전기자동차 모터 구동 시스템의 전도 방출에 관한 고주파 모델링 연구 Study on the High-Frequency Circuit Modeling of the Conducted-Emission from the Motor Drive System of an Electric Vehicle원문보기
본 논문에서는 고주파 회로 모델링을 이용하여 전기자동차의 모터 구동 시스템으로부터 방출되는 전도성 전자파 노이즈를 시스템-레벨에서 분석하였다. 관련 전도 방출의 주요 원인은 모터 구동 시스템에서 사용하는 펄스폭 변조방식의 스위칭 동작에 기인하며, 이러한 전도 방출은 공통-임피던스 결합 및 유도성 결합을 통해 AM/FM 주파수 대역에서의 무선주파수 간섭을 유발한다. 이러한 문제를 분석하기 위해 모터 구동 시스템을 구성하고 있는 IGBT와 고압 커패시터, 인버터, 모터 및 고전압 케이블과 버스 바에 대한 기본 회로는 물론, 각 부분에서 존재하는 기생 성분 및 비선형 특성을 해석하여 모터 구동 시스템 전체를 포함한 시스템-레벨의 고주파 등가회로 모델을 제안하였다. 이러한 모델을 이용한 모터 구동시스템의 전도 방출 특성을 시뮬레이션하고, 측정하였으며, 비교적 큰 해석구조임에도 불구하고 두 결과가 비교적 잘 일치함을 확인하였다. 향후 이러한 접근방법이 전기자동차의 전자파 적합성 설계에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
본 논문에서는 고주파 회로 모델링을 이용하여 전기자동차의 모터 구동 시스템으로부터 방출되는 전도성 전자파 노이즈를 시스템-레벨에서 분석하였다. 관련 전도 방출의 주요 원인은 모터 구동 시스템에서 사용하는 펄스폭 변조방식의 스위칭 동작에 기인하며, 이러한 전도 방출은 공통-임피던스 결합 및 유도성 결합을 통해 AM/FM 주파수 대역에서의 무선주파수 간섭을 유발한다. 이러한 문제를 분석하기 위해 모터 구동 시스템을 구성하고 있는 IGBT와 고압 커패시터, 인버터, 모터 및 고전압 케이블과 버스 바에 대한 기본 회로는 물론, 각 부분에서 존재하는 기생 성분 및 비선형 특성을 해석하여 모터 구동 시스템 전체를 포함한 시스템-레벨의 고주파 등가회로 모델을 제안하였다. 이러한 모델을 이용한 모터 구동시스템의 전도 방출 특성을 시뮬레이션하고, 측정하였으며, 비교적 큰 해석구조임에도 불구하고 두 결과가 비교적 잘 일치함을 확인하였다. 향후 이러한 접근방법이 전기자동차의 전자파 적합성 설계에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
In this paper, conducted emission from the MDS(Motor Drive System) of a HEV/EV was analyzed using high- frequency circuit modeling in system-level approach. The conducted emission by PWM process can cause RFI(radio- frequency interference) problems in the AM/FM frequency range. In order to mitigate ...
In this paper, conducted emission from the MDS(Motor Drive System) of a HEV/EV was analyzed using high- frequency circuit modeling in system-level approach. The conducted emission by PWM process can cause RFI(radio- frequency interference) problems in the AM/FM frequency range. In order to mitigate this conducted emission, a high-frequency equivalent circuit model is proposed by analyzing the fundamental circuits, parasitic components in their parts and connections and non-linear characteristics of IGBTs, high-power capacitors, inverters, motors, high-power cables, and bus bars which are composed of the MDS. It is confirmed that the simulated result by the proposed model is well agreed with measured results in spite of a large-scaled analysis in system level. We are looking forward that this approach can be effectively used in the EMC design of HEV/EV.
In this paper, conducted emission from the MDS(Motor Drive System) of a HEV/EV was analyzed using high- frequency circuit modeling in system-level approach. The conducted emission by PWM process can cause RFI(radio- frequency interference) problems in the AM/FM frequency range. In order to mitigate this conducted emission, a high-frequency equivalent circuit model is proposed by analyzing the fundamental circuits, parasitic components in their parts and connections and non-linear characteristics of IGBTs, high-power capacitors, inverters, motors, high-power cables, and bus bars which are composed of the MDS. It is confirmed that the simulated result by the proposed model is well agreed with measured results in spite of a large-scaled analysis in system level. We are looking forward that this approach can be effectively used in the EMC design of HEV/EV.
