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문제 정의
- 이러한 주행패턴 및 차량제원의 구성으로 가격부분, 배터리 용량부분, 인프라 구성부분, 소형 경량화 고성능화부분, 고신뢰성 부분등 현재 전기 자동차의 문제점들이 일부 극복이 가능하며 틈새시장의 창출이 가능할 것이다. 본 논문에서는 이러한 근거리 전기자동차용에 적합하도록 전력변환 제어기를 개발하였고 제작된 시제품의 구성, 사양, 설계근거를 제시하고 모의실험의 결과와 실부하 조건에서 수행한 시험결과를 제시함으로써 개발된 전력변환 제어기가 근거리 전기자동차에 적합함을 확인하였다.
- 본 연구에서는 근거리 전기자동차용의 인버터와 컨버터에 대한 설계, 제어 방식 및 그 개발 결과에 대한 사항을 서술하였다. 현재 인버터, 컨버터, 제어기가 요구하는 부품의 기능 및 동작 사양은 만족하였으며 전력변환 제어기의 제품화를 위한 신뢰성 시험을 진행 중에 있다.
제안 방법
- NEV용 인버터와 컨버터의 알고리즘을 검증하기위해 모의실험을 수행하였다. 그림 7은 PSIM으로 수행한 인버터, 컨버터의 모의실험을 위한 회로이다.
- 통상 차량의 상위제어기를 따로 두어 인버터, 컨버터와 각종 전장부품을 통합하여 제어한다. 그러나 본 연구에서는 상위제어기를 별도로 두지 않고 인버터, 컨버터, 상위제어기를 일체화하여 하나의 제어기로 구성함에 따라 전력/동력제어, 시스템 제어가 통합적으로 제어 되도록 전력변환 제어기를 구성 하였다.
- 이렇듯 주행거리, 운용패턴, 현재 기술적 사항, 경제성등을 고려하면 근거리 전기자동차의 시장성은 충분히 있다고 판단된다. 그림 1은 본 논문에서 개발된 전력변환 제어기가 적용된 4인용 근거리 전기자동차의 디자인 사진을 나타내며, Prototype 차량에 전력변환 제어기를 탑재하여 최대속도 및 운전시험을 수행하였다. 표 1은 개발된 4인용 근거리 자동차의 차량제원및 상세 사양을 나타내고 있다[5].
- 근거리 전기자동차의 차량제원을 근거로 하여 기어비, 모터 요구토크, 인버터용량, 컨버터용량, 배터리 사양등을 고려하여 인버터, 컨버터의 설계를 수행하였다. 그림 3은 차량 요구사양을 근거로 하여 요구되는 모터 운전속도, 토크특성 곡선을 나타낸 것으로 차량의 최대속도 60km/h 및 최대토크를 기준으로 역산출을 통해 7.
- 매입형 영구자석 동기모터의 경우 최대토크 제어를 위해 d축 인덕턴스(Ld), q축 인덕턴스(Lq), 자속 (∅), 지령전류(Is)를 통해 식 (2)와 식 (3) 같이 d축 전류(Id)와 q축 전류(Iq)를 지령하며 최적의 동작 점에서 운전 되도록 알고리즘을 구현하였다.
- 그림 4는 NEV용 인버터 및 컨버터 전력변환 제어기의 전력회로 구성도이다. 비절연 인터리브드 방식의 컨버터를 통해 수동소자의 소형경량화, 발열부의 분산, 효율적 회로 구성 및 배치를 달성하였다. 컨버터 회로에 있어 고전력 밀도를 구현하기 위해 가장 큰 비중을 차지하는 것은 수동소자의 최적 설계이다.
- 그림 7은 PSIM으로 수행한 인버터, 컨버터의 모의실험을 위한 회로이다. 인버터의 경우 모터 부하에 따른 인버터 상전류, 속도 상관관계, 내부제어기 정수 등을 검증하여 설계에 반영하였고 컨버터의 경우 정방향 및 역방향모드를 따로 구분하여 모의실험을 수행하여 수동소자의 회로정수, 스위칭 소자 정격, 전도특성, 스위칭특성을 고려하여 컨버터 설계에 반영하였다.
- 그림 5는 NEV용 IPMSM을 구동하기 위한 벡터제어 알고리즘 블럭도를 나타내고 있다. 차량특성 및 신뢰성을 고려하여 Resolver로부터 위치정보를 입력 받아 인버터의 속도제어를 수행하며 모터 상전류를 입력받아 전류제어를 수행하도록 하였다. 컨버터의 경우 제어알고리즘을 수행하기 위해서는 연산시간의 제약이 따르게 된다.
- 컨버터 회로에 있어 고전력 밀도를 구현하기 위해 가장 큰 비중을 차지하는 것은 수동소자의 최적 설계이다. 컨버터 동작모드 및 인터리브 동작을 고려하여 순방향, 역방향 모드에 대해 표 3의 기본 설계 식을 참조하여 인덕터 L(1mH), 커패시터 CC(3,600uF), 커패시터 CD(9,680uF)의 값을 가지도록 선정하였다. 실제 그림 4의 회로에 적용된 수동소자의 경우 기생 회로성분 및 마진을 고려하여 소자 값을 설정하였다.
