[논문]FCEV 구동용 DC-DC 컨버터 가변 DC-link 전압 제어에 의한 PWM 인버터의 전류 왜곡 저감

고안열; 김도윤; 이정효; 김영렬; 원충연

doi:10.6113/tkpe.2014.19.6.572

FCEV 구동용 DC-DC 컨버터 가변 DC-link 전압 제어에 의한 PWM 인버터의 전류 왜곡 저감
Reduction of Current Distortion in PWM Inverter by Variable DC-link Voltage of DC-DC Converter for FCEV 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.19 no.6, 2014년, pp.572 - 581

고안열 (School of Info. and Comm. Eng., Sungkyunkwan University) , 김도윤 (School of Info. and Comm. Eng., Sungkyunkwan University) , 이정효 (Automotive Components Development 4 Team. LG Innotek) , 김영렬 (Dept. of Electric. & Electron. Eng., Anyang University) , 원충연 (School of Info. and Comm. Eng., Sungkyunkwan University)

Abstract ▼ AI-Helper

A design and control method of DC/DC converter, which can control variable DC-link voltage to drive a fuel cell electric vehicle (FCEV), is proposed in this study. Given that a fuel cell has low-voltage and high-current characteristics, the required voltage for operating motor must be output through the DC/DC boost converter in the system to drive an FCEV. The proposed converter can choose the output voltage of battery or fuel cell in consideration of the driving mode, as well as control DC-link voltage in accordance with the back electromotive force. The switching lag-time to prevent shortage of pulse-width modulation inverter arms makes distorted current waveform caused by voltage distortion. Through this control method, the proposed converter can reduce the output voltage distortion and current ripple of the inverter, thereby reducing the distorted torque. Simulations and experimental results are presented to verify the reliability of the proposed DC/DC converter.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

데드타임에 의한 전압강하 성분에 의해 왜곡성분이 포함된 전압과 전류, 그로인한 출력 토크의 포함된 왜곡된 성분을 개선하기 위하여 전동기의 속도에 비례하여 DC-link 전압을 가변제어 함으로써 출력되는 전압, 전류, 토크의 왜곡된 성분을 저감하는 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 FCEV 구동하는데 필요한 DC/DC 컨버터를 제안하였다. 이 컨버터는 저토크 구간에서는 연료전지를 주전원으로 사용하게 되고, 고토크를 요구하는 구간에서는 보조전원인 배터리를 사용하게 된다.
출력전압의 포함된 왜곡된 성분은 데드타임과 스위칭 소자의 전압강하 성분에 의해서 나타난다. 본 논문에서는 데드타임에 의한 전압강하 성분만을 고려하여 출력에 포함된 왜곡된 성분을 저감하는 방법을 제안하였다. 데드타임에 의한 전압강하 성분으로 인해 출력되는 극전압은 왜곡된 성분이 포함된 전압과 전류를 출력하게 된다.

가설 설정

가 boost 모드 (모드 3) 동작을 시작하는 시점에서 스위치 S₁은 항상 on 상태가 된다.

