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문제 정의
- 본 논문에서는 차량이라는 협소한 공간에 PTC 히터를 보다 안정적으로 사용하기 위해 전기자동차용 PTC 히터 구현을 위한 DC-DC 컨버터 적용하였고, 그 성능 및 특성을 파악하였다.
제안 방법
- 본 논문에서 기존 방식의 단점을 보완하기 위해 제안된 DC-DC 컨버터는 Buck 컨버터를 응용하였다. PTC 자체에 커패시터 성분이 크기 때문에 기존의 벅 컨버터에서 커패시터를 생략한 컨버터를 사용하였다. 커패시터 성분이 크기 때문에 스위치가 도통할 때 돌입 전류가 커지므로, 인덕턴스값을 조절하여 최적의 값을 설계하였다.
- 다음 절부터의 실험 결과는 실험실 안전을 고려하여 직류전압 100[V]에서 실험을 하였으며, PTC 히터는 Group 1, 2, 3을 모두 병렬로 연결하여 사용하였다. 또한 배터리에 가장 크게 영향을 주는 구간이 초기 기동시이기 때문에 초기 기동 후 20[초] 이내의 측정값을 이용하여 컨버터의 성능을 분석하고, 평가하였다.
- 듀티비는 10[%], 50[%], 90[%]로 나누어 실시하였고, 전원전압은 100[VDC]로 사용하였다. 부하로 PTC 히터를 적용하여 DC-DC 컨버터 성능실험을 실시하였다.
- 전기자동차의 배터리가 완전 충전되었을 때가 456[V]이고, 여기에 안정성을 고려하여 약 10%의 여유를 두어 500[V]일 때를 고려하였다. 또한 배터리에 가장 크게 영향을 주는 구간이 기동시이기 때문에 PTC 히터의 저항이 가장 낮을 때인 기동시의 입력 전류를 예측하였다.
- 다음 절부터의 실험 결과는 실험실 안전을 고려하여 직류전압 100[V]에서 실험을 하였으며, PTC 히터는 Group 1, 2, 3을 모두 병렬로 연결하여 사용하였다. 또한 배터리에 가장 크게 영향을 주는 구간이 초기 기동시이기 때문에 초기 기동 후 20[초] 이내의 측정값을 이용하여 컨버터의 성능을 분석하고, 평가하였다.
- 본 논문에서 기존 방식의 단점을 보완하기 위해 제안된 DC-DC 컨버터는 Buck 컨버터를 응용하였다. PTC 자체에 커패시터 성분이 크기 때문에 기존의 벅 컨버터에서 커패시터를 생략한 컨버터를 사용하였다.
- ]로 사용하였다. 부하로 PTC 히터를 적용하여 DC-DC 컨버터 성능실험을 실시하였다.
- PTC 출력 전류와 전압을 안정화하기 위해 제안된 DC-DC 컨터버를 그림 17과 같이 설계하였다. 앞선 실험과 동일한 조건으로 실험을 하였고, 변화추이를 관찰하였다. 또한 추가된 소자의 파라미터를 표 2에 나타내었다.
- 또한 5개의 입력 전압을 바탕으로 측정된 값들을 분석한 결과 각 해당하는 전류의 크기가 전압이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 선형화를 통해 오차의 제곱이 최소가 되는 직선의 방정식을 구한 후 입력리플이 가장 크게 발생된 듀티비 50[%]일 때와 입력 평균전류가 가장 크게 발생된 듀티비 90[%]일 때를 기준으로 전기자동차의 배터리 피크전압 500[VDC]가 입력으로 주어질 때를 예측하였고, 각각 그림 24 그림 25으로 나타내었다.
- 입력전류의 peak-to-peak 리플 △Ipp를±0.5∼2[A]를 만족시키기 위하여 인덕터와 커패시터의 값은 각각 30[μH](허용전류 20[A]), 30[μF](내압 DC 700[V])로 선정하였다.
- PTC 자체에 커패시터 성분이 크기 때문에 기존의 벅 컨버터에서 커패시터를 생략한 컨버터를 사용하였다. 커패시터 성분이 크기 때문에 스위치가 도통할 때 돌입 전류가 커지므로, 인덕턴스값을 조절하여 최적의 값을 설계하였다.
