[논문]인덕터 및 모터 인덕턴스를 이용한 PHEV 배터리 충전 기법 비교 분석

우동균; 최규영; 김종수; 이병국; 강구배

doi:10.6113/tkpe.2011.16.4.326

[국내논문] 인덕터 및 모터 인덕턴스를 이용한 PHEV 배터리 충전 기법 비교 분석
Comparison of Battery Charging Strategies for PHEVs using Propulsion Motor Inductance and Multi-Function Inverter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.4, 2011년, pp.326 - 333

우동균 (성균관대 정보통신공학부) , 최규영 (성균관대 정보통신공학부) , 김종수 (성균관대 정보통신공학부) , 이병국 (성균관대 정보통신공학부) , 강구배 (현대자동차 하이브리드시스템시험팀)

초록
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본 논문에서는 Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEVs)의 배터리 충전을 위해 필요한 추가적인 충전기 없이, 구동모터의 인덕턴스와 구동 드라이버인 3상 인버터를 이용하는 배터리 충전 기법들을 소개한다. 모터의 코일을 승압용 에너지 저장장치로 사용하고 인버터 스위치 제어를 통해 부스트 컨버터로 동작되도록 하여 추가적인 충전기를 제거함으로써, 충전장치가 차지하는 부피, 무게 및 단가를 저감할 수 있다. PHEVs의 시스템 구조와 제어기 구성에 따라 분류된 다양한 배터리 충전 기법들을 비교분석하고 시뮬레이션 결과를 통해 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper studies battery charging methods using existing motor inductance and 3-phase inverters without an additional charger to charge the battery of Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEVs). As inverter switch control and motor coil used as the energy storage device for boosting make the system the boost converter, the additional charger is eliminated and volume, weight, and cost for the charger are reduced. Various charging methods according to topologies of the system and configurations of the controller are analyzed and verified by PSIM simulation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 앞서 제안된 모터 인덕턴스와 인버터를 이용한 배터리 충전 방법들을 비교 분석하고, 불 연속모드 (DCM)에서의 큰 전류 리플을 줄이기 위해 연속모드로 동작시키기 위한 최소의 모터 인덕턴스 값을 이론적으로 분석한다. 그리고 모터 인덕턴스 크기에 대한 각 유형별 시뮬레이션 결과를 바탕으로 PHEVs 에 적합한 제어 방법을 제시한다.

제안 방법

분석한다. 그리고 모터 인덕턴스 크기에 대한 각 유형별 시뮬레이션 결과를 바탕으로 PHEVs 에 적합한 제어 방법을 제시한다.
본 논문에서는 기존에 제안되었던 인버터와 모터 인덕턴스를 이용한 배터리 충전 방법들을 시스템 구성과 제어방식에 따라 크게 네 가지 경우로 구분하여 비교분석하였다. 구조적으로, 두 개의 모터와 인버터로 구성된 시스템은 하나의 모터와 인버터로 구성된 시스템보다 인덕턴스 값이 커져서 입력전류 리플이 절반이고 역률이 개선된다.
시뮬레이션에서는 모터 내 한 상의 인덕턴스 값을 실제 Hybrid Starter & Generator (HSG)의 인덕턴스 값과 비슷하게 하기 위해 500RH]로 설정하였다. 제어기법 1, 제어기법 2는 두 개의 모터로 구성되는 구조이므로 각모터의 파라미터 값을 제어기법 3, 제어기법 4의 모터와 동일하게 설정하고 시뮬레이션을 진행하였다.
시뮬레이션에서는 모터 내 한 상의 인덕턴스 값을 실제 Hybrid Starter & Generator (HSG)의 인덕턴스 값과 비슷하게 하기 위해 500RH]로 설정하였다. 제어기법 1, 제어기법 2는 두 개의 모터로 구성되는 구조이므로 각모터의 파라미터 값을 제어기법 3, 제어기법 4의 모터와 동일하게 설정하고 시뮬레이션을 진행하였다.

