전기 자동차용 3-포트 양방향 컨버터의 Idling Port 분리 제어기법

Abstract

배터리 충전기와 DC-DC 컨버터는 전기자동차에 장착된다. 배터리 충전기는 AC 그리드(AC grid)로부터 파워를 공급받아 메인 배터리를 충전한다. DC-DC 컨버터는 14V 시스템(라이트, 팬, 파워 윈도우 등)에 파워를 공급하는 역할을 한다. 하지만 전기자동차에서 부피 및 비용은 엄격하고 중요한 요건이므로 배터리 충전기와 DC-DC 컨버터를 하나로 통합하는 것이 좋다. 배터리 충전기와 DC-DC 컨버터는 3-포트 컨버터를 이용하여 하나의 토폴로지로 통합 될 수 있다. 3-포트 컨버터는 3개의 H-브릿지와 3개의 와인딩을 가진 하나의 트랜스포머로 구성된다. 메인 배터리, AC grid 그리고 14V 파워 시스템은 각각의 H-브릿지에 연결된다. 본 논문은 3-포트 컨버터가 배터리 충전기 모드 혹은 DC-DC 컨버터 모드일 경우 H-브릿지들 사이의 파워 제어 방법에 관한 것을 논한다. 각각의 모드에서 3개의 H-브릿지 중 2개의 H-브릿지만 파워전달에 이용되기 때문에, 남은 하나의 포트의 파워출입은 허용되지 않는다. 여기서 파워출입이 허용되지 않는 포트를 본 논문에서 idling port라고 불린다. Idling port로의 파워 전달을 막기 위해서, 본 논문에서는 가상 분리 기법(virtual isolation scheme)을 제안한다. 가상 분리 기법의 기본 아이디어는 idling port로 흐르는 전류를 0A로 제어해서 idling port로 출입하는 파워를 막는 것이다. 페이서 분석(phasor analysis)을 이용하면, idling port로 흐르는 전류를 0A으로 제어 할 수 있는 idling port의 전압조건을 구할 수 있다. 즉 이 전압 조건을 idling port의 dc-link 전압이 유지하는 동안 idling port로 흐르는 파워를 막을 수 있다. 이러한 가상 분리 기법 조건에서는 idling port의 전압은 다른 2개의 포드들의 전압의 끝점을 연결한 선분 위에 놓이게 된다. 동시에 모든 인덕터 전류들은 평행한 상태에 놓이게 되면서, idling port로 흐르는 전류가 0A가 된다. 이러한 가상 분리 기법의 유효성은 시뮬레이션과 실험 결과로 증명된다.

The EV needs to be equipped with an on-board battery charger and a DC-DC converter. The main battery is charged from the AC grid via the battery charger. The DC-DC converter supplies power to the 14V auxiliary power systems such as lights, fans, wipers, power windows, radio, etc. However, in EVs the volume and cost requirements are so strict that it is better to combine the battery charger with the DC-DC converter. The battery charger andthe DC-DC converter can be combined in a single unit with the three-port converter topology. It consists of three H-bridges and a three-winding transformer. The main battery, AC grid, and 14V auxiliary power systems are connected to each H-bridge. The control goal is to operate the battery charger and the DC-DC converter exclusively. Since two ports are engaged in each operation, there remains one idling port. To block power flowing intoan idling port, a virtual isolation scheme is proposed. According to the phasor diagram, the isolation condition requires that an end point of the voltage vector of the idling port should lie on the line that connects the end points of the other two vectors. In such a case, all the inductor current vectors of the Δ-equivalent circuit are parallel and no inductor current flows into the idling port. Therefore, the net power from/to the idling port is equal to zero. Effectiveness of the proposed isolation scheme is verified by simulation and experimental results.