실시간 충전 전력분석을 통한 전기 자동차 충전기의 효율적인 충전 분배 알고리즘에 관한 연구

1. 서 론

최근 전기차 보조금 지급 방식과 같은 활성화 정책으로 전기차 보급 활성화가 이루어지고 있다. 그러나 전기자동차 충전 인프라는 부족할 실정이다. 국가 차원에서 정책적인 충전기 설치 사업으로 인해 충전기는 많은 수가 보급되고 있지만, 충전기의 최대 전력 수용량을 만족하기 위해서는 배전시설 증설 및 확장 등 설비 구축 비용확대 등의 문제가 존재한다.¹⁾ 이러한 문제로 전력 가용량 대비 적은 수의 충전기를 설치하며 전력 분배 방식을 사용 하거나 충전 스케줄을 정하여 순차 충전을 하는 방법들이 연구되었다.^1-3)

Fig. 1은 완속 충전기로부터 실제로 받은 전기차 충전량 그래프이며 만충에 가까워지는 상태에는 충전량이 현저하게 떨어지는 것을 볼 수 있다. 이 현상은 배터리가 만충 상태에 가까워 질 때 배터리를 보호하는 기능이 동작되어 전류량을 줄이는 것으로 대부분 차량에 이러한 방법이 사용된다. Fig. 2는 전기 버스의 충전할 때 SOC, 충전 효율, 전력을 데이터를 받은 그림으로 SOC가 20 %일 때부터 전력량을 증가시키다가 약 65 %일 때부터 전력량을 단계별로 감소시키는 것을 보여준다. 이는 SOC의 상태에 따라 배터리의 충전 가용량을 판단하여 전력을 증가 또는 감소하는 것으로 배터리 보호를 위한 것이다.

Fig. 1

Slow charging power reduction graph

Fig. 2

The Graph of fast charge status of e-bus

이때 계약 전력을 고려하면 우리는 사용할 수 있는 잉여전력을 확인할 수 있으며 잉여 전력을 다른 충전에 사용하면 보다 효과적인 충전이 될 수 있다.

본 논문에서는 기존의 충전기에서 사용하는 신호들을 이용하여 차량 충전 상태를 판별하고 이에 따라 최대 사용률을 만족하기 위한 분배 알고리즘을 제안하였다.

2장에서는 기존의 전기차 충전 인프라에 대한 설명을 하고 3장에서는 기존에 연구되었던 단순 분배 알고리즘에 대해서 설명한다.

4장에서는 충전기에서 충전 사용률을 최대로 사용할 수 있는 제안된 충전 알고리즘에 대하서 설명하고 5장에서는 알고리즘 검증을 위한 시뮬레이션 및 시험 결과를 설명하고 결론을 맺는다.

2. 전기차 충전 인프라

충전 인프라는 전기 공급 업체에서 AC 전기를 공급하고 AC 전력량에 맞는 전력설비(배전반, 전기선)을 통해 충전기로 전력을 공급한다. 이때 충전기의 최대 충전 용량을 고려하여 전기 공급 업체와 전력을 계약하며 각각의 충전기는 계약된 전력 만큼 공급을 할 수 있는 준비가 된다. 전기차가 충전기에 연결되면 충전기에서는 전기차로 충전 가용 전력 정보를 전송하고 전기차에서는 차량의 상태에 맞도록 충전 인프라 전력의 가용 범위 안에서 충전을 수행한다. 충전 인프라에 대한 구성은 Fig. 3에서 보여준다.

Fig. 3

The structure of EVSE

충전 프로토콜은 충전기 CP 통신선을 이용하여 PWM 통신을 수행하며 국제표준은 IEC 61851-1을 따른다.^4,5) 완속 충전기의 경우 보통 220VAC 전압에 32A 전류 용량으로 약 7kW의 용량으로 설계된다.

전기자동차의 OBC에서는 EVSE로부터 충전 가용량을 PWM의 듀티비로 계산하여 최대 가용량을 확인하고 내부 배터리 상태를 확인하여 전류 및 전압 제어로 최대 가용량 이내로 충전을 수행한다. 만약 배터리가 만충에 가까운 상태라면 충전기의 가용량이 7 kW로 설정되어 있어도 배터리에서 충전 가능한 값으로 충전 된다.

