하이브리드 자동차나 전기 자동차에는 대용량의 배터리를 장착하여 동력 및 전장품의 전원으로 사용하고 있다. 대용량의 배터리를 이용하여 ECU(Electronic control unit) 및 조명, 라디오, 네비게이션 등의 전장품의 전원으로 사용하기 위해서는 DC 240-400V의 높은 전압을 DC 12-14V의 낮은 전원으로 변환해 주는 DC 컨버터가 필요한데 이것을 LDC(Low Voltage DC-DC Converter)라 한다. LDC는 생산 공정 중에 잠재적인 불량을 줄이기 위해 장시간의 에이징(Aging)을 실시하고 있다. 일반적인 에이징 방법으로는 LDC가 DC-DC 컨버터이기에 입력에 직류전원공급기와 출력에 전자부하기를 연결하여 사용한다. 안정적인 동작을 위해 LDC 보다 10%이상 큰 용량의 제품을 사용하며, 출력에 걸리는 전력을 100% 열로 소비하는 구조이다. 때문에 LDC를 테스트 위해 2개의 장비를 사용함에 따른 부피의 문제와 전자부하기의 발열에 따른 문제가 존재한다. 이에 본 논문에서는 부하장치에서 열로 소비되는 전기의 상당부분을 입력 측으로 되돌려 보내는 재생형 방식의 부하시험방법을 제안하고 재생형 부하 시험기의 효율 개선을 통하여 열로 소비된 전기의 80% 이상 절감을 실현하였다.
하이브리드 자동차나 전기 자동차에는 대용량의 배터리를 장착하여 동력 및 전장품의 전원으로 사용하고 있다. 대용량의 배터리를 이용하여 ECU(Electronic control unit) 및 조명, 라디오, 네비게이션 등의 전장품의 전원으로 사용하기 위해서는 DC 240-400V의 높은 전압을 DC 12-14V의 낮은 전원으로 변환해 주는 DC 컨버터가 필요한데 이것을 LDC(Low Voltage DC-DC Converter)라 한다. LDC는 생산 공정 중에 잠재적인 불량을 줄이기 위해 장시간의 에이징(Aging)을 실시하고 있다. 일반적인 에이징 방법으로는 LDC가 DC-DC 컨버터이기에 입력에 직류전원공급기와 출력에 전자부하기를 연결하여 사용한다. 안정적인 동작을 위해 LDC 보다 10%이상 큰 용량의 제품을 사용하며, 출력에 걸리는 전력을 100% 열로 소비하는 구조이다. 때문에 LDC를 테스트 위해 2개의 장비를 사용함에 따른 부피의 문제와 전자부하기의 발열에 따른 문제가 존재한다. 이에 본 논문에서는 부하장치에서 열로 소비되는 전기의 상당부분을 입력 측으로 되돌려 보내는 재생형 방식의 부하시험방법을 제안하고 재생형 부하 시험기의 효율 개선을 통하여 열로 소비된 전기의 80% 이상 절감을 실현하였다.
A high-capacity battery installed in a hybrid vehicle or electric vehicle is used to power, or as a power supply for, electric sub-assemblies. In order to use a high-capacity battery as a power supply for electric sub-assemblies, such as an electronic control unit or for lighting, radio, and navigat...
A high-capacity battery installed in a hybrid vehicle or electric vehicle is used to power, or as a power supply for, electric sub-assemblies. In order to use a high-capacity battery as a power supply for electric sub-assemblies, such as an electronic control unit or for lighting, radio, and navigation, there is a need for a DC converter that changes a high voltage of 240-400V to a low voltage of 12-14V, which is done with a low-voltage DC-DC converter (LDC). An LDC undergoes long-term aging so as to reduce latent defects in the production process. With regard to the usual aging method, an LDC is a DC-DC converter. So, a DC power supply is connected and used as input, and a programmable DC electronic load is the output. For stable operation, a product having a larger capacity by 10% (compared to an LDC) is used, and has a structure where electric power is dissipated into 100% heat. So, there is a problem with volume, based on the use of two pieces of equipment to test the LDC, and another problem based on the generation of heat in the programmable DC electronic load. Hence, this paper suggests a load test method as a way of recycling, where a significant portion of the electricity dissipated as heat in a load tester is returned as input. The method realizes savings of 80% or more in the electricity dissipated as heat through improvement in the efficiency of the recycling load tester.
