전기차 차량 탑재 충전기(OBC)의 구조: 콘센트에서 배터리까지

OBC의 용량은 배터리가 아니라 교류 전원이 줄 수 있는 전력으로 정해집니다. 흔한 등급은 전압과 전류의 곱에서 바로 나옵니다.

단상 230 V, 16 A

≈ 3.7 kW

단상 230 V, 32 A

≈ 7.4 kW

3상 상전압 230 V, 16 A

3 · 230 · 16 ≈ 11 kW

3상 상전압 230 V, 32 A

3 · 230 · 32 ≈ 22 kW

단상 3선식(북미) 240 V, 32 / 48 A

≈ 7.7 / 11.5 kW

충전기는 차량에 얼마만큼의 전류를 써도 되는지 알려 줍니다. IEC 61851과 SAE J1772 방식에서는 컨트롤 파일럿 선의 1 kHz PWM 신호로 이를 전달하며, 듀티 10 %~85 % 구간에서 허용 전류는 듀티(%) × 0.6 A입니다. 예를 들어 53 %는 32 A를 뜻합니다. OBC 펌웨어는 이 한계를 지켜야 합니다.

첫 단은 교류 입력을 정류하고, 입력 전류를 전압과 위상이 같은 정현파로 만듭니다. 계통 고조파 규격을 지키기 위해 필요하고, 콘센트의 전류 정격을 최대한 활용할 수 있게 해 줍니다. 전통적인 설계는 다이오드 브리지 뒤에 부스트 컨버터를 둡니다. 최근 OBC는 SiC나 GaN 스위치를 쓴 브리지리스 토템폴 PFC를 많이 써서 다이오드 브리지 손실을 없앱니다. 3상 OBC는 3상 PFC를 쓰거나 상마다 단상 모듈을 하나씩 둡니다.

PFC 출력은 레귤레이션된 DC 링크이며, 400 V 배터리용 충전기는 보통 수백 V, 800 V 배터리용은 그보다 높습니다. 아래에서 설명하듯 이 전압을 배터리 전압에 맞춰 움직이는 설계도 있습니다.

단상 시스템의 입력 전력은 일정하지 않고, 상용 주파수의 2배로 0과 평균의 2배 사이를 맥동합니다. 그 차이를 DC 링크 커패시터가 흡수하므로 전압이 100 Hz(또는 120 Hz)로 리플합니다. 필요한 커패시턴스는 에너지 균형에서 나옵니다.

단상 DC 링크 리플

ΔV_pp ≈ P / (2π · f_line · C · V_dc)

7.4 kW, 50 Hz, DC 링크 400 V에서 리플을 피크-피크 20 V로 묶으려면 C ≈ 7 400 / (2π · 50 · 400 · 20) ≈ 2.9 mF가 필요합니다. 크고 무거운 커패시터 뱅크라서, OBC 설계자들은 리플을 더 허용하고 뒤쪽 DC-DC 단이 이를 제거하게 하거나, 능동 리플 상쇄 회로를 추가합니다. 평형 3상 입력은 순시 전력이 일정하므로 3상 운전에서는 이 리플이 대부분 사라집니다.

이 커패시터도 충전기가 연결될 때 다른 DC 링크와 같은 이유로 프리차지가 필요합니다. 크기 선정은 이 사이트의 프리차지 가이드에서 다룹니다.

두 번째 단은 계통과 배터리 사이를 갈바닉 절연하고 충전 전류를 제어합니다. 주로 두 가지 토폴로지가 쓰입니다.

• LLC 공진 컨버터: 영전압 스위칭과 공진 근처의 높은 효율이 장점입니다. 기본적으로 단방향이며, 양쪽에 공진 탱크를 둔 양방향 변형은 흔히 CLLC라고 부릅니다.
• DAB 컨버터: 구조적으로 양방향이고 위상 천이 제어로 넓은 전압 범위를 다룰 수 있지만, 전압비가 1에서 멀어지면 순환 전류가 늘어납니다.

양방향 동작이 중요한 이유는 V2L(차량→부하), V2G(차량→계통) 기능이 같은 하드웨어로 배터리 전력을 다시 내보내기 때문입니다.

정격 400 V 배터리는 화학 조성, 셀 수, 충전 상태에 따라 대략 250~450 V 범위에 있을 수 있고, 800 V 팩도 비례해서 비슷하게 넓은 범위를 가집니다. 정확한 범위는 팩 설계에 따라 다릅니다. DC 링크가 고정된 LLC에서는 최저와 최고 출력 전압의 비가 2:1에 가까우면 이득 범위가 넓어지고, 설계가 낮은 m, 큰 자화 전류, 양 끝에서 공진과 먼 동작 쪽으로 밀려납니다.

• 가변 DC 링크: PFC 단이 출력 전압을 조절해 DC-DC 단이 항상 이상적인 이득 근처에서 돌게 합니다. LLC는 공진 근처에 머물고 범위는 PFC가 흡수합니다.
• 토폴로지 전환: 2차 정류기를 풀 브리지와 배전압 모드 사이에서 바꾸는 식으로 구조를 재구성해 서로 다른 배터리 전압을 감당하는 설계도 있습니다.
• 위상 천이 제어: DAB나 CLLC는 위상 천이를 조절해 범위를 감당하고, 양 끝에서 더 큰 순환 전류를 감수합니다.

리튬 이온 배터리는 보통 셀 전압이 한계에 닿을 때까지 정전류로, 그다음 전류가 줄어드는 동안 정전압으로 충전합니다. 전류와 전압 한계는 배터리 관리 시스템(BMS)이 정하고, OBC는 이를 따르면서 충전기가 알려 준 계통 전류 한계와 자체 온도 한계도 지킵니다. 일반적인 DC-DC 단에서는 바깥 전압 루프, 안쪽 전류 루프, 그리고 요청된 전류 중 가장 작은 값을 고르는 리미터로 구현됩니다.

LLC 전압 루프 가이드에서 다룬 루프 설계 문제가 여기에도 그대로 적용됩니다. 배터리 전압 범위에 걸쳐 플랜트 이득이 크게 바뀌므로, 고정된 제어 이득 한 세트가 최적인 경우는 드뭅니다.

OBC의 각 블록은 이 사이트의 계산기로 직접 살펴볼 수 있습니다. 절연 단은 LLC 공진 탱크 설계 도구, 양방향 대안은 DAB 계산기, DC 링크 프리차지는 돌입 전류 제한 저항 계산기를 쓰면 됩니다. 이 글의 숫자는 설명을 위한 예시이며, 실제 제품의 DC 링크 전압, 배터리 범위, 토폴로지는 제품마다 크게 다릅니다.