3 기존의 충전 분배 알고리즘

충전기가 여러 대 설치되어있는 공간의 경우 동시에 충전기가 최대로 충전하는 경우는 확률적으로 크지 않아 충전 설비를 최대치로 맞추어 설계하는 것은 바람직하지 않다. 이를 해결하고자 분배에 대한 해법이 연구되었으며 본 논문에서는 기존에 연구되었던 균등 분배 방식에 대해서 설명한다.

균등 분배 방식은 제한된 전력용량을 가지고 각 충전기의 전력 제어를 위해서 총 가용량을 전기 공급 업체로부터 정보를 받아 그에 대한 분배를 수행하는 방식이다. 예를 들어 충전기의 최대 가용량이 6 kW이고 6대가 설치되어 있으면 36 kW의 전력 설비가 필요하다.

최대 가용량을 만족 시키지 못하는 환경에서 30 kW의 전력 설비가 가능하다고 하면 5대 까지 전기차가 연결된 경우 각 6 kW의 최대 충전이 가능하나 6대가 연결된 경우 5 kW(30 kW/6대)로 충전량을 줄여야하고 이때 충전기에서 CP신호를 이용하여 전기차량에 최대 가용 전력을 PWM 듀티 사이클로 전달하는 방법이 있다.

Fig. 5는 손영욱 등¹⁾에서 제안한 방법으로 전기 공급 업체로부터 최대 가용량 정보를 입력받아 연결된 차량에 균등하게 충전 가용량을 설정하는 개념을 보여준다.

이러한 방식은 단순히 차량 연결된 차량의 수로 충전가용량을 나누어 분배를 수행한다. 이러한 경우 배터리가 만충되는 차량이 전력량을 감소시키더라도 충전기에서는 일정한 전력량을 할당하게 되어 주어진 가용량을 최대한 활용할 수 없다. 예를 들어 6대의 차량이 연결되어 있고 3대의 차량의 배터리 80 %이상으로 충전 전력이 줄어들어 1 kW로 충전되고 있고 나머지 차량은 충분히 6 kW로 충전이 가능한 상황일 때, 손영욱 등¹⁾ 경우 균등하게 5 kW로 충전량을 할당하며 실제 충전 되는 총량은 분배된 5 kW × 3대 + 1 kW × 3대로 총 18 kW가 사용된다.

3대의 차량은 추가로 충전이 가능함에도 불구하고 5 kW로 균등 분배가 되어 그 만큼만 충전을 수행하는 단점이 존재한다.

Fig. 4

Equal distribution method of charging power proposed in the paper1)

4. 충전 사용량을 높이기 위해 제안된 알고리즘

현재 구축된 충전기는 전력 공급 업체와 고정적으로 최대사용 전력을 계약하고 사용하도록 하고 있다. 따라서 충전 인프라는 최대 전력 공급 전력량을 Fig. 5와 같이 할당하되 전기차는 고정되어 있는 전력량을 참조하여 차량상태에 맞도록 충전을 수행한다.

Fig. 5

Conventional charging method

차량에서 충전량을 결정하는 요소는 충전인프라의 최대 공급가능한 전력, 배터리의 충전상태, 배터리 셀의 온도 등이 충전 전력을 결정하는 요인으로 작용한다. Fig. 6은 기존 충전 방식에서 사용할 수 있는 잉여 전력이 있음을 보여준다. Fig. 6-①의 고정적으로 할당된 전력량이며, Fig. 6-②는 남는 잉여 전력을 보여준다.

Fig. 6

Extra power using conventional method

본 논문에서는 전기차가 충전될 때 차량 상태에 따라 가용 범위까지 충전량을 사용하지 못할 경우 이를 다른 충전기에서 사용할 수 있도록 유도 한다. Fig. 7에서는 전기차의 실제 충전량 정보를 이용하여 충전 인프라의 최대 충전 용량 설정을 실시간으로 바꾸는 개념을 보여준다.