성능/효과

과파형 분석 값을 살펴보면, 제어기법 1의 입력전류 리플 크기가 제어기법 2의 입력 전류 리플의 약 7.20배, 제어기법 3의 입력전류 리플 크기는 제어기법 4의 입력전류 리플의 약 7.23배이다.
구조적으로, 두 개의 모터와 인버터로 구성된 시스템은 하나의 모터와 인버터로 구성된 시스템보다 인덕턴스 값이 커져서 입력전류 리플이 절반이고 역률이 개선된다. 또한 추가적인 하드웨어 (다이오드정류기)가 필요 없다는 장점을 가지고 있다.
나타나는 입출력 특성들을 보여준다. 모든 제어기법들에서 인덕턴스 값이 커질수록 입력전류 리플과 역률이 개선된다. 모터 한 상의 인덕턴스 크기가 동일한 경우, 인터리빙 제어방식을 적용하는 제어기법 2가 제로 벡터 제어방식을 사용하는 제어기법 1보다, 제어기법 4가 제어기법 3보다 성능이 우수하게 나타남을 확인할 수 있다.
모든 제어기법들에서 인덕턴스 값이 커질수록 입력전류 리플과 역률이 개선된다. 모터 한 상의 인덕턴스 크기가 동일한 경우, 인터리빙 제어방식을 적용하는 제어기법 2가 제로 벡터 제어방식을 사용하는 제어기법 1보다, 제어기법 4가 제어기법 3보다 성능이 우수하게 나타남을 확인할 수 있다. 하지만 국제규격에 따라, 입력전류의 전고조파왜율 (THD)은 5[%] 이내로 제한되어야 한다.
시스템 구조적인 측면에서 살펴보면, 모터 두 개로 구성된 제어기법 1과 2의 전류 리플이 모터 한 개로 구성된 제어기법 3과 4의 전류 리플보다 상대적으로 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 두 개의 모터를 사용하는 경우, 메인 모터의 a상 코일과 보조 모터의 a상 코일이 직렬로 연결된 것과 같으므로 인덕턴스 값은 두 배가 된다.
하지만 국제규격에 따라, 입력전류의 전고조파왜율 (THD)은 5[%] 이내로 제한되어야 한다. 표 5를 살펴보면, 제어기법 2만이 모터 한 상의 인덕턴스가 300備冏 이상인 조건에서 THD 규격을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 반면에 제로 벡터 제어방식을 적용하는 제어기법 1과 제어기법 3은 입력전류의 THD가 각각 2이%] 이상, 4이%] 이상이므로 실제 시스템에 적용하기가 어렵다.

참고문헌 (11)

D. Thimmesch, "An scr inverter with an integral battery charger for electric vehicles", IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. IA-21, No. 4, pp. 1023-1029, 1985, July.

상세보기
W. E. Rippel and A. G. Cocconi, "Integrated motor drive and recharge system", US Patent US 5099186, 1992, Mar.
S.-K. Sul and S.-J. Lee, "An integral battery charger for four-wheel drive electric vehicle", IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 31, No. 5, pp. 1096-1099, 1995, Sep./Oct.

상세보기
L. Solero, "Nonconventional on-board charger for electric vehicle propulsion batteries", IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 50, No. 1, pp. 144-149, 2001, Jan.

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G. Pellegrino, E. Armando, and P. Guglielmi, "An integral battery charger with power factor correction for electric scooter", IEEE Trans. Power electronics, Vol. 25, No. 3, pp. 751-759, 2010, Mar.

상세보기
L. Tang and G.-J. Su, "A low-cost, digitally-controlled charger for plug-in hybrid electric vehicles", IEEE ECCE, Conf., pp. 3923-3929, 2009, Sept.
M. Nakamura, H. Oyobe, and T. Yano, "Power supply device for vehicle and method of controlling the same", US Patent US 2009/0160247 A1, 2009, Jun.
A. Emadi, K. Rajashekara, S. S. Williamson, and S. M. Lukic, "Topological overview of hybrid electric and fuel cell vehicular power system architectures and configurations", IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 54, No. 3, pp. 763-770, 2005, May.

상세보기
A. Emadi, K. Rajashekara, and Y.J. Lee, "Power electronics and motor drives in electric, hybrid electric, and plug-in hybrid electric vehicles", IEEE Trans. ind. electr., Vol. 55, No. 6, pp. 2237, 2008, June.

상세보기
G.Y. Choe, J.S. Kim, H.S. Kang, and B.K. Lee, "An optimal design methodology of an interleaved boost converter for fuel cell applications", Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 5, No. 2, pp. 319-328, 2010.

원문보기 상세보기
우동균, 최규영, 이병국, "IPM모터를 이용한 PHEV 충전기법 문제점 분석", 대한전기학회 춘계학술대회, pp. 283-285, 2011.

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