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문제 정의
본 논문에서는 고주파 노이즈의 근원이 되는 공통 모드 전압을 시스템 레벨로 해석할 수 있는 시뮬레이션 기법을 제시한다. 시뮬레이션으로 사용한 프로그램은 ANSYS사의 Simplorer와 Q3D를 이용하였다.
본 논문에서는 배터리 팩의 DC 고전압에 관하여 이상적인 DC 전압으로 모델링하였다. 관련하여 자세한 회로 모델링 기법은 Ref [12]를 참조하기 바란다.
전기자동차에서 AM/FM 주파수 대역의 RFI 문제는 매우 심각하며, 이러한 문제의 주요 원인은 PWM 방식으로 동작하는 모터 구동 시스템(MDS)의 전도 방출인 것으로 파악된다. 본 논문에서는 이러한 전도 방출을 효과적으로 해석하는 데 사용될 수 있는 MDS 전체의 고주파 회로 모델을 구하기 위해, MDS를 구성하고 있는 IGBT와 고압 커패시터, 인버터, 모터 및 고전압 케이블과 버스 바에 대한 기본 회로는 물론, 각 부분에서 존재하는 기생 성분 및 비선형 특성을 해석하였다. 이러한 모델을 이용하여 MDS의 150 kHz～108 MHz 주파수 대역의 전도 방출 특성을 시뮬레이션하고, CISPR 25 규격에 따라 측정하였다.
본 논문에서는 인버터 스위칭 주파수에 대한 영향을 분석하고, 전기자동차의 각 시스템을 구성하는 전기회로부를 실제 동작 환경과 유사하게 모델링하였다. 특히, 본 논문에서는 단편적인 회로 모델링만 고려한 기존의 다른 연구 논문[5]～[9]과 달리, 각각의 주요 전장품은 물론, 접속 케이블 등에서의 기생 성분을 포함한 시스템-레벨에서의 통합적인 고주파 회로 모델을 제안하였다.
우리는 앞에서 전기자동차에서의 RFI 및 전도 잡음 대책에 있어서 MDS가 핵심이 됨을 살펴보았다. 그림 2는 MDS에 관한 구성 요소와 공통-임피던스 결합 경로를 나타낸 것이다[5].
제안 방법
MDS의 전도 방출 시험을 위해서 구동 모터, 인버터, LISN, 고전압 케이블 및 6 m×7 m×3.4 m의 반무반사실의 챔버에서 진행을 하였다.
고전압 커패시터의 기생 성분 값은 표 1에 나타냈었다. 고전압 커패시터는 X-Cap과 Y-Cap의 조합으로 만들어졌으며, 버스바 구조를 포함하여 표 1의 변수들을 측정과 시뮬레이션을 통해 추출하였다. 실제 자동차에 양산 적용된 샘플을 이용한 것이다.
앞에서 기술한 것처럼 MDS를 구성하는 기본 회로에 다양한 기생 성분을 모의하고, 기타 언급되지 않은 PCB 및 고전압 버스바 등은 Q3D를 이용하여 고주파 등가회로를 구성하였다. 또한, 공통 모드 전도전압을 측정하기 위한 LISN(Line Impedance Stability Network)을 CISPR 25 규정에 따라 고주파 등가 회로를 구성하여 추가하였다.
또한, 모터의 부하는 동작을 하지 않고 500 rpm 상태에서 고전압 LISN 출력에서 그림 6의 12번 EMI 수신기(ESCI, R & S)를 연결하여 측정을 수행하였다.
모터 구동 시스템을 구성하는 모든 고전압 부품은 기생 저항 및 기생 인덕턴스, 기생 커패시턴스가 존재하며, 이는 중요한 노이즈 경로 및 주파수에 따른 임피던스 변동을 통해 전자파 노이즈 원을 발생시키므로 보다 세분화하여 각 기생 성분의 고주파 특성을 분석하였다.
그리고 전기자동차용 인버터는 통상적으로 5～8 kHz의 PWM 파형을 사용한다. 본 논문에서는 회로 모델링을 위한 PWM 파형의 주파수를 8 kHz로 수행하였다.
이러한 과정을 통해 구성된 각 부분의 고주파 등가회로 모델을 모두 결합하여 MDS에 대한 시스템레벨 고주파 회로 모델을 구성하였다. 그림 5가 최종적인 MDS 전체 시스템에 관한 고주파 회로 모델이다.
