행된다면 충전기는 높은 효율로 충전을 진행할 수 있으나, 반대로 전기차에서 요구하는 충전량이 적어 경부하 구간에서 충전이 진행된다면 충전기는 낮은 효율로 충전을 진행하게 된다. 그리고 이것은 충전기 시스템 전체의 효율 감소로 이어진다^[11,12].

대부분의 모듈형 시스템 충전기는 다수의 모듈이 병렬로 연결된 구조로 되어 있으며 병렬 제어 운전을 통해 전기차로부터 요구하는 충전부하량을 고르게 나누어 분담한다. 만약 전기차에서 요구하는 전력량이 적어 효율이 낮은 경부하 구간에서 충전을 진행해야 할 때, 충전량에 대응하는 병렬 연결된 모듈의 개수를 달리하여 모듈이 중부하 혹은 그 이상의 구간에서 동작할 수 있도록 한다면, 충전기의 전체적인 효율을 상승시킬 수 있다^[13].

다수의 모듈로 구성된 ESS(Energy Storage System)용 PCS(Power Conversion System)의 운전 알고리즘에 대한 연구들은 보고되었다^[13,14]. 박종현 등은 모듈형 PCS의 효율을 극대화하기 위해 PCS가 최대 효율점에서 동작하도록 제어하는 운전 알고리즘을 제안했다^[13]. 배기훈 등은 ESS의 효율을 증가시키고자 출력 전압과 전류에 따른 보상값을 통해서 4개의 PCS 모듈이 동일한 전력을 공유하도록 제어하는 다중 병렬 운전 알고리즘을 제안했다^[14]. 하지만, 전기차 충전 분야에서는 이와 같은 제어 연구 진행이 부족한 실정이다. 또한 이러한 제어 방식이 모듈 개발 단계에서 모듈의 전력 변환 및 병렬 제어 구현에 포함되어 구현되는 경우가 대부분이다. 최근 전기차 충전 시스템의 생산 가격 등의 이유로 완성형 전력 변환 모듈을 채택하여 충전기 시스템에 적용하는 경우가 많은데, 이런 제어 방식이 적용되지 않은 모듈을 사용할 때 모듈의 상위 제어 단에서 제어기법을 적용해주어야 한다.

본 논문에서는 전기차용 모듈형 충전기 시스템의 효율 향상을 위한 모듈 제어기법을 제안한다. 제안하는 모듈 제어기법은 전기차의 요청 전력량에 따라 충전기가 동작시킬 모듈의 수를 제어해 모듈이 최대한 높은 효율을 유지하는 구간에서 동작하도록 하고, 충전기의 전체 시스템 효율이 다양한 충전 범위에서 높게 유지되도록 한다. 30kW 전력 변환 모듈 4개로 이루어진 100kW급 모듈형 충전기를 제작하여 제어기법을 적용하고 적용하지 않은 시험과 비교한 결과를 통해 검증했다.

2. 특성 시험

2.1 전기차 충전 특성

전기차는 충전을 위해 충전기와 연결 시 충전용 커넥터를 통해 통신을 주고받으며, 이때 전기차의 상태 정보를 충전기로 보낸다. 서로 간의 통신을 통해 정보를 확인 후 가능한 상태가 되면, 전기차는 내부 배터리의 충전 잔량에 따라 적정 전력을 충전기에 요청하고, 충전기는 전기차의 요청에 따라 충전을 진행한다. 이후 배터리의 충전 잔량이 일정 기준 이상 많아지면 요청하는 충전량을 줄여나가며 충전을 진행한다. 일반적으로 전기차의 충전은 전기차 내부 배터리를 충전하는 것이기 때문에, 전기차를 충전할 때는 배터리를 충전하기 위해 연구된 알고리즘이나 일부 변형된 알고리즘이 사용된다. 배터리 충전 기법은 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage), MCC-CV(Multi-stage Constant Current-Constant Voltage), BC(Boost Charging), PC(Pulse Charging) 등이 있다^[15].