Fig. 7

Charging method using the proposed method

단순히 전력 사용량에 따라 전력 가용량을 한정하여 다른 쪽에서 잉여 전력을 사용할 수 있도록 할 때 Fig. 8과 같은 문제가 발생한다. 그림에서 최초 전기차가 연결되어 ①만큼 충전하여 전력 충전량을 할당하였고, 자동차 내부의 상황에 따라 전력을 증가하려고 시도하게 되지만, 최초에 전력을 사용한 것을 참조하여 충전 인프라 가용 충전량이 설정되어 있어 차량 측에서 충전 전력을 증가시킬 수 없다.

Fig. 8

The problems of determining the maximum capacity that can be charged according to the actual charge

이러한 문제를 해결하기 위해 Fig. 9와 같이 충전인프라는 현재 충전하고 있는 충전전력에 마진을 둔다. 마진을 두면 전기차가 충전 요구량을 증가할 수 있으며 계속적인 충전량 모니터링을 통해 마진을 고려하여 충전 가능량 설정을 하므로 충전량 증가가 가능하다.

Fig. 9

The method determine the maximum capacity that can be charged by placing a margin on the actual charge

Fig. 9와 같이 충전 분배 로직을 설계하면 최초 충전량이 차량이 가능한 최대 충전량까지 도달하는데 시간이 오래 걸리므로 이러한 단점을 보완하기 위하여 최초 차량이 연결되었을 때 가용전력량은 최대 가용량에서 차량대수를 나눈 값을 적용한다. 이렇게 수정된 방식을 Fig. 10에서 보여준다. 차량이 연결되는 순간 최초 충전 가능 값이 설정되므로 최대 충전량에 빨리 도달할 수 있다.

Fig. 10

Proposed final distribution method

제안한 알고리즘의 동작 시퀀스를 요약하면 Fig. 11과 같다. 특이 사항은 계산된 충전 가용량 정보가 충전기가 가지고 있는 자체 용량이 최대 가용량을 넘어서는 경우 최대 값으로 강제 변환을 수행하는 부분이 추가되어 있다.

Fig. 11

Operation sequence of the proposed algorithm

제안된 알고리즘을 사용하면 식 (1)과 같은 전력을 타충전기에서 사용할 수 있다.

제안한 알고리즘을 상세 순서도로 나타내면 Fig. 12와 같다.

Fig. 12

The flowchart of the proposed algorithm

Fig. 12의 상세 동작을 설명하면,

• ① 최초에 총 가용량 정보를 전력 공급업체에서 입력받고 차량연결 상태를 확인한다.
• ② 충전기와 연결대수와 포트 최대 충전량를 곱한 값은 예상 충전량이 되고 이 값이 총가용량보다 작거나 같은지 확인한다. 만약 ②에서 예상 충전량이 총가용량보다 작거나 같으면, 각 포트당 총가용량은 각 포트 당 할당할 수 있는 최대값으로 CP의 듀티 사이클을 출력한다.
• ③ 만약 예상 충전량이 총가용량을 넘게 되면 포트당 지령은 최대 가용량을 연결된 차량 대수로 나누어 할당한다.여기까지는 기존의 단순 분배 알고리즘과 동일하다. 하지만 만약 연결된 차량이 배터리 만충으로 인해 실제 충전이 작게 된다면, 다른쪽으로 가용량을 증가시켜주는 것이 효율적이다.
• ④ ③을 실행 후 10초 정도 기다리면 포트당 충전 가용량을 확인하고 가용량 이내의 전력으로 차량의 OBC가 충전을 수행한다.
• ⑤ 각 포트당 충전 가용량을 늘려줘도 차량에서 충전이 불가능한 경우이므로 포트지령(CP의 듀티사이클)을 현재 충전량으로 업데이트 한다. 그러면 총가용량에서 충전 포트 충전전력의 합을 빼면 가용한 잔여 총전력이 산출된다.각 포트당 증가 전력은 잔여 총 전력에서 연결된 충전기 대수를 나누면 각각의 포트에 증가할 수 전력량을 산출할 수 있다. 최종 각 포트 충전 지령은 증가전력이 추가 되어 이를 PWM으로 환산하여 출력하면 10초 단위로 업데이트되어 충전이 증가하는 포트는 최대 포트 충전 지령까지 증가하며, 더 이상 증가하지 않는 충전 포트는 현재 충전량 더하기 증가전력 만큼의 CP의 듀티 사이클이 출력되게 된다.
• ⑥ 충전기로부터 차량이 새로 연결되거나 분리될 때, 또는 전기 업체로부터 가용량이 변하게 되면 ①로 복귀하여 다시 분배를 수행하기 위하여 매번 검사를 수행한다.

