[논문]하이브리드 및 전기 자동차용 LDC 재생형 부하 시험기 설계

이춘일; 홍연찬

doi:10.5762/kais.2014.15.10.6258

하이브리드 및 전기 자동차용 LDC 재생형 부하 시험기 설계
Design of a LDC Recycling Load Tester for Hybrid and Electric Vehicles 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.10, 2014년, pp.6258 - 6263

초록
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하이브리드 자동차나 전기 자동차에 사용되는 LDC(Low Voltage DC-DC Converter)는 고전압 배터리 측의 높은 DC 전압을 입력 받아 낮은 전압인 12V로 강하시켜 전장부하 장치의 전원 공급 및 보조 배터리의 충전용으로 사용된다. LDC는 생산 공정 중에 장시간의 부하시험을 하는데 부하시험 시 전력을 100% 열로 방출하는 구조로 에너지 소비가 매우 큰 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 재생형 방식의 부하시험 방법을 제안하여 낭비되는 전력의 75~90%의 에너지 절감을 실현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The LDC (Low Voltage DC-DC Converter) used for hybrid vehicles and electric vehicles was utilized to supply the electric apparatus load with a voltage and to charge the auxiliary batteries by receiving a high DC voltage from the high voltage battery. The LDC has a long-time load test during the manufacturing process. On the other hand, it has the disadvantage of considerable energy consumption because it has the structure to release the power as 100% heat during a load test. Therefore, in this paper, a recycling load test method was proposed and 75~90% energy saving was realized.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제안하는 재생형 부하시험기는 전력계통에 전력을 보내지 않고 자체 내에서 회생할 방안을 제안 하고자 한다[4]. 특히 LDC와 같이 양산되는 제품의 경우 최소 100개를 에이징할 경우 약 150~400KW의 전력이 지속적으로 열로 소비되어 이에 따른 문제가 크다.
이는 UPS 특성상 수십~수백KW 높은 전력을 부하에 걸려면 부하장치의 부피가 크고 전력을 소비하는 부하에서 발생 하는 열 또한 문제가 있었기 때문이다. 이에 전력계통에 전력을 보내는 방법이 대안으로 제시 되었다. 하지만 전력계통에 많은 양의 전력을 보낼 경우 전압상승의 효과로 인하여 전원기기의 파손을 초래할 수 있다.

제안 방법

AC-DC Converter는 PFC와 DC-DC 스테이지 2단으로 구성되었으며, 효율 측면에서 유리한 공진형으로 설계하였다. PFC stage는 역률과 하모닉 성분을 감소시키기 위하여 ST사의 L4981을 Active boost PFC CCM type으로 사용하였고 DC-DC stage는 위상천이(Phase shift full bridge) 방식으로 설계하였으며 제어기로는 TI 사의 UCC3895를 사용하였다.
우선 각 모듈별 전기적 특성을 측정한 후 폐회로를 구성하여 전체 효율을 측정하여 실제 소비되는 전력량을 구하는 것으로 하였다.
동작은 시료인 LDC에서 출력되는 12Vdc 전압을 300Vdc로 승압 하여 AC-DC Converter의 출력과 동일하게 맞추어 주는데 낮은 전압을 급격하게 고전압으로 올릴 경우 안정성에 문제가 발생한다. 이에 본 논문에서는 6단을 직렬 연결하는 것으로 회로를 설계하였다. 그러므로 1단에서 부담하는 최대 전압은 66.
LDC는 자동차 전장품으로 전수검사를 실시하는데 전기적 신뢰성 테스트 공정 중 하나인 에이징(Aging)은 장시간에 걸쳐 부하기에서 전력대부분을 열로 소비하므로 전력소비가 매우 심하다. 이에 전력의 75～90%를 재생하여 사용하는 재생형 부하시험기를 제안한다.
재생형 부하시험기의 AC-DC Converter는 기동 전력과 폐회로 구성에 따른 LDC 및 전자부하기 DC-DC 컨버터에서 발열로 인한 자체 손실되는 전력을 보충하는 역할로 큰 용량이 필요치 않아 시료의 50%정도의 용량인 900W로 설계하였다. 실제 계산에 의한 용량은 500W 미만이나 각 모듈의 효율 변동을 감안하여 여분을 충분히 주었다.
전자부하기 DC-DC 컨버터도 위상천이 풀 브리지 (Phase Shift Full Bridge) 방식으로 설계하였다. 동작은 시료인 LDC에서 출력되는 12Vdc 전압을 300Vdc로 승압 하여 AC-DC Converter의 출력과 동일하게 맞추어 주는데 낮은 전압을 급격하게 고전압으로 올릴 경우 안정성에 문제가 발생한다.
전자부하기 역할을 담당하는 DC-DC 컨버터는 LDC의 출력에서 나오는 12V의 저전압을 AC-DC Converter 의 추종 출력 전압인 300V 고전압으로 변환하여 폐회로가 구성되도록 한다. 전자부하기인 DC-DC 컨버터 역시 LDC의 손실분 10%를 감안하여 설계하면 1.6kW이지만 마진과 안정성을 감안하여 본 논문에서는 2kW로 구현하였다.
2.5 제어부

제어기는 각 모듈별 제어를 통하여 설정 값으로 동작하도록 하였으며, AC-DC Converter의 입출력 전압과 전류, LDC의 출력 전압과 전류를 감지하여 전자부하기인 DC-DC 컨버터 출력이 AC-DC Converter의 출력 전압에 항상 추종하도록 하였다. 제어부의 구현은 Atmega128을 사용하였다.

