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급속한 구축 전기차용 급속충전소 오늘날의 전력망의 한계를 테스트하고 있습니다. 개별 충전기의 경우 350~500kW(또는 그 이상), 이제 기능적으로 EV 충전 시간이 휘발유 또는 디젤 차량의 주유 시간과 동일해짐에 따라 완전 충전소는 메가와트 규모의 수요에 도달할 수 있습니다. 그 정도면 긴장하기 충분해 고압 배전망— 가정과 기업의 최종 사용자에게 서비스를 제공하는 저전압 라인과 고전압 송전선을 연결하는 그리드 부분입니다.
DC 고속 충전소는 도심, 고속도로 및 차량 기지에 밀집되어 있는 경향이 있습니다. 부하가 네트워크 전체에 고르게 분산되지 않기 때문에 특정 변전소는 과로하게 됩니다. 이는 전체 그리드 용량이 부하를 수용할 수 있는 등급이더라도 마찬가지입니다. 더 많은 전력 수요와 함께 더 많은 충전소가 온라인화됨에 따라 이 문제를 극복하려면 작고 효율적일 뿐만 아니라 로컬 저장 및 재생 가능 입력을 관리할 수 있는 전력 전자 장치가 필요합니다.
EV 충전용 무접점 변압기
차량 전기화 및 재생 가능 발전 수요에 부응할 수 있도록 그리드를 현대화하는 가장 유망한 기술 중 하나는 무접점 변압기(SST)입니다. SST는 기존 변압기와 동일한 기본 기능, 즉 전압을 높이거나 낮추는 기능을 수행합니다. 그러나 수동 자기 결합만 사용하는 대신 반도체, 탄화규소 또는 질화갈륨 스위치를 사용한 고주파 변환, 디지털 제어를 사용하여 이를 수행합니다. SST 설정을 통해 전력 흐름을 동적으로 제어할 수 있습니다.
수십 년 동안 충전 인프라는 다음 사항에 의존해 왔습니다. 라인 주파수 변압기 (LFT)—EV 배터리에 필요한 교류 전류에서 직류 전류로의 외부 변환 전후에 중전압 AC를 저전압 AC로 강압하는 철과 구리의 대규모 조립체입니다. 일반적인 LFT에는 수백 킬로그램의 구리 권선과 몇 톤의 철이 포함될 수 있습니다. 그 금속은 모두 비용이 많이 들고 조달이 점점 어려워짐. 이러한 시스템은 신뢰성이 높지만 부피가 크고 비효율적입니다. 특히 에너지가 로컬 저장소와 차량 사이에 흐를 때 더욱 그렇습니다. SST는 대체하도록 설계된 LFT보다 훨씬 작고 가볍습니다.
“우리 솔루션은 단일 포트 컨버터와 동일한 반도체 장치 수를 달성하는 동시에 독립적으로 제어되는 여러 DC 출력을 제공합니다.” –Shashidhar Mathapati, Delta Electronics
그러나 지금까지 개발된 대부분의 멀티포트 SST는 너무 복잡하거나 비용이 많이 들었습니다(LFT 초기 비용의 5~10배). 이러한 차이점과 더 많은 비용을 추가하고 신뢰성을 감소시키는 보조 배터리 뱅크에 대한 SST의 의존도는 솔리드 스테이트의 명백한 이점이 아직까지 나타나지 않은 이유를 설명합니다. LFT에서 기술로의 전환을 장려합니다.
Surjakanta Mazumder, Saichand Kasicheyanula, Harisyam PV 및 Kaushik basu가 실험실에서 첫 번째 프로토타입을 보유하고 있습니다.Harisyam PV, SAichand KASICHYANLA, ETL.
무접점 변압기를 더욱 효율적으로 만드는 방법
에서 공부하다 8월 20일에 출판됨 전력전자 분야의 IEEE 거래연구원 인도 과학 연구소 그리고 델타 전자 인도Bengaluru의 두 회사는 이러한 타협을 제거하는 CHB(계단식 H 브리지) 기반 다중 포트 SST를 제안했습니다. “우리 솔루션은 단일 포트 컨버터와 동일한 반도체 장치 수를 달성하는 동시에 독립적으로 제어되는 여러 DC 출력을 제공합니다.”라고 말합니다. 샤시다르 마타파티Delta Electronics의 CTO입니다. “이는 추가 배터리 저장 장치, 추가 반도체 장치 및 추가 중전압 절연이 없음을 의미합니다.”
팀은 설계를 검증하기 위해 1.2kW 실험실 프로토타입을 제작하여 정격 부하에서 95.3%의 효율성을 달성했습니다. 그들은 또한 2개의 200킬로와트 포트로 나누어진 전체 규모의 11킬로볼트, 400킬로와트 시스템을 모델링했습니다.
시스템의 중심에는 컨버터의 저전압 측에 위치한 다중 권선 변압기가 있습니다. 이 구성을 사용하면 값비싸고 부피가 큰 중전압 절연이 필요하지 않으며 보조 배터리 없이 포트 간 전력 균형을 유지할 수 있습니다. 저자는 논문에서 “이전 CHB 기반 멀티포트 설계에는 부하를 균일하게 하기 위해 여러 개의 배터리 뱅크나 커패시터 네트워크가 필요했습니다.”라고 썼습니다. “우리는 더 간단하고, 더 가볍고, 더 안정적인 변압기 배열로 동일한 결과를 얻을 수 있다는 것을 보여주었습니다.”
새로운 변조 및 제어 전략은 그리드 인터페이스에서 단일 역률을 유지합니다. 즉, 그리드에서 나오는 전류 중 어떤 작업도 수행하지 않고 소스와 부하 사이를 앞뒤로 진동하여 낭비되지 않습니다. 저자가 설명하는 SST를 사용하면 각 DC 포트가 독립적으로 작동할 수도 있습니다. 실질적으로 충전기에 연결된 각 차량은 인접한 포트에 영향을 주거나 그리드 연결을 방해하지 않고 적절한 전압과 전류를 수신할 수 있습니다.
직렬로 연결된 탄화규소 스위치를 사용하여 시스템은 높은 효율을 유지하면서 중간 전압 입력을 처리할 수 있습니다. 11킬로볼트 그리드 연결에는 위상당 12개의 계단식 모듈만 필요하며 이는 일부 모듈식 다중 레벨 변환기 설계의 대략 절반에 해당합니다. 모듈 수가 적다는 것은 궁극적으로 비용 절감, 제어 단순화, 신뢰성 향상을 의미합니다.
아직 실험실 단계이지만 이 설계를 통해 차세대 소형의 비용 효율적인 고속 충전 허브가 가능해졌습니다. 비용, 복잡성 및 유지 관리를 추가하는 중간 배터리 저장 장치의 필요성을 제거함으로써 제안된 토폴로지는 EV 충전소의 작동 수명을 연장할 수 있습니다.
연구원에 따르면 이 컨버터는 EV 충전만을 위한 것이 아닙니다. 데이터 센터, 재생 가능 통합 또는 산업용 DC 그리드와 같이 중전압에서 다중 포트 저전압 변환이 필요한 모든 애플리케이션에 도움이 될 수 있습니다.
메가와트 규모의 수요에 직면한 유틸리티 및 충전 공급업체를 위해 이 간소화된 솔리드 스테이트 변압기는 EV 혁명을 보다 그리드 친화적으로 만들고 충전을 기다리는 운전자를 위해 더 빠르게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.