5. 제안한 분배 로직 시뮬레이션

제안된 알고리즘의 효과를 검증하기 위해 차량이 차량 상태에 따라 충전 량을 줄이는 상황을 모사하였고 이때 기존의 충전 방식에서는 남는 충전량과 제안한 알고리즘을 사용하였을 때 남는 충전량을 보여주는 시뮬레이션 환경을 Labview로 구성하였다. Fig. 13은 기존의 방식에서 고정식으로 EVSE 가용량이 정해졌을 때 차량의 충전량이 줄어드는 경우를 보여준다. Fig. 13-①은 고정식으로 5kW가 할당된 것을 보여주며 Fig. 13-②는 차량의 충전량을 보여준다. 이 때 충전 인프라의 능력에도 불구하고 사용하지 못하는 전력을 Fig. 13-③에서 보여주고 이를 ④는 사용하지 못하는 충전량을 누적하여 표현하였다. Fig. 13-③에서와 같이 차량의 충전량이 작아질수록 잉여전력이 증가함을 알 수 있다.

Fig. 13

The simulation of the conventional method

Fig. 14는 제안한 방식을 이용하여 Fig. 13과 같은 충전량으로 충전을 할 때 상태를 보여준다. Fig. 14-①은 EVSE 가용량으로서 Fig. 14-②는 차량의 충전량에 따라 실시간 변경되는 보여준다. 차량의 충전량이 줄어 들면서 EVSE 가용량도 줄여주므로 Fig. 14-③과 같이 잉여 전력은 200 W(마진)에 가까운 것을 알 수 있다. 단 Fig. 14-③에서 차량의 충전 전력이 변하는 순간 가용량 값이 이를 맞춰 지면서 잠깐의 글리치 데이터가 존재하나 이는 잉여 전력이 짧은 시간에 변하는 지점으로 Fig. 14-④의 잉여 전력 누적 합산 그래프를 확인할 때 영향을 거의 미치지 않음을 알 수 있다.

Fig. 14

The simulation of the proposed method

제안한 방법에 대한 효율 비교를 위해 잉여전력 누적량을 기존의 방법 Fig. 13-④ 및 제안한 방법 Fig. 14-④와 비교하여 추가 사용할 수 있는 전력량 및 효율을 Fig. 14-⑤ 및 Fig. 14-⑥에 표시하였다. 본 시뮬레이션의 경우 104초 동안 주어진 패턴으로 충전되었으며 사용 가능한 추가 충전량은 약 88.8 Wh, 추가 충전 효율은 16.5 %로 계산되었다.

6. 결 론

제한된 충전 전력을 사용하는 경우 전력 피크를 줄이기 위해 균등 분배 방식 또는 스케줄 분배방식이 제안되었다. 그러나 차량 상태에 따른 충전 사용률을 최대한 높이기 위한 방법은 고려되지 않았다. 본 논문에서는 실시간으로 차량 측의 충전 상태에 따라 충전 사용률을 효과적으로 사용할 수 있는 분배 방식을 제안하였다. 제안된 알고리즘을 검증하기 위하여 Laview를 이용하여 충전시뮬레이션을 통해 효과를 설명하였다.

검증 결과 단순분배방식과 비교하였을 때 주어진 충전 가용량을 효과적으로 사용할 수 있음을 보였다. 본 알고리즘을 사용하면 주어진 전력을 최대한 활용하는 방법이기 때문에 충전기 사용률이 높일 수 있으며 이러한 효과로 기존의 충전 방식의 보다 평균 충전시간이 짧아진다. 추후 제안된 알고리즘을 실제 충전기에 적용할 예정이다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국 산업기술평가관리원(KEIT)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(20012059).

References

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