그림 1은 CC-CV 기법을 사용하였을 때 배터리의 전압과 전류를 도시화한 것이다. 충전 초기에는 설정된 전류를 유지하며 충전을 진행하고, 전압은 설정된 전압만큼 지속해서 상승한다. 이후 전압이 일정한 수준까지 상승하면 전압을 일정하게 유지하며 배터리를 충전한다. 배터리의 충전량이 100%에 가까워짐에 따라 전류는 지속해서 낮아지며 충전이 완료되었다고 판단되면 충전을 중단한다.

그림 1. CC-CV 사용시의 배터리 전압과 전류

Fig. 1. Battery Voltage and current when CC-CV

그림 2는 MCC-CV 기법 사용시 배터리의 전압과 전류를 도시화한 것이다. 충전 초기에는 높은 전류로 제어를 시행하고, 전압이 설정된 값에 도달하면 한 단계 낮은 전류로 충전을 시행한다. 이때 전류가 감소하면서 배터리의 전압이 순간적으로 감소하고 이 현상을 이용하여 설정 전압까지 전류제어를 시행한다. 이런 방법을 여러 번 시도하여 배터리 완충 전압을 넘지 않고 높은 전류로 배터리를 충전한다. 설정된 단계의 전류제어가 끝나면 CV를 사용하여 나머지 충전을 완료한다.

그림 2. MCC-CV 사용시의 배터리 전압과 전류

Fig. 2. Battery Voltage and current when MCC-CV

전기차는 종류별로 다른 방식의 충전기법을 사용하고 있으며, 전기차 대부분은 배터리 충전을 위해 연구된 알고리즘을 충전기법으로 사용하고 있다. 전기차의 충전 특성을 실제로 확인해 보기 위해 100kW급 전기차 급속 충전기를 이용하여 쉐보레의 Volt EV와 기아의 EV에 충전을 진행하여 특성을 살펴보았다. 그림 3과 그림 4는 Volt EV 와 EV6의 충전 특성이다. 두 전기차 모두 배터리의 충전 잔량이 약 30%~40%인 상태에서 충전을 시작하였다. 각 전기차의 설정에 따라 Volt EV는 배터리의 충전량의 77%에서 충전을 중지하였고 EV6는 배터리의 충전량의 90%에서 충전을 중지하였다. 그림 3의 Volt EV의 충전 특성은 초기에 전류를 일정하게 유지하며 충전을 진행하고 충전이 진행됨에 따라 전압이 점점 높아진다. 일정 전압까지 전압이 상승하면 초기에 유지하였던 전륫값보다 조금 낮게 기준치를 변경하여 충전을 진행한다. 이 방식은 기존 연구된 배터리 충전 알고리즘 중 MCC-CV와 유사한 것을 확인했다. 그림 4의 EV6의 충전 특성은 초기에 일정한 전류로 충전을 진행하고 전압이 일정 전압까지 서서히 상승하다가 설정된 전압에 도달하면 전압을 일정하게 유지하면서 전류를 서서히 감소시킨다. 이 방식은 배터리 충전 알고리즘 중 CC-CV와 유사한 것을 확인할 수 있다. 두 개의 다른 전기차의 충전을 진행하며 전기차가 배터리 충전 알고리즘을 사용하여 충전기에 충전 요청을 하고 있다는 것을 확인할 수 있었으며, 충전 시 전기차 내부의 배터리 충전량 상태에 따라 충전 요청 전력을 변동한다는 것을 확인했다.

그림 3. Volt EV 충전 특성

Fig. 3. Volt EV charging characteristics

그림 4. EV6 충전 특성

Fig. 4. EV6 charging characteristics

2.2 모듈의 효율 특성

일반적으로 전력 변환기는 정격출력에 기준으로 하여 경부하 구간에서 낮은 변환 효율을 보이며, 중부하 이상의 구간에서 높은 변환 효율을 유지하는데 실제 전력 변환기의 특성을 알아보기 위해 전력 변환기의 출력을 변경해가며 효율을 측정하였다. 시험에 사용한 모듈은 AC 3상을 입력으로 받아 DC로 변환 출력하는 30kW급 전력 변환기를 사용하여 시험하였다.