- 컨버터, 인버터의 고효율, 고전력 밀도의 구현을 위해서는 수동소자의 크기, 전력회로의 손실, 발열소자의 분포 및 기구 구성이 큰 비중을 차지한다. 컨버터의 경우 수동소자의 적절한 배분, 리플전류의 저감, 전력소자의 용량저감 및 열발생원 분포 효과등 고전력 밀도의 구현을 위해 IGBT(600V, 200A) Stack 2개를 사용하여 인터리브드 방식의 컨버터 회로를 구성하였다. 인버터의 경우 IGBT(600V, 200A) Stack 3개를 사용하였고 전력소자 최적화 배치를 통하여 인버터 컨버터 전력변환 제어기의 고전력 밀도를 달성하였다.
- 차량의 전장 및 전력변환 제어기를 제어하기 위해서는 차량 상위제어기와 전장 인터페이스는 매우 중요한 부분이다. 통상 차량의 상위제어기를 따로 두어 인버터, 컨버터와 각종 전장부품을 통합하여 제어한다. 그러나 본 연구에서는 상위제어기를 별도로 두지 않고 인버터, 컨버터, 상위제어기를 일체화하여 하나의 제어기로 구성함에 따라 전력/동력제어, 시스템 제어가 통합적으로 제어 되도록 전력변환 제어기를 구성 하였다.
대상 데이터
- 27kW/L의 수치를 가지므로 목표사양을 만족함을 알 수 있다. 본 시제품은 인버터, 컨버터, 차량제어를 위한 제어 기능까지 포함된 일체형의 전력변환 제어기로서 근거리 전기자동차용 전력변환기로 적합한 구성이라 하겠다.
- 컨버터의 경우 수동소자의 적절한 배분, 리플전류의 저감, 전력소자의 용량저감 및 열발생원 분포 효과등 고전력 밀도의 구현을 위해 IGBT(600V, 200A) Stack 2개를 사용하여 인터리브드 방식의 컨버터 회로를 구성하였다. 인버터의 경우 IGBT(600V, 200A) Stack 3개를 사용하였고 전력소자 최적화 배치를 통하여 인버터 컨버터 전력변환 제어기의 고전력 밀도를 달성하였다. 그림 4는 NEV용 인버터 및 컨버터 전력변환 제어기의 전력회로 구성도이다.
- 그림 9는 NEV용 전력변환 제어기의 제작 도면을 보여주고 있다. 제작된 전력변환기는 가로 330mm, 세로 170mm 높이 165mm의 크기를 가지며, 체적으로는 9.25L이다. 본 전력변환기는 정격의 120% 이상 운전이 가능하며 이러한 측면에서 인버터 10.
성능/효과
- 그림 8은 NEV용 인버터와 컨버터의 모의실험 결과이며 (a) 인버터의 경우 모터 정격출력 7.5kW, 토크 14.4Nm, 운전속도 5,000rpm 조건에서 모터 상전류가 37Arms로 안정된 운전 특성이 나타남을 확인하였다. (b) 컨버터 정방향 모드의 경우 전압 300V, 전류 25/12.
- (b) 20Nm 부하의 경우 상전류 53.37Arms 로 파형에서 볼 수 있듯이 정현파 형태의 전류제어, 속도 및 부하변동에도 제어동작이 잘됨을 확인하였고 또한 THD는 속도 및 부하변화에 대해 3.7∼5.2%로 벡터제어가 잘 이루어짐을 확인하였다.
- 4Nm 정격부하의 경우, 운전속도 5,000 rpm, 조건에서 인버터 효율 97.2%가 달성됨을 확인 하였고 (b) 20Nm 최대부하의 경우 96.5%의 고효율이 달성됨을 확인하였다. 그림 11은 인버터 운전시의 실험 파형을 나타낸다.
- 그림 12는 컨버터의 리플저감 알고리즘을 비교 실험한 파형으로 전류 리플 저감효과를 확인하였다. (a) 알고리즘 적용전 출력전류의 리플은 139mApk-pk이며 (b) 알고리즘 적용후 출력전류의 리플은 48.8mApk-pk로서 약 2.8배 정도의 개선 효과가 있음을 확인하였다. 그림 13은 전력 변환제어기에 대해서 정격부하 7.
- 4Nm, 운전속도 5,000rpm 조건에서 모터 상전류가 37Arms로 안정된 운전 특성이 나타남을 확인하였다. (b) 컨버터 정방향 모드의 경우 전압 300V, 전류 25/12.5A 조건으로 출력전압이 안정화됨을 확인하였다. (c) 컨버터 역방향 모드 조건의 경우 전압 72V, 전류 104/52A 조건으로 출력전압이 안정화됨을 확인하였다.
- 5A 조건으로 출력전압이 안정화됨을 확인하였다. (c) 컨버터 역방향 모드 조건의 경우 전압 72V, 전류 104/52A 조건으로 출력전압이 안정화됨을 확인하였다.
- 5kW 동작 시 온도 시험 결과이다. 외부온도 24.4℃ 조건에서 1시간 40분간 동작 시험을 진행하였으며 1시간 10분 이후부터 온도포화가 일어남을 확인하였다. 컨버터 IGBT Base 부분의 온도가 73.
- 4℃ 조건에서 1시간 40분간 동작 시험을 진행하였으며 1시간 10분 이후부터 온도포화가 일어남을 확인하였다. 컨버터 IGBT Base 부분의 온도가 73.5℃로 최대임을 확인하였고, 그 외 Vc커패시터가 41.8℃로 나타남을 확인하였다.
후속연구
- 따라서 이러한 장점을 살려 사업화 수행 시 확대 적용이 가능할 것이라 판단된다. 향후 근거리 전기자동차 개발을 위해 차량측면에서 신뢰성 시험을 수행하고 제품화, 사업화에 성공할 수 있도록 최적화 및 개선작업을 지속적으로 진행하고자 한다.
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