부산대학교 도서관

Li-Ion계 배터리의 전력밀도와 에너지 밀도가 비약적으로 증가하면서 화석연료에 대한 의존도를 현저히 낮춘 PHEV나 순수 전기에너지 만의 힘으로 동력을 발생시키는 EV의 실현이 가능해졌고, EV와 PHEV는 대용량화 된 배터리를 외부 전기에너지로부터 충전시키기 위한 탑재형 배터리 충전기가 필수적이다. 탑재형 충전기는 기존 내연기관 차량의 급유 시스템을 대체하는 장치로 EV에 상시 탑재해야 하기 때문에 EV의 일충전 주행거리 (연비)에 직∙간접적인 영향을 미치므로 반드시 고효율, 고전력밀도, 경량화가 요구된다. 본 논문에서는 탑재형 충전기의 고효율 및 고전력밀도 구현을 위해 SRC를 이용하여 3.3 kW 탑재형 충전기를 설계한다. SRC에서는 공진 Network에 따라 Q-factor가 변화되고, 이에 따라 충전 가능 전력범위, ZVS의 안정성, 시스템의 손실 등이 결정되기 때문에 공진 Network의 최적설계가 반드시 필요하다. 하지만 공진 Network에 따라 동일 출력을 내기 위한 스위칭 주파수가 변하고 이에 따라 각 요소 부품의 손실도 달라지게 되는 등 시스템 측면에서는 매우 다양한 변수와 관련되어 있으므로 일반화된 방법으로 최적의 공진 Network을 설계하는 것은 불가능하다. 따라서 공진 Network이 탑재형 충전기 시스템 전반에 미치는 주요한 영향을 분석하여 ‘입출력 이득, ∆fsw, 시스템 손실, Ɵ‘의 네 가지 평가요소를 대상으로 수학적 모델링을 통한 최적 설계 모델을 수립한다. 수립된 설계 모델을 기반으로 본 논문의 계발 사양을 만족시킬 수 있는 Q-factor의 범위를 계산하고, 계산된 Q-factor의 범위 내에서 Q#1=Lr/Cr, Q#2=2Lr/0.5Cr, Q#3=0.5Lr/2Cr 의 세 가지 공진 Network을 선택하여 각 조건에서 Q-factor에 따른 충전 가능 전력범위, 충전 전압을 만족시키기 위한 요구되는 ∆fsw, 이로 인한 시스템 손실 발생 추이, 그리고 ZVS의 안정성 등을 이론적으로 비교 분석한다. 분석 결과를 통해 최고효율 및 고전력밀도 확보가 가능한 공진 Network (Q#1)을 실 설계하여 실험한 결과를 제시함으로써 이론적 분석 결과의 타당성을 검증하며, 3.3 kW 탑재형 충전기는 최고 92.9% 효율과 565 W/l의 (5.84l, 5.8kg) 고전력밀도 달성을 확인한다.
As the power and energy density rapidly increase, it has been possible to realize PHEVs, which make dependence on fossil fuels low, and EVs, which generate driving force using only pure electric energy. In order to charge the high capacity battery of PHEVs and EVs from external electric energy, on-board battery charger is inevitably needed. Because on-board battery charger should be always loaded onto the vehicle instead of conventional fueling system for internal combustion engine, it effects driving distance per charging (fuel efficiency). Therefore, high efficiency, high power density, and reducing weight are absolutely required.In this paper, 3.3kW on-board battery charger is designed using a Series Loaded Resonant DC-DC Converter (SRC) to gain high efficiency and high power density. In the SRC, Q-factor changes by the resonant network, and charging possible power range, stability of zero voltage switching (ZVS), and system power loss are determined. Accordingly, optimal design of resonant network (Q-factor) is definitely needed. However, there are a great variety of variables in terms of system. For example, switching frequency for identical output changes according to Q-factor, and loss of each element also varies. For this reason, it is impossible to obtain the optimal Q-factor in general way. Thus, under three resonant network conditions, Q#1=Lr/Cr, Q#2=2Lr/0.5Cr, Q#3=0.5Lr/2Cr, charging possible power range, switching frequency control band to meet the charging voltage, development of system power loss generation, stability of ZVS, and etc. are theoretically analyzed. Based on analysis results, Network (Q#1) which secures the highest efficiency and power density is designed, then, the validity of theoretical analysis results is verified by presenting experimental results. 3.3kW on-board battery charger applying Q#1 achieves the maximum efficiency of 92.9%, and power density of 565 W/l (5.84l, 5.8kg).