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문제 정의
- 본 논문에서는 HEV의 데이터 취득 시스템에 의한 전압, 전류 및 주파수를 측정하여 고전압 전기장치의 전기적 특성을 분석하였으며, HEV에 고전원 부분 전력전송에 사용되는 고전원 케이블의 전류에 따른 온도 특성을 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정, 분석하였다. 이러한 실험, 분석 결과를 통하여 HEV 차량의 설계 및 전기안전을 위한 평가기법을 개발하고 시험기준을 마련하는데 도움을 주고자 한다.
- 본 논문에서는 HEV의 데이터 취득 시스템에 의한 전압, 전류 및 주파수를 측정하여 고전압 전기장치의 전기적 특성을 분석하였으며, HEV에 고전원 부분 전력전송에 사용되는 고전원 케이블의 전류에 따른 온도 특성을 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정, 분석하였다. 이러한 실험, 분석 결과를 통하여 HEV 차량의 설계 및 전기안전을 위한 평가기법을 개발하고 시험기준을 마련하는데 도움을 주고자 한다.
제안 방법
- 그림 2에서 전류에 따른 온도 변화를 측정하기 위한 실험 장치를 나타내었다. 그림 2 (a)에 나타낸 것과 같이 고전원 용 전선에 대전류 공급장치 (ODEN IX, Progamma, Sweden) 로 전류를 공급하고, 적외선 열화상 카메라 (TVS-8500, Avio, Japan)로 전선에 나타나는 온도 분포를 측정하였다. 실험 대상의 전선 시료는 (b)에 나타낸 방법으로 시료를 준비하였으며, 전선에 전류인가 방법은 (c)에 나타낸 것처럼 약 5 [sec] 정도의 상승 시간으로 전류를 일정 전류로 상승시킨 후 60 [sec] 동안 지속시킨 후 전선의 온도 특성을 측정하였다.
- 고전원 전기모터와 인버터의 연결 및 전력전송 부분과 컨 버터와 고전원 배터리의 연결 및 전력전송 부분에서 측정된 전기적 특성을 통하여 전기적 용량에 맞는 적정 케이블의 선정을 위하여 A모델 HEV에서 사용된 케이블의 전기적 특성 및 온도 특성 분석을 위한 다음의 실험과 전선 사양의 전류와 실제 측정 전류에 대한 케이블의 전류-온도 변화를 통하여 적정 케이블 선정에 대하여 검토하였다.
- 그림 3은 A모델 HEV의 전기적 특성을 분석한 것으로 실험 조건은 에어컨 Full 가동 상태에서 실험하였으며, 운행조 건은 정지 T 급가속(100 [km/h]) 110 [km/h] 정속 → 급제동의 조건으로 실험하였다. 그림 3(a)는 DC 배터리의 전압.
- HEV 의 전압, 전류 측정 포인트는 High Voltage Battery 와 MCU(Motor Control Unit)간의 충.방전되는 DC 배터리, MCU와 전기모터 사이의 모터 구동 전원을 측정하였다.
- 실험 장치는 NI DAQ(PXI-1042, 8186 NI, USA)를 사용하였으며, Labview로 프로그래밍하여 전압.전류 데이터를 실시간으로 측정하였다. 전류는 AC/DC 겸용의 Bandwidth 20 kHz의 PR630의 전류 센서를 사용하 였으며, 전압은 PXI-407KAC/DC 1000 V(r.
- 전류 데이터를 실시간으로 측정하였다. 전류는 AC/DC 겸용의 Bandwidth 20 kHz의 PR630의 전류 센서를 사용하 였으며, 전압은 PXI-407KAC/DC 1000 V(r.m.s), Bandwidth 300 kHz, Resolution 100 W)을 이용하여 측정하였다. HEV 의 전압, 전류 측정 포인트는 High Voltage Battery 와 MCU(Motor Control Unit)간의 충.
- 실험 대상의 전선 시료는 (b)에 나타낸 방법으로 시료를 준비하였으며, 전선에 전류인가 방법은 (c)에 나타낸 것처럼 약 5 [sec] 정도의 상승 시간으로 전류를 일정 전류로 상승시킨 후 60 [sec] 동안 지속시킨 후 전선의 온도 특성을 측정하였다. 전선에 인가하는 전류(At)는 50 [A], 100 [A], 150 [A], 200 [A]를 공급하였으며, 그 때의 전선의 열적 분포를 적외선 열화상카메라로 2차원(2D)과 3차원(3D)의 이미지를 측정하였다.