제안 방법

전압형 PWM 인버터 구동시 데드타임 영향으로 기본 파전압의 감소로 인하여 전류파형도 왜곡이 일어난다. 데드타임에 의해 발생하는 왜곡을 줄이기 위해 전동기의 속도가 가변함에 따라 발생하는 역기전력에 비례하여 가변 DC-link 전압제어를 수행하였다. 가변 DC-link 전압제어를 통해 인버터의 전압, 전류, 토크 출력의 왜곡된 성분을 줄일 수 있다.
본 논문에서 제안하는 컨버터는 연료전지와 배터리를 병렬로 연결한 형태로써 정속도 구간이나 속도의 변화가 크지 않은 저토크 구간에서는 연료전지를 주전원으로 사용하게 되고, 속도의 변화가 큰 가속구간과 같이 고토크를 요구하는 구간에서는 보조전원인 배터리를 사용하게 된다. 전동기가 저속도를 요구하는 구간에서 최소 DC-link 전압을 출력하게 되고, 높은 DC-link 전압을 요구하는 고속도 구간에서 속도가 증가에 따라 DC-link 전압을 높여주는 가변 DC-link 전압제어를 수행한다.
연료전지는 다양한 종류가 있지만 그중에서 비교적 빠른 반응시간과 시동시간을 가진 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 FCEV용으로 가장 많이 사용된다. 본 논문에서도 PEMFC의 특성을 갖는 연료전지 시뮬레이터를 사용하여 시뮬레이션 및 실험을 수행 하였다.
컨버터 시스템에서 DC-link 전압 V_dc 가 항상 연료전지의 출력전압 V_FC보다 높게 설정하여 연료전지만으로 DC-link 전압을 제어할 때는 스위치 S₄를 통한 boost 모드 (모드 1)로만 동작하는 것을 확인할 수 있다. 실험에서는 배터리로 FCEV를 구동 시킨 후에 연료전지 출력으로 동작을 확인하기 위해 DC-link 전압에 의해 연료전지 출력이 boost 동작을 한다.
그림 8은 실험에 사용된 연료전지 시뮬레이터의 내부 구조를 나타낸 회로도이다. 연료전지 시뮬레이터는 동기식 부스트 컨버터를 사용하여 구현하였다. 시뮬레이터는 초기동작모드와 동특성 모드를 나누어 제어를 하게 된다.
표 2와 표 3은 시뮬레이션과 실험에서 사용한 파라미터들을 나타내었다. 전체 시스템 시뮬레이션 및 실험을 위해 일반적인 전기자동차 시스템에 비해 스케일을 축소하여 진행하였다. 실제 실험에 사용된 배터리는 12 V 의 배터리를 직렬로 연결하여 구성하였고, 연료전지는 3 kW 용량의 연료전지 시뮬레이터를 사용하여 실험을 진행하였다.
제안하는 컨버터는 FCEV의 운전 상태에 따라 각 모드별로 DC-link 전압을 제어한다.
그림 1은 본 논문에서 제안하는 FCEV 구동용 가변 DC-link 전압제어가 가능한 DC-DC 컨버터이다. 제안하는 컨버터의 스위치 S₁과 스위치 S₂는 전력제어에, 스위치 S₃과 스위치 S₄는 인버터의 입력이 되는 DC-link 전압제어 하는데 사용된다. 다이오드 D₁는 연료전지로 흐르는 역전류를 블로킹하는 역할을 하고, 다이오드 D₂는 buck 모드 동작 시 환류 다이오드로 동작한다.

대상 데이터

그림 6은 속도지령이 가변됨에 따라 가변 DC-link 전압제어를 보여주는 시뮬레이션 파형이다. 시뮬레이션 파형은 각각 속도, DC-link 전압, 토크, 동기좌표계에서의 축전류와 축전류, 상전류를 보여준다. 시뮬레이션 초기에는 전동기의 초기 구동 시 필요한 전압인 50 V 를 일정하게 출력하고 있다.
전체 시스템 시뮬레이션 및 실험을 위해 일반적인 전기자동차 시스템에 비해 스케일을 축소하여 진행하였다. 실제 실험에 사용된 배터리는 12 V 의 배터리를 직렬로 연결하여 구성하였고, 연료전지는 3 kW 용량의 연료전지 시뮬레이터를 사용하여 실험을 진행하였다.

데이터처리

따라서 가변 DC-link 전압제어 방식이 고정 DC-link 전압제어 방식보다 전압, 전류, 토크 출력에서 포함하고 있는 왜곡된 성분을 줄일 수 있다. 제안된 가변 DC-link 전압제어는 시뮬레이션과 실험을 통해 타당성을 검증하였다.
컨버터의 동작과 제어 알고리즘을 검증하기 위해 시 뮬레이션 및 실험 결과를 통해 제안된 DC-DC 컨버터의 타당성을 검증하였다.

이론/모형

영구자석을 회전자 내부에 삽입한 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)은 구조적 특징으로 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 동시에 이용할 수 있기 때문에 효율이 높고 운전속도 범위가 넓은 장점이 있다. 이러한 구조적인 특징으로 단위체적당 출력할 수 있는 토크가 높기 때문에 본 논문에서는 FCEV 구동용으로 사용하였다.
제안하는 컨버터의 동작을 검증하기 위해 Powersim사의 PSIM 시뮬레이션 툴을 사용하였다. 표 2와 표 3은 시뮬레이션과 실험에서 사용한 파라미터들을 나타내었다.