대상 데이터

AC-DC Converter는 PFC와 DC-DC 스테이지 2단으로 구성되었으며, 효율 측면에서 유리한 공진형으로 설계하였다. PFC stage는 역률과 하모닉 성분을 감소시키기 위하여 ST사의 L4981을 Active boost PFC CCM type으로 사용하였고 DC-DC stage는 위상천이(Phase shift full bridge) 방식으로 설계하였으며 제어기로는 TI 사의 UCC3895를 사용하였다.
제어기는 각 모듈별 제어를 통하여 설정 값으로 동작하도록 하였으며, AC-DC Converter의 입출력 전압과 전류, LDC의 출력 전압과 전류를 감지하여 전자부하기인 DC-DC 컨버터 출력이 AC-DC Converter의 출력 전압에 항상 추종하도록 하였다. 제어부의 구현은 Atmega128을 사용하였다.

성능/효과

7은 각 모듈별 측정 효율을 표시하였으며, 손실은 열로 표시하였다. 또한 풀 부하시 사용되는 전력량을 일괄 표시하였는데 이 그림을 통하여 AC-DC 컨버터의 실제 사용 전력은 손실분을 포함한 410W의 용량이 필요하나 본 논문에서 제작한 AC-DC 컨버터 설계 용량은 2배 크게 설계되었음을 확인할 수 있다. 전자부하기 DC-DC 컨버터는 1.
본 논문에서 설계한 재생형 부하시험기는 AC-DC 컨버터에서 93.7%, DC-DC 컨버터(부하 시)에서 88.5%의 효율을 나타내어 종합 효율 82.9%의 효율 특성을 보인다.
재생형 부하시험기의 AC-DC Converter는 기동 전력과 폐회로 구성에 따른 LDC 및 전자부하기 DC-DC 컨버터에서 발열로 인한 자체 손실되는 전력을 보충하는 역할로 큰 용량이 필요치 않아 시료의 50%정도의 용량인 900W로 설계하였다. 실제 계산에 의한 용량은 500W 미만이나 각 모듈의 효율 변동을 감안하여 여분을 충분히 주었다.
일반적인 부하시험으로 LDC 1.8kW를 시험했을 경우 소비전력은 2kW 이상이 소비되지만 본 논문에서 제안한 재생형 부하시험기의 경우 386W의 전력 소비가 발생하여 약 78.6%의 에너지 절약이 가능하며, 총 전력소비 측면을 고려하면 일반적인 부하시험 대비 20% 이하의 소비가 발생한다. 또한 발열이 작아서 냉각 비용을 크게 낮출 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	재생형 부하시험기는 1990년대 말부터 연구가 이루어 지기 시작하였으며, 주로 대 전력용 무정전 전원장치 (UPS)의 부하시험 연구가 주를 이루었는데 그 이유는?	재생형 부하시험기는 1990년대 말부터 연구가 이루어 지기 시작하였으며, 주로 대 전력용 무정전 전원장치 (UPS)의 부하시험 연구가 주를 이루었다[1-3]. 이는 UPS 특성상 수십~수백KW 높은 전력을 부하에 걸려면 부하장치의 부피가 크고 전력을 소비하는 부하에서 발생 하는 열 또한 문제가 있었기 때문이다. 이에 전력계통에 전력을 보내는 방법이 대안으로 제시 되었다.
	LDC는 무엇으로 사용되는가?	하이브리드 자동차나 전기 자동차에 사용되는 LDC(Low Voltage DC-DC Converter)는 고전압 배터리 측의 높은 DC 전압을 입력 받아 낮은 전압인 12V로 강하시켜 전장부하 장치의 전원 공급 및 보조 배터리의 충전용으로 사용된다. LDC는 생산 공정 중에 장시간의 부하시험을 하는데 부하시험 시 전력을 100% 열로 방출하는 구조로 에너지 소비가 매우 큰 단점이 있다.
	LDC의 단점은?	하이브리드 자동차나 전기 자동차에 사용되는 LDC(Low Voltage DC-DC Converter)는 고전압 배터리 측의 높은 DC 전압을 입력 받아 낮은 전압인 12V로 강하시켜 전장부하 장치의 전원 공급 및 보조 배터리의 충전용으로 사용된다. LDC는 생산 공정 중에 장시간의 부하시험을 하는데 부하시험 시 전력을 100% 열로 방출하는 구조로 에너지 소비가 매우 큰 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 재생형 방식의 부하시험 방법을 제안하여 낭비되는 전력의 75~90%의 에너지 절감을 실현하였다.

참고문헌 (6)

Imoto Yoshihiro, "Load Device", Japan Patent Publication No. 09-325823, 1997.
Carlos Augusto Ayres and Ivo Barbi, "Power Recycler for Power Supplies Burn-in Test Design and Experimentation" EFEI-Itajuba-MG-Brazil, p.3-7 Mar. 1996.
Ming-Tsung Tsai and Charles Tsai, "Energy Recycling for Electrical AC Power Source Burn-in Test" IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 47, no. 4, Aug. 2000. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/41.857979

상세보기
Intepro System, "DC/DC Burn-in Test Systems", 2006.
Andrzej M. Trznhadlowski, "Introduction to Modern Power Electronics", Hanbitmidieo, p.441-488, 2011.
Kim Huijun, "The basic design of switching power", Seongandang, 2010.

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