대상 데이터
- A 모델 HEV의 측정된 고전원 배터리와 인버터 간의 최대전류는 약 73 [A]로 나타났으며, 이 부분에서 사용하고 있는 전선은 Hitachi사의 8 [mm2] 전선을 사용하고 있다. 사용 전선의 특성을 살펴보면 도체의 연속 허용 전류 용량은 70 [A](내열전선의 경우 85 [A])로 나타났다.
성능/효과
- AC 모터와 인버터 사이에 사용하는 전선에 50 [A], 100 [A], 150 [A], 200 [A]< 각각 전선에 흘렸을 때의 열화상 이미지 분석 결과, 각각의 최대 온도는 절연체 부분에서 30 [℃], 35 [t], 46 [t], 66 [℃]가 측정되었으며. 이것은 열의 축열과 방열의 관계로부터 절연체 부분에서 가장 높은 온도가 나타나는 것으로 분석되었다.
- AC 모터와 인버터 사이의 최대전압 및 최대전류는 약 AC 120 [V], 200 [A] 로 측정되었으며, Hitachi사의 15 [mnf] 케이블을 사용하고 있 는 것으로 나타났다. 또한, 모터 전류의 주파수는 약 68~ 500 [Hz]의 다양한 주파수가 측정되었으며, FFT 분석을 통하여 약 316 [Hz], 400 [Hz] 대역의 주파수가 가장 많이 나타난 것을 확인하였다. FFT 분석을 통한 주파수의 변동은 인버터/컨버터의 스위칭 주파수의 변화로부터 나타나는 현상이므로 향후에 하이브리드 형태의 자동차의 경우에는 내연기관과 전기모터의 상관관계로부터 가속도를 검출하는 방법의 제시를 통하여 가속도와 스위칭 주파수의 관계를 도출하고, 전기자동차 또는 연료전지 자동차 둥 순수 전기모터로 구동하는 자동차의 경우 스위칭 주파수의 관계로부터 자동차 검사기준 중 하나인 EMI와 EMC 검사 방법의 활용에도 기여할 것으로 판단된다.
- A 모델 HEV의 측정된 고전원 배터리와 인버터 간의 최대전류는 약 73 [A]로 나타났으며, 이 부분에서 사용하고 있는 전선은 Hitachi사의 8 [mm2] 전선을 사용하고 있다. 사용 전선의 특성을 살펴보면 도체의 연속 허용 전류 용량은 70 [A](내열전선의 경우 85 [A])로 나타났다. 또한, 전기모터와 인버터 간의 최대전류는 약 200 [A]로 나타났으며, 이 부분에서 사용하고 있는 전선은 Hitachi사의 15 [imrf] 전선을 사용하고 있다.
- 사용전선의 특성을 살펴보면 도체의 연속 허용 전류 용량은 95 [A](내열전선의 경우 115 [A])로 나타났다(주변온도 80 [℃]). 사용된 전선의 특성과 측정된 전기적 특성을 비교하여 보면, 측정된 전류용량이 전선의 연속 허용 전류보다 크게 나타나 있는 것을 알 수 있다.
- 또한, 전기모터와 인버터 간의 최대전류는 약 200 [A]로 나타났으며, 이 부분에서 사용하고 있는 전선은 Hitachi사의 15 [imrf] 전선을 사용하고 있다. 사용전선의 특성을 살펴보면 도체의 연속 허용 전류 용량은 95 [A](내열전선의 경우 115 [A])로 나타났다(주변온도 80 [℃]). 사용된 전선의 특성과 측정된 전기적 특성을 비교하여 보면, 측정된 전류용량이 전선의 연속 허용 전류보다 크게 나타나 있는 것을 알 수 있다.
- 실험 결과로부터 사용 전선의 특성과 실측된 전선의 전류 용량은 차이가 있지만, 온도 특성 분석을 통하여 용량에 따른 전선의 굵기가 비교적 안정적인 것으로 나타났다. 하지만, 향후 케이블의 경년 열화와 사용 환경 조건에 따른 케이블에 대한 다각적인 분석이 필요할 것이다.
