[논문]소형전기자동차 견인용 직류전동기의 고효율 구동시스템 개발

전태원; 이홍희

doi:10.5370/kiee.2012.61.11.1634

소형전기자동차 견인용 직류전동기의 고효율 구동시스템 개발
Development of High-Efficiency Drive System of DC Motors for Tracking Small-Size Electric Vehicles 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.61 no.11, 2012년, pp.1634 - 1640

(울산대 전기전자정보시스템공학부) , (울산대 전기전자정보시스템공학부) , 전태원 (울산대 전기공학부) , 이홍희 (울산대 전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper develops the high-efficiency drive system of the small-size electric vehicles (EVs) driven by the brushed dc motors. A power circuit for driving the dc motor is designed with the H-bridge circuit and buck converter by considering both the efficiency and cost. In order to change smoothly the rotating direction of dc motor driven by the proposed power circuit, an operating sequence for both the field current and the armature voltage according to an accelerator pedal angle is suggested. Through the simulation studies and experimental results with the low-cost 8-bit AVR, the performances of the proposed methods are verified.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 소형 전기자동차 견인용 직류전동기의 고효율 저가의 구동장치를 제시하였다. 전동기 구동회로의 비용과 함께 스위칭소자의 도통 손실을 감소시키기 위하여 계자전류제어를 위한 H-브리지 회로와 전기자 전압제어를 위한 벅 컨버터 회로를 사용하였다.

제안 방법

견인용 직류전동기 구동시스템은 그림 11과 같이 AVR제어보드, 전력회로, 가속페달, 신호발생회로 등으로 구성되며, 제어용 프로세서로 저가의 8-비트 AVR ATmaga 48A를 사용하였다. 가속페달의 각도는 AVR에 내장된 8-비트 A/D컨버터를 통하여 입력하며, 키와 메인 스위치 상태, 정/역 방향 신호, 페달 인터럭 신호 등은 I/O포트를 통하여 읽어드린다.
그림 10(a)는 가속페달 각도가 최대치의 30%에 도달 시 계자전류를 정격치까지 증가시키고 전동기속도는 정격속도의 80%까지 증가시킨다. 다음 가속페달 각도가 50%될 때 전동기속도를 정격속도까지 증가시키는 동작패턴에서 계자전류, 전기자 전압 및 전류, 기준 속도 및 전동기 속도의 응답특성에 대한 시뮬레이션결과를 보인 것이다. 그림 10(b)는 가속 페달 각도가 60%에 도달 시 계자전류를 정격치까지 증가시키면서 전동기속도는 정격속도의 80%까지 증가시키고, 가속 페달 각도가 100%될 때 전동기속도를 정격속도까지 증가시켰을 경우 그림 10(a)와 같은 파형의 과도응답특성을 보인 것이다.
따라서 본 논문에서는 먼저 전기자 전압제어용 H-브리지 전력회로에 대한 손실을 계산한다. 다음은 직류전동기 구동장치의 손실을 감소시키면서 비용도 줄이기 위하여 계자전류제어로 전동기 정/역회전을 할 수 있는 전력회로를 사용하고, 이 전력회로로 부드럽게 전동기를 정/역회전하는 기법을 제안한다. 저가인 8비트 AVR로 전기자동차견인용 직류 전동기 구동장치를 구성하고 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제시한 기법의 타당성을 확인한다.
따라서 본 논문에서는 먼저 전기자 전압제어용 H-브리지 전력회로에 대한 손실을 계산한다. 다음은 직류전동기 구동장치의 손실을 감소시키면서 비용도 줄이기 위하여 계자전류제어로 전동기 정/역회전을 할 수 있는 전력회로를 사용하고, 이 전력회로로 부드럽게 전동기를 정/역회전하는 기법을 제안한다.
본 논문에서는 MOSFET의 도통손실과 비용을 고려하여 n = 5로 결정하였다.
전기자동차 견인용 전동기인 직류전동기 속도제어와 함께 정회전 및 역회전 등 회전방향을 바꾸기 위한 가장 일반적인 방식이 H-브리지 컨버터로 직류전동기 전기자전압을 제어하는 것이다. 이 기존의 H-브리지 회로로 전기자 전압제어하는 방법에 함께 스위칭소자인 MOSFET의 손실을 계산하고, 다음은 본 논문에서 사용한 전력회로의 동작 및 손실을 기술한다. 한편, 전기자동차에서 직류전동기의 직류전원으로 출력전압이 48V인 배터리를 사용하며 직류전동기 정격은 표 1과 같다.
다음은 직류전동기 구동장치의 손실을 감소시키면서 비용도 줄이기 위하여 계자전류제어로 전동기 정/역회전을 할 수 있는 전력회로를 사용하고, 이 전력회로로 부드럽게 전동기를 정/역회전하는 기법을 제안한다. 저가인 8비트 AVR로 전기자동차견인용 직류 전동기 구동장치를 구성하고 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제시한 기법의 타당성을 확인한다.
직류전동기를 정방향에서 역방향으로 부하가 거의 없는 상태에서 회전방향 변경 시 두 가지 동작패턴에 대한 성능을 평가하기 위하여 PSIM으로 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 10(a)는 가속페달 각도가 최대치의 30%에 도달 시 계자전류를 정격치까지 증가시키고 전동기속도는 정격속도의 80%까지 증가시킨다.