- 본 실험에서는 그림 13과 같이 입력 LC 필터를 적용하였다. 필터의 물리적 사이즈를 줄이고 전력용 반도체 스위치의 스위칭 주파수를 고려하여, 스위칭 주파수를 20[kHz]로 하였으며, LC 필터의 차단주파수(Cut off frequency)는 5.3[kHz]로 하였다. 입력전류의 peak-to-peak 리플 △Ipp를±0.
대상 데이터
- 그림 8의 점선 부분은 PTC 셀 하나를 나타낸다. 실험에 사용된 PTC 히터에는 총 11개의셀이 사용되었고, 그림 9와 같이 3개의 그룹으로 나뉘어 단자가 형성되어있다. 그림 9의 좌측부터 그룹 1,2,3으로 나타내면 PTC 히터는 그림 10과 같이 구성되어있다.
- 전기자동차는 앞서 언급한 바와 같이 배터리, 전동기 구동시스템, 실내공조장치 등 많은 전력 변환 장치로 구성되어있다. 전기자동차의 유일한 에너지원인 배터리에 그림 4와 같이 특성이 다른 다수의 부하가 병렬로 연결된 상태에서 PTC 히터와 같이 용량이 큰 부하를 온/오프하게 되면 배터리의 출력 전압과 전류에 큰 리플 성분을 발생하여 전원을 불안정하게 만든다.
이론/모형
- 기존의 PTC 히터의 제어는 릴레이를 사용한 온/오프 제어방식이 사용되었다. 이와 같이 기계적 제어방식은 장시간동안 반복적으로 큰 전류를 투입할 경우 코일 접점의 복귀불량, 아크 등이 발생하여 릴레이의 손상을 야기한다.
- 실선은 실측 데이터이고, 점선은 5개의 데이터를 추세선으로 나타내었다. 추세선은 오차의 제곱이 최소가 되는 직선의 최소 제곱법을 이용하여 구하였다. 그림 24로부터 전압이 상승함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있고, 추세선을 직선의 방정식으로 표현할 수 있다.
성능/효과
- 입력 평균 전류에 대한 비교 그래프를 그림 21에 나타내었다. 듀티비가 증가함에 따라 제안된 PTC 히터의 입력 평균 전류가 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.입력 리플 전류에 대한 비교 그래프를 그림 22에 나타내었다.
- 또한 5개의 입력 전압을 바탕으로 측정된 값들을 분석한 결과 각 해당하는 전류의 크기가 전압이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 선형화를 통해 오차의 제곱이 최소가 되는 직선의 방정식을 구한 후 입력리플이 가장 크게 발생된 듀티비 50[%]일 때와 입력 평균전류가 가장 크게 발생된 듀티비 90[%]일 때를 기준으로 전기자동차의 배터리 피크전압 500[VDC]가 입력으로 주어질 때를 예측하였고, 각각 그림 24 그림 25으로 나타내었다.
- 이를 통해 소자의 스트레스를 줄여, 내구성을 높였고, 내압이 낮은 소자로 변경이 가능하여 원가 절감 효과를 가지고 오며, 전류 파형의 안정화로 인해 컨버터 전체의 안정성이 증가되었다. 또한 실제 전기자동차에 배터리 최대 피크전압 500[VDC]로 PTC 히터를 기동시 매우 큰 전류가 흐르는데, 예측된 값을 통하여 설계를 좀 더 안전하고 정확하게 할 수 있다.
- ] 입력 시 출력전류가 듀티비10[%], 50[%], 90[%]일 때 각각 약 35[%], 41[%], 50[%]씩 줄어들었다. 이를 통해 소자의 스트레스를 줄여, 내구성을 높였고, 내압이 낮은 소자로 변경이 가능하여 원가 절감 효과를 가지고 오며, 전류 파형의 안정화로 인해 컨버터 전체의 안정성이 증가되었다. 또한 실제 전기자동차에 배터리 최대 피크전압 500[VDC]로 PTC 히터를 기동시 매우 큰 전류가 흐르는데, 예측된 값을 통하여 설계를 좀 더 안전하고 정확하게 할 수 있다.
- 그림 11은 PTC 히터에 입력 직류 전압 330[V]을 주었을 때 PTC로 유입되는 전류의 파형을 나타낸다. 전류 파형으로부터 알 수 있듯이 기동시에 매우 큰 전류가 흐르다가 온도가 올라감에 따라 저항값이 증가하여 전류가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 제안된 DC-DC 컨버터 실험파형에서 보는 바와 같이 출력 전류가 안정화되었고, 더불어 입력 전류의 리플도 감소한 것을 확인할 수 있다.
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