- 인버터와 고전원 배터리 사이의 최대전압 및 최대전류는 약 DC 170 [V], 73 [A]로 측정되었으며, Hitachi사의 8 [mnf] 케이블을 사용하고 있는 것으로 나타났다. AC 모터와 인버터 사이의 최대전압 및 최대전류는 약 AC 120 [V], 200 [A] 로 측정되었으며, Hitachi사의 15 [mnf] 케이블을 사용하고 있 는 것으로 나타났다.
- 이것은 열의 축열과 방열의 관계로부터 절연체 부분에서 가장 높은 온도가 나타나는 것으로 분석되었다. 전기적 특성 분석 결과와 비교하면 AC 모터와 인버터 사이의 최대 전류인 200 [AJ를 공급했을 때 약 66 CC]로 나타난 결과로부터 사용 전선의 특성과 실측된 전선의 전류 용량은 차이가 있지만, 온도 특성 분석을 통하여 용량에 따른 전선의 굵기가 비교적 안정적인 것으로 나타났다. 하지만 향후 케이블의 경년 열화와 사용 환경 조건 등에 대한 다각적인 분석이 필요한 것으로 판단된다.
후속연구
- 또한, 모터 전류의 주파수는 약 68~ 500 [Hz]의 다양한 주파수가 측정되었으며, FFT 분석을 통하여 약 316 [Hz], 400 [Hz] 대역의 주파수가 가장 많이 나타난 것을 확인하였다. FFT 분석을 통한 주파수의 변동은 인버터/컨버터의 스위칭 주파수의 변화로부터 나타나는 현상이므로 향후에 하이브리드 형태의 자동차의 경우에는 내연기관과 전기모터의 상관관계로부터 가속도를 검출하는 방법의 제시를 통하여 가속도와 스위칭 주파수의 관계를 도출하고, 전기자동차 또는 연료전지 자동차 둥 순수 전기모터로 구동하는 자동차의 경우 스위칭 주파수의 관계로부터 자동차 검사기준 중 하나인 EMI와 EMC 검사 방법의 활용에도 기여할 것으로 판단된다.
- 이러한 하이브리드 자동차는 기존의 내연기관 시스템에 고압 배터리 및 배터리 콘트롤러, 인버터/컨버터, 전기모터 등이 추가된 구조로 되어 있다[5-6]. 그러나 현재 자동차 관련 안전기준에는 고전압 전기장치에 관한 기준 및 시행세칙이 별도로 제정되어 있지 않기 때문에, HEV의 핵심 전기부품인 고전압 전기장치의 안전 확보를 위하여 전기모터, 고전압 배터리, 인버터/컨버터 및 전력전송부분 등의 전기안전을 위한 평가기법의 개발과 함께 전기안전을 위한 시험 기준의 제시가 요구된다.
- 그림 6(b)는 100 [A], 그림 6(c)는 150 [A], 그림 6(d)는 200 [A]를 각각 전선에 흘렸을 때의 열화상 이미지를 나타낸 것으로, 각각의 최대 온도는 절연체 부분에서 약 35 [℃], 46 [℃], 66 [℃]가 측정되었다. 실험 결과로부터 내부전선을 둘러싸고 있는 절연체 부분의 온도가 제일 높게 나타나는 것은 열의 축열 및 방열과 관계가 있으며, 향후 모터 전선의 선정 시각부의 발 열특성을 고려하여 전선을 선정해야 한다는 것을 알 수 있다. 또한, 전선에서 나타나는 최대 온도는 200 [A]를 공급했을 때 약 66 [℃]로 측정되었다.
- 전기적 특성 분석 결과와 비교하면 AC 모터와 인버터 사이의 최대 전류인 200 [AJ를 공급했을 때 약 66 CC]로 나타난 결과로부터 사용 전선의 특성과 실측된 전선의 전류 용량은 차이가 있지만, 온도 특성 분석을 통하여 용량에 따른 전선의 굵기가 비교적 안정적인 것으로 나타났다. 하지만 향후 케이블의 경년 열화와 사용 환경 조건 등에 대한 다각적인 분석이 필요한 것으로 판단된다.
- 실험 결과로부터 사용 전선의 특성과 실측된 전선의 전류 용량은 차이가 있지만, 온도 특성 분석을 통하여 용량에 따른 전선의 굵기가 비교적 안정적인 것으로 나타났다. 하지만, 향후 케이블의 경년 열화와 사용 환경 조건에 따른 케이블에 대한 다각적인 분석이 필요할 것이다.
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