그림 5는 모듈의 출력 변화에 따른 효율 변화 측정 시험을 위한 시스템 구성도이다. 모듈의 입력부인 AC 3상의 입력전압과 전류를 측정하고, 출력부인 DC의 출력전압과 전류를 측정하여 전력 분석기를 이용하여 효율을 측정하였다. 전력 분석기는 WT 1800 (YOKOKAWA, JAPAN)을 사용하였으며 AC 및 DC 전류는 전류변성기 (Current Transformer :CT)를 사용하여 전력 분석기에 연결하여 측정하였다. 부하는 10Ω의 저항 부하를 사용하였으며 1kW에서부터 30kW까지 1kW 단위로 전력 변환기의 출력을 변동하며 효율을 측정하였다. 그림 6은 전력 변환기의 출력변화에 따른 효율을 측정한 데이터이다. 각 출력에 따른 효율을 확인해 보면 전력 변환기 정격출력 기준으로 경부하 구간에서 변환 효율이 낮고, 중부하 이상 구간에서 변환 효율이 높은 것을 확인할 수 있다.

그림 5. AC/DC 전력 변환기 효율 측정 시스템의 구성도

Fig. 5. Configration of AC/DC power converter efficiency measurement system

그림 6. 전력변환기의 출력별 효율 그래프

Fig. 6. Efficiency graph for each output the power converter.

3. 제안하는 모듈 제어기법

모듈형 충전기의 모듈 병렬 연결 구성도는 그림 7과 같다. 각 모듈은 AC 3상 (380V 60Hz) 전원을 이용하여 입력받고 있으며, 모듈의 출력부인 DC 부는 병렬 연결되어 전기차에 충전부에 연결된다. 전기차의 내부의 전기차 충전용 통신 컨트롤러 (Electric Vehicle Communication Controller: EVCC)로부터 전기차의 상태정보 및 충전을 위한 전압과 전류 사양이 요청되면, 충전기의 전원공급장치 통신 제어장치 (Supply Equipment Communication Controller: SECC)가 요청되는 정보를 받아 충전기의 주 시스템 제어기로 보낸다. 충전기에 병렬 연결된 각 전력 변환 모듈들은 주 시스템 제어기에 CAN 통신으로 연결되어 있으며, 제어기에서 지령하는 전압과 전류의 값을 받아 충전을 진행한다.

그림 7. 모듈형 충전기의 병렬 연결 구성도

Fig. 7. Parallel connection diagram of a modular charger

제안하는 모듈 제어기법은 그림 8과 같다. 전기차로부터 충전을 위한 전압과 전류의 값이 요청되면 메인 제어시스템은 요청된 전압과 전류의 값을 계산 충전 전력량을 산출한다. 산출된 충전 전력량은 모듈의 용량에 맞추어 기산정해둔 충전 전력량을 기준으로 병렬 운전하는 모듈의 개수를 결정한다. 모듈의 개수를 결정하는 기산정 전력 수치는 100kW 용량의 충전기를 기준으로 산정하였으며, 충전 중에 모듈에 가해지는 부하 스트레스를 줄이기 위해 De-Rating을 적용하여 각 모듈의 최대 출력보다 약 10% 정도 적게 출력되도록 산정하였다.

그림 8. 모듈 운전 제어의 순서도

Fig. 8. Module operation control flowchart

그림 9는 제안하는 전기차 충전 프로파일이다. 일반적으로 전력 변환기는 그림 6과 같이 전력 변환기의 정격출력을 기준으로 하여 경부하 구간에서 효율이 낮고 중부하 이상 구간에서 높게 유지된다. 이때, 전기차에서 요청하는 충전 전력량에 따라 충전 부하를 감당하는 모듈의 개수를 적정하게 조절하면 모듈이 경부하 구간에서 동작하는 구간을 줄이고 중부하 이상 구간에서 동작하는 구간을 늘려 모듈의 동작 효율이 향상되어 충전기의 전체적인 효율이 향상될 수 있다.

그림 9. 제안하는 전기차 충전 프로파일

Fig. 9. Proposed electric vehicle charging profile.

전력량에 따라 구동되는 모듈의 개수가 변경될 때, 모듈은 그림 8과 같이 기산정해둔 전력치를 기준으로 턴온과 턴오프를 한다. 만약 모듈의 수가 결정되는 기산정 전력량 수치 근처에서 충전이 진행될 때, 노이즈나 에러 등으로 인해 충전 전력량이 흔들리게 되면 모듈이 턴온과 턴오프를 반복하는 채터링 현상이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 그림 10과 같이 히스테리시스 밴드를 적용하였다.