본 논문에서는 이러한 전도 방출을 효과적으로 해석하는 데 사용될 수 있는 MDS 전체의 고주파 회로 모델을 구하기 위해, MDS를 구성하고 있는 IGBT와 고압 커패시터, 인버터, 모터 및 고전압 케이블과 버스 바에 대한 기본 회로는 물론, 각 부분에서 존재하는 기생 성분 및 비선형 특성을 해석하였다. 이러한 모델을 이용하여 MDS의 150 kHz～108 MHz 주파수 대역의 전도 방출 특성을 시뮬레이션하고, CISPR 25 규격에 따라 측정하였다. 비교적 큰 해석 구조임에도 불구하고, 두 결과가 비교적 잘 일치함을 확인하였다.
고전압을 이용하여 구동되는 PWM 모터 구동 시스템의 경우, 고전압 DC를 BMS에서 인버터 단까지 공급하기 위해 케이블이 필요하며, 인버터에서 3상 신호를 모터까지 전달하기 위해 3상 케이블이 필요하다. 케이블의 기생 저항 성분을 표피 효과를 고려하여 구하였으며, 근접한 두 개의 케이블의 상호 인덕턴스와 커패시턴스 성분을 계산하였다[11].
본 논문에서는 인버터 스위칭 주파수에 대한 영향을 분석하고, 전기자동차의 각 시스템을 구성하는 전기회로부를 실제 동작 환경과 유사하게 모델링하였다. 특히, 본 논문에서는 단편적인 회로 모델링만 고려한 기존의 다른 연구 논문[5]～[9]과 달리, 각각의 주요 전장품은 물론, 접속 케이블 등에서의 기생 성분을 포함한 시스템-레벨에서의 통합적인 고주파 회로 모델을 제안하였다. 제안된 모델을 사용하여 150 kHz～108 MHz 대역의 전도 방출 노이즈 및 RFI 측정 결과와 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
. 특히, 본 논문에서는 모터 내부의 고정자와 회전자 사이의 베어링에 해당하는 부분을 기생 저항 성분(R2M)으로 추가하였다.
대상 데이터
메인 X-Cap의 경우는 380～500 uF 범위이며, Y-Cap의 경우는 22～47 nF이다. IGBT(Insulator-Gate Bipolar Transistor)의 경우, 인피니언社의 하이브리드 팩-2를 사용하였다. HEV/EV에서 최근 3상 모터 용량은 기본적으로 30～100 kW 범위에 것을 사용한다.
고전압 부품에 사용되는 케이블의 경우, 매우 높은 전류가 흐르고, 다량의 스위칭 노이즈를 포함하고 있어 방사되는 EMI 노이즈를 막기 위해 주로 차폐 케이블이 사용되고 있다. 모델링 및 측정에 사용된 케이블의 경우 고전압 DC 케이블은 길이가 1 m이며, 3상 출력 케이블은 0.47 m이다. 고전압 DC 케이블과 3상 출력 케이블은 그 길이와 두께에 따라 기생 성분이 다르며, 각 기생 성분 값은 표 3에 나타내었다.
본 논문에서는 고주파 노이즈의 근원이 되는 공통 모드 전압을 시스템 레벨로 해석할 수 있는 시뮬레이션 기법을 제시한다. 시뮬레이션으로 사용한 프로그램은 ANSYS사의 Simplorer와 Q3D를 이용하였다. Simplorer의 경우, 전체적인 PWM 모터 구동 회로 구성 및 제어를 위해 사용되었으며, Q3D의 경우 케이블 및 각종 고전압 부품의 기생 성분 해석을 위해 사용되었다.
앞에서 기술한 것처럼 MDS를 구성하는 기본 회로에 다양한 기생 성분을 모의하고, 기타 언급되지 않은 PCB 및 고전압 버스바 등은 Q3D를 이용하여 고주파 등가회로를 구성하였다. 또한, 공통 모드 전도전압을 측정하기 위한 LISN(Line Impedance Stability Network)을 CISPR 25 규정에 따라 고주파 등가 회로를 구성하여 추가하였다.
성능/효과
이러한 모델을 이용하여 MDS의 150 kHz～108 MHz 주파수 대역의 전도 방출 특성을 시뮬레이션하고, CISPR 25 규격에 따라 측정하였다. 비교적 큰 해석 구조임에도 불구하고, 두 결과가 비교적 잘 일치함을 확인하였다.
특히, 본 논문에서는 단편적인 회로 모델링만 고려한 기존의 다른 연구 논문[5]～[9]과 달리, 각각의 주요 전장품은 물론, 접속 케이블 등에서의 기생 성분을 포함한 시스템-레벨에서의 통합적인 고주파 회로 모델을 제안하였다. 제안된 모델을 사용하여 150 kHz～108 MHz 대역의 전도 방출 노이즈 및 RFI 측정 결과와 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 접근을 통해 전자파 적합성에 영향을 미칠 수 있는 요소와 제어 가능한 요소를 체계적으로 파악하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.