이론/모형

본 논문은 소형 전기자동차 견인용 직류전동기의 고효율 저가의 구동장치를 제시하였다. 전동기 구동회로의 비용과 함께 스위칭소자의 도통 손실을 감소시키기 위하여 계자전류제어를 위한 H-브리지 회로와 전기자 전압제어를 위한 벅 컨버터 회로를 사용하였다. 또한 벅 컨버터회로에서 5개 MOSFET를 병렬로 연결하여 도통손실을 50%이상 감소시킬 수 있었다.

성능/효과

따라서 두 동작패턴에 대한 시뮬레이션 결과를 보면 모두 전동기가 정회전에서 역회전으로 부드럽게 전환되었으며 전동기 속도 역시 기준속도에 잘 추정함을 볼 수 있다. 그런데 그림 10(b)의 동작패턴에 비하여 그림 10(a)의 동작패턴에서는 계자전류가 더 빨리 정격치로 접근하므로 전동기 가속 시 전기자 전류크기가 더 작음을 알 수 있다.
결론적으로 H-브리지 회로에 의한 직류전동기 전기자 전압제어 방식은 전동기 속도 및 전동기회전 방향을 쉽게 제어할 수 있다는 장점이 있으나, 도통손실이 너무 크며 또한 4개의 큰 전류용량의 스위칭소자가 필요하여 제작비용도 증가되므로 저전압 고전류인 소형전기자동차에서는 이 전력회로 구조가 적합하지 않다.
따라서 두 동작패턴에 대한 시뮬레이션 결과를 보면 모두 전동기가 정회전에서 역회전으로 부드럽게 전환되었으며 전동기 속도 역시 기준속도에 잘 추정함을 볼 수 있다. 그런데 그림 10(b)의 동작패턴에 비하여 그림 10(a)의 동작패턴에서는 계자전류가 더 빨리 정격치로 접근하므로 전동기 가속 시 전기자 전류크기가 더 작음을 알 수 있다.
또한 벅 컨버터회로에서 5개 MOSFET를 병렬로 연결하여 도통손실을 50%이상 감소시킬 수 있었다. 또한 제시한 가속페달각도에 대한 계자전류 및 고정자전압 동작 패턴으로 직류전동기가 정회전에서 역회전으로 회전방향을 부드럽게 변환시킬 수 있었으며, 특히 전동기 가속 또는 감속상태에서 계자전류를 더 빨리 정격치로 접근시키는 것이 전기자전류의 크기를 줄일 수 있다.
그림 12는 그림 10의 시뮬레이션 결과와 동일한 두 동작 패턴을 사용하여 가속페달 각도에 대한 전기자 전압 및 전류, 계자전류의 응답특성을 보인 것이다. 시뮬레이션 결과와 같이 두 동작패턴 모두 가속 페달 각도를 0으로 서서히 감소시키면 계자전류는 10%로 유지하면서 전기자 전압 및 전류와 속도는 0이 된 후, 10% 계자전류를 반대방향으로 흐르게 하여 전동기가 정방향에서 역방향으로 부드럽게 전환되었다. 동작패턴 1에서 동작패턴 2보다 계자전류를 정격치에 더 빨리 접근함에 따라 가속하는 과정에서 동작패턴 1을 적용 시 전기자 전류가 더 작음을 볼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기자동차의 실용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 것은?	대기 환경오염이나 가솔린 등 석유에너지의 고갈문제로 최근에 무공해 자동차로 전기자동차가 많이 주목을 받고 있다. 그런데 이 전기자동차는 배터리에 저장된 에너지로 구동하므로 운행시간이 제한되어 있다는 것이 전기자동차의 실용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있으므로, 전기자동차 구동장치에서 이 에너지를 어떻게 효율적으로 사용하는 것이 중요한 이슈가 되고 있다[1-3].
	계자권선에 연결된 H브리지회로로 계자전류가 흐르는 방향을 조정하여 전동기 회전방향을 바꾸는 이유는?	벅 컨버터로 전기자 전압을 조정하고 H-브리지 회로로 계자전류의 크기 및 방향을 제어한다. 여기서 벅 컨버터는 전기자전압을 제어하지만 전 기자 전압 및 전류가 양의 값만을 가지므로 전동기 회전자 회전방향을 바꿀 수가 없다. 따라서 계자권선에 연결된 H브리지회로로 계자전류가 흐르는 방향을 조정하여 전동기 회전방향을 바꾼다.
	전지자동차의 견인용 전동기는 무엇을 고려하여 선정해야하는가?	전지자동차의 견인용 전동기는 효율, 가격, 신뢰성, 전력 변환장치 등을 고려하여 선정하여야 한다. 현재 국내에서는 개발되고 있는 승용차용 전기자동차는 효율이 높으며, 부피가 작은 IPM (Interia Permanent Magnet) 전동기를 많이 사용되어 왔으나[4,5], 몇 년 전부터 희토류 가격의 급등과 함께 중국의 희토류 수출제한 등으로 수급불안의 문제까지 발생되고 있다.

참고문헌 (11)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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