성능/효과

그림 7 (a)는 데드타임에 의한 영향으로 인해 출력되는 상전류가 왜곡된형태로 출력되는 것을 확인할 수 있다. 그림 7 (b)의 시뮬레이션결과를 통해 가변 DC-link 전압제어를 할 때, 데드타임에 의한 왜곡된 성분이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
그러나 가변 DC-link 전압제어를 사용하면 최대 출력영역이 아닌 구간에서는 DC-link 전압을 일정한 크기로 제어하는 방식보다 항상 DC-link 전압의 크기가 작게 제어된다. 따라서 가변 DC-link 전압제어 방식이 고정 DC-link 전압제어 방식보다 전압, 전류, 토크 출력에서 포함하고 있는 왜곡된 성분을 줄일 수 있다.
사용한 시뮬레이터의 특성에 따라 초기동작모드 후에 전압드롭이 발생하는 구간에서부터 동특성모드로 전환된다. 연료전지 동작 영역에서 출력전류가 증가함에 따라 연료전지의 특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
그림 13은 인버터를 통해 전동기를 제어할 때 전동기의 속도가 변화함에 따라 컨버터의 출력인 DC-link 전압 가 가변되는 것을 보여주는 실험 결과이다. 전동기의 속도를 1000 rpm으로 구동하고 있을 때, 70 V 의 DC-link 전압으로 제어가 되고 전동기의 속도가 1800 rpm 이상으로 증가하는 시점에서 DC-link 전압이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
그림 12는 연료전지만으로 DC-link 전압을 가변제어한 실험 결과이다. 컨버터 시스템에서 DC-link 전압 V_dc 가 항상 연료전지의 출력전압 V_FC보다 높게 설정하여 연료전지만으로 DC-link 전압을 제어할 때는 스위치 S₄를 통한 boost 모드 (모드 1)로만 동작하는 것을 확인할 수 있다. 실험에서는 배터리로 FCEV를 구동 시킨 후에 연료전지 출력으로 동작을 확인하기 위해 DC-link 전압에 의해 연료전지 출력이 boost 동작을 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지 전기자동차의 장점은?	연료전지 전기자동차(FCEV)는 기존의 엔진 차량에 비해 에너지 효율이 높고 배기가스가 없다는 장점을 가지고 있다. 친환경 차량의 한 종류인 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)는 연료전지를 주전원으로 사용하여 차량 구동용 전동기에 필요한 에너지를 공급하게 된다.
	대부분의 연료전지 시스템은 배터리나 슈퍼 커패시터 등의 백업용 소자를 사용한다, 그 이유는?	연료전지는 동특성이 느리고 수소 공급 하에서만 발전이 가능하기 때문에 이를 보상하기 위하여 대부분의 연료전지 시스템은 배터리나 슈퍼 커패시터 등의 백업용 소자를 사용한다.
	순시 토크제어가 필요한 FCEV 구동 시스템에서는 연료전지만으로는 출력을 감당하기 어렵다, 이에 대한 해결책은?	연료전지는 저전압, 고전류 특성을 가지고 있으므로 순시 토크제어가 필요한 FCEV 구동 시스템에서는 연료전지만으로 출력을 감당하기 어렵다. 그러므로 병렬로 연결된 배터리용 DC-DC 컨버터를 통해 전동기 구동시 요구되는 전압을 출력하여 연료전지의 출력을 보조하는 역할을 한다.

참고문헌 (8)

X. Lu, W. Qian, D. Cao, F. Z. Peng, and J. Liu, "A carrier modulation method for minimizing the dc link capacitor current ripple of the HEV DC-DC converter and inverter system," APEC 2011, IEEE Conference Publication, pp. 800-807, Mar. 2011.
J. Silvestre, "Half-bridge bidirectional DC-DC converter for small electric vehicle," SPEEDAM 2008, International Symposium on, pp. 884-888. June. 2008.
T. Schoenen, M. S. Kunter, M. D. Hennen, R. W. De Doncker, "Advantages of a variable DC-link voltage by using a DC-DC converter in hybrid-electric vehicles," VPPC 2010, IEEE conference publication, pp. 1-5, Sep. 2010.
T. Sukegawa, K. Kamiyama, K. Mizuno, T. Matsui, and T. Okuyama, "Fully digital, vector-controlled PWM VSI-fed ac drives with an inverter dead-time compensation strategy," IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 27, No. 3, pp. 552-559. May/Jun. 1991.

상세보기
J. S. Hong, S. Y. Jung, P. D. Thang, and K. H. Nam, "Hybridization fuel cell with supercapacitor for FCEV," APEC 2008, IEEE conference publication, pp. 286-290, Feb. 2008.
D. M. Joo, D. G. Woo, K. W. Koo, and B. K. Lee, "Comparison of structures for fuel cell-battery hybrid system," Power Electronics Autumn Conference 2012, pp. 21-22, Jun. 2012.
H. S. Ryu, B. S. Kim, J. H. Lee, I. H. Lim, S. H. Hwang, and J. M. Kim, "New dead time compensation method in voltage-fed PWM inverter," Journal of Power Electronics, Vol. 11, No. 5, pp. 395-403, Oct, 2006.
S. H. Hwang, and J. M. Kim, "Dead time compensation method for voltage-fed PWM inverter," IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 25, No. 1, Mar. 2010.

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저자의 다른 논문 :

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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