후속연구
기존에는 시스템을 구성하는 각각의 전장품에 대한 단편적인 회로 모델링만 고려했지만, 이러한 시스템-레벨 해석 방법을 사용하면 MDS의 동작에 의한 전도성 전자파 노이즈의 결합 메커니즘에 대해 체계적으로 이해하고, 나아가서 설계 초기 단계에서부터 EMC에 민감한 설계 파라미터들을 점검 및 분석할 수 있을 것으로 기대한다.
그림 7에서 150 kHz～1 MHz 대역은 3상 케이블의 기생 커패시턴스에 의한 공진 특성으로 발생이 된다. 따라서 관련 기생 커패시턴스의 설계 파라미터를 제어하면 이 대역의 특성을 개선시킬 수 있을 것으로 판단이 된다. 이것은 매우 중요한 사항으로 자동차 내부의 AM 대역 노이즈 유입 성능에 중요 파라미터라 할 있다.
을 추가적으로 진행하여 완벽한 MDS 시스템의 통합 회로 모델링을 개발하도록 할 것이다. 또한, 고전압 노이즈를 저감할 수 있는 소형화된 능동 필터 구조에 대한 연구를 추가로 진행할 것이다. 추가적으로 전자파 대책 기술 측면에서 언급을 하면, 모터 구동 시스템의 경우 적은 비용으로 많은 노이즈 성분을 제어할 수 있지만, 모터 부는 상당히 어려운 점이 많음을 지적하고 싶다.
추가적으로 30 MHz 이상의 대역에서 시뮬레이션과 측정 결과의 유의성에 관하여 시뮬레이션에 고려가 되지 않은 접지 판이나 접지 스트랩으로 인한 고주파 결합으로 인하여 두 결과가 차이가 난다고 할 수 있다. 이 부분은 향후 연구되어야 할 부분이며, 방사성 결합으로 인한 전도 노이즈의 영향성 분석이 이루어져야 한다. 하지만 시스템 차원의 EMC 대책에서 자동차 내부는 30 MHz 이상의 노이즈가 크게 중요한 성분이 되지 않는다.
제안된 모델을 사용하여 150 kHz～108 MHz 대역의 전도 방출 노이즈 및 RFI 측정 결과와 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 이러한 접근을 통해 전자파 적합성에 영향을 미칠 수 있는 요소와 제어 가능한 요소를 체계적으로 파악하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.
이것은 매우 중요한 사항으로 자동차 내부의 AM 대역 노이즈 유입 성능에 중요 파라미터라 할 있다. 자동차 패키지 설계 시 관련 케이블의 기생 커패시턴스를 최소화함으로써 노이즈 유입 성능을 개선시킬 수 있을 것으로 판단이 된다. 그림 7에서 150 kHz～1 MHz 대역의 차이점은 모터 구조체로 인한 방사성 전자파가 주변의 케이블 및 접지 판으로 유기되어 생기는 차이로 분석이 된다.
향후 본 논문에 이어서 LISN의 고주파 모델 정확성 향상과 리튬-이온 고전압 배터리 모델링[12]을 추가적으로 진행하여 완벽한 MDS 시스템의 통합 회로 모델링을 개발하도록 할 것이다. 또한, 고전압 노이즈를 저감할 수 있는 소형화된 능동 필터 구조에 대한 연구를 추가로 진행할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전기자동차 및 하이브리드 자동차는 무엇으로 구동되는가?
전기자동차(EV: Electric Vehicle) 및 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)는 기존 내연기관 자동차와 달리 전기 모터로 구동된다. HEV는 구동 시 인버터에 의한 모터 구동 시스템(MDS: Motor Drive System)에 의해 운전되고, 가속 시 기존 내연기관과 MDS가 함께 동작하여 출력을 낸다.
HEV의 구동 원리는?
전기자동차(EV: Electric Vehicle) 및 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)는 기존 내연기관 자동차와 달리 전기 모터로 구동된다. HEV는 구동 시 인버터에 의한 모터 구동 시스템(MDS: Motor Drive System)에 의해 운전되고, 가속 시 기존 내연기관과 MDS가 함께 동작하여 출력을 낸다. 정속도운전 시는 일반 내연기관으로 운전이 되고, 감속 시 충전 모드로 전환이 된다.
참고문헌 (12)
정기범, "친환경 자동차 및 OBC에 관한 EMC 설계 방향 및 규격 동향", 한국전자파학회지 전자파기술, 23(4), pp. 43-51, 2012년 7월.
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