그림 8에서 25kW 기준으로 모듈의 수가 결정될 때 히스테리시스 밴드가 적용되지 않았을 경우 노이즈나 에러 등으로 인해 전력량이 25kW 위아래로 흔들리면 두 번째 모듈이 온-오프를 반복하게 된다. 히스테리시스 밴드를 적용하면 전력량이 25kW 이상에서 두 번째 모듈이 온 상태가 되고, 22kW 이하에서 오프 상태가 되기 때문에 25kW 근처에서 전력량이 흔들려도 두 번째 모듈이 온 상태를 유지할 수 있어 채터링 현상을 방지할 수 있다. 전기자동차 직류 충전 기술 표준인 IEC 61851-23에 따르면 전류 제어 충전 모드시 충전기와 전기자동차에서 요구하는 전류의 허용 오차 값이 50A 이상에서 5% 이내이고, 전류 리플 제한이 3A 이내이다. 전압 기준을 최대전압인 1,000V로 하고 전류가 3A 이내로 변동한다고 가정하였을 때 전력 변동 수치는 3kW이며, 이 수치를 기준으로 히스테리시스 밴드를 적용하였다.

그림 10. 제안하는 모듈 제어기법의 히스테리시스

Fig. 10. Hysteresis of the proposed module control technique

4. 시험 결과

제안하는 모듈 제어기법의 타당성을 검증하기 위해 그림11과 같이 30kW 모듈 4개로 이루어진 100kW급 모듈형 충전기를 제작하였다. 충전기에 저항 부하기를 연결하여 출력을 점차 증가시키며 효율을 측정하였고, 충전기에 모듈 제어기법을 적용하여 효율을 시험한 것과 적용하지 않고 시험한 것을 비교하여 결과를 통해 검증하였다. 시험에 사용되는 충전기는 AC 전력량계, 배선용차단기(Molded Case Circuit Breaker: MCCB), 전자접촉기(Magnetic Contactor:　MC), 30kW 전력 변환기 모듈 4개, DC 전력량계, DC 릴레이 등으로 구성되어 있으며, 제어기는 TI사의 TMS320F28377을 사용하였다.

그림 11. 전기차 충전기의 효율 시험

Fig. 11. Efficiency test of electric vehicle chargers

그림 12는 모듈 제어기법 적용에 따른 충전기의 효율 비교한 결과를 나타낸다. 출력을 1kW에서부터 40kW까지 증가시켰을 때 제어기법을 적용했을 때 효율이 적용하지 않았을 때보다 전체적으로 상승한 것을 확인했다. 평균 효율은 제어기법을 적용하지 않았을 때는 80.46%이고, 적용하였을 때는 85.5%로 약 5%의 차이가 났다. 특히 20kW 미만 출력 구간에서 효율의 차이가 크게 나는 것을 확인할 수 있으며, 가장 많은 차이를 보인 출력은 2kW로 약 25% 효율 차이가 났다.

그림 12. 모듈 제어기법 적용에 따른 효율 비교

Fig. 12. Efficiency comparison by applying module control technique

5. 결 론

본 논문에서는 전기차용 모듈형 충전기의 효율 향상을 위한 모듈 제어기법에 대해 알아보았다. 전기차에서 요청하는 출력량에 따라 병렬운전 모듈 개수를 결정하여 충전을 진행하는 제어 방식은 충전기의 정격용량 기준 경부하 구간에서의 낮은 효율을 일부 개선하여 시스템 전체적인 효율이 향상하는 효과를 보였다. 이 제어 방식은 용량에 따라 병렬 구성되는 모듈의 개수가 많아질수록 효과가 증대될 것으로 보이며, 병렬 제어가 지원되는 모듈이라면 어떠한 모듈을 사용하여도 적용할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 병렬 제어를 지원하는 모듈을 사용해야 적용할 수 있다는 제한이 있으며, 모듈이 충전량에 따라 순차적으로 동작하기 때문에 모듈의 부하 스트레스가 일부 모듈로 치우치는 단점이 있어 이를 해결하기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.