[논문 리뷰] Review of Electric Vehicle Charging Technologies, Configurations, and Architectures

Sithara S. G. Acharige, Md Enamul Haque외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 30.

Advanced Battery Technologies Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 전기자동차(EV) 충전 기술, 구성, 시스템 아키텍처에 대한 종합적인 리뷰를 제공하며, 교류/직류 충전 시스템, 변환기 구성, 배터리 기술, 및 전력망 연계 표준을 분석한다. 전력망 통합의 주요 과제를 규명하고 충전 효율을 향상시키고 전력 손실을 줄이며 전력망 안정성을 지원하기 위해 고도화된 제어 전략과 표준화된 아키텍처를 제안한다.

ABSTRACT

Electric Vehicles (EVs) are projected to be one of the major contributors to energy transition in the global transportation due to their rapid expansion. The EVs will play a vital role in achieving a sustainable transportation system by reducing fossil fuel dependency and greenhouse gas (GHG) emissions. However, high level of EVs integration into the distribution grid has introduced many challenges for the power grid operation, safety, and network planning due to the increase in load demand, power quality impacts and power losses. An increasing fleet of electric mobility requires the advanced charging systems to enhance charging efficiency and utility grid support. Innovative EV charging technologies are obtaining much attention in recent research studies aimed at strengthening EV adoption while providing ancillary services. Therefore, analysis of the status of EV charging technologies is significant to accelerate EV adoption with advanced control strategies to discover a remedial solution for negative grid impacts, enhance desired charging efficiency and grid support. This paper presents a comprehensive review of the current deployment of EV charging systems, international standards, charging configurations, EV battery technologies, architecture of EV charging stations, and emerging technical challenges. The charging systems require a dedicated converter topology, a control strategy and international standards for charging and grid interconnection to ensure optimum operation and enhance grid support. An overview of different charging systems in terms of onboard and off-board chargers, AC-DC and DC-DC converter topologies, and AC and DC-based charging station architectures are evaluated.

연구 동기 및 목표

• EV 충전 기술의 현재 상태와 전력망 운영에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• EV 충전 및 전력망 연계를 위한 국제 표준을 평가하여 호환성과 안전성을 확보하기 위해.
• 고도화된 변환기 구성 및 제어 전략이 충전 효율을 향상시키는 데 수행하는 역할을 조사하기 위해.
• 배전망에 높은 수준의 EV 통합을 통한 기술적 과제를 규명하기 위해.
• 전력망 지원 및 지속 가능성 목표를 지원하는 미래의 EV 충전 아키텍처 프레임워크를 제안하기 위해.

제안 방법

• 차량 내 및 외부 충전기 포함 기존 EV 충전 시스템의 체계적 리뷰.
• EV 충전소에서 사용되는 교류-직류 및 직류-직류 변환기 구성의 평가.
• 확장성과 효율성 측면에서 교류 기반 및 직류 기반 충전소 아키텍처의 분석.
• 충전 프로토콜 및 전력망 연계를 위한 국제 표준(예: IEC, CCS, CHAdeMO) 리뷰.
• 전력 흐름 최적화 및 전력망 교란 최소화를 위한 제어 전략 평가.
• 배전 시스템의 부하 수요, 전력 품질 및 네트워크 계획 관련 기술 과제의 통합 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 EV 충전 시스템 구성 및 아키텍처는 무엇이며, 효율성과 확장성 측면에서 어떻게 다릅니까?
• RQ2 다양한 변환기 구성(교류-직류, 직류-직류)은 충전 성능과 시스템 손실에 어떤 영향을 미칩니까?
• RQ3 국제 표준은 EV 충전 시스템의 상호운용성과 전력망 호환성 확보에 어떤 역할을 합니까?
• RQ4 배전망에 고밀도의 EV 통합을 통한 주요 기술 과제는 무엇입니까?
• RQ5 고도화된 제어 전략은 어떻게 전력망 지원을 향상시키고 EV 충전 시스템의 효율성을 향상시킬 수 있습니까?

주요 결과

• 교류 기반 충전 시스템은 널리 보급되어 있지만, 다중 변환 단계로 인해 더 높은 손실을 겪습니다.
• 직류 충전소는 더 빠른 충전 속도와 낮은 손실을 제공하여 고출력 응용 분야에 더 적합합니다.
• 최적화된 변환기 구성을 갖춘 외장형 충전기는 시스템 효율성과 전력 품질을 크게 향상시킵니다.
• CCS 및 CHAdeMO와 같은 표준화된 충전 프로토콜은 상호운용성과 전력망 통합에 핵심적입니다.
• 고밀도의 EV 통합은 부하 수요 증가와 전력 품질 문제를 야기하며, 이에 따라 고도화된 전력망 지원 전략이 필요합니다.
• 스마트 충전 및 차량-전력망(V2G) 개념 기반의 제어 전략은 전력망 영향을 완화하고 시스템 안정성을 향상시킬 수 있습니다.