A high-capacity battery installed in a hybrid vehicle or electric vehicle is used to power, or as a power supply for, electric sub-assemblies. In order to use a high-capacity battery as a power supply for electric sub-assemblies, such as an electronic control unit or for lighting, radio, and navigation, there is a need for a DC converter that changes a high voltage of 240-400V to a low voltage of 12-14V, which is done with a low-voltage DC-DC converter (LDC). An LDC undergoes long-term aging so as to reduce latent defects in the production process. With regard to the usual aging method, an LDC is a DC-DC converter. So, a DC power supply is connected and used as input, and a programmable DC electronic load is the output. For stable operation, a product having a larger capacity by 10% (compared to an LDC) is used, and has a structure where electric power is dissipated into 100% heat. So, there is a problem with volume, based on the use of two pieces of equipment to test the LDC, and another problem based on the generation of heat in the programmable DC electronic load. Hence, this paper suggests a load test method as a way of recycling, where a significant portion of the electricity dissipated as heat in a load tester is returned as input. The method realizes savings of 80% or more in the electricity dissipated as heat through improvement in the efficiency of the recycling load tester.
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문제 정의
이러한 문제점을 해결하고자 외부로 전력을 보내지 않고 자체적인 회생통로를 구성하여 부하시험을 하는 방법을 제시하고자 한다[4]. 또한 종전의 재생형 부하 시험기의 효율 개선을 통하여 부피와 발열에 대한 문제 해결과 작은 전력으로 외부에 영향을 미치지 않으면서 대량의 LDC 부하 실험을 실시할 수 있다.
일반적인 LDC의 에이징 테스트는 입력단에 직류전원공급기와 출력단에 전자부하기를 연결하여 장시간에 걸쳐 이루어지고 있으며, 부하에 걸리는 전력의 대부분을 열로 소비하는 구조이기에 발열에 따른 문제와 LDC를 테스트하기 위해 직류전원공급기(AC-DC Converter)와 전자부하기 두 대를 사용함으로써 공간의 문제를 안고 있다. 이에 본 연구에서는 한 대의 장비로 동일한 부하시험을 실시하면서 부하에 걸리는 대부분의 전력을 재생하여 사용하는 재생형 부하 시험기를 제안한다.
제안 방법
이에 최대 전압 400Vdc로 승압하기 위해서 DC-DC 컨버터 6단을 직렬 연결하여 이러한 문제를 해결하였다. 1단의 최대 전압을 0-70Vdc로 하였으며, 회로는 동일한 위상천이 방식으로 하였다.
AC-DC 컨버터는 크게 PFC와 DC-DC 컨버터로 구성되어 있으며, PFC는 역률과 하모닉 성분을 감소시키기 위하여 Active boost PFC CCM type으로 하였다. 역률 보상기를 거친 직류전원을 변압기를 통해 전력을 2차 측으로 전달하기 위해 풀 브리지 컨버터의 시비율을 조절하여 원하는 크기의 전압을 만든다.
일반적인 위상천이 공진형은 중부하 이상에서는 효율이 좋지만 경부하에서는 효율이 급격하게 떨어진다. 이에 경부하에서도 효율을 높일 수 있는 소프트 스위칭 위상천이(Phase Shift Full Bridge) 방식으로 설계를 하였다. 위상천이 방식은 추가 회로 없이 변압기의 누설인덕턴스와 MOSFET의 Coss에 의해서 영전압 스위칭이 가능하고 효율이 높다.
때문에 낮은 전압을 고전압으로 급격하게 승압할 경우 손실과 안정성에 문제가 발생한다. 이에 최대 전압 400Vdc로 승압하기 위해서 DC-DC 컨버터 6단을 직렬 연결하여 이러한 문제를 해결하였다. 1단의 최대 전압을 0-70Vdc로 하였으며, 회로는 동일한 위상천이 방식으로 하였다.
대상 데이터
1]과 같이 2kW급 프로토타입을 제작하여 실험을 진행하였다. AC- DC 컨버터는 기동 전력으로 인해 사용 용량의 2배 용량인 900W로 제작하였다.
동작 확인을 위해 [Table. 1]과 같이 2kW급 프로토타입을 제작하여 실험을 진행하였다. AC- DC 컨버터는 기동 전력으로 인해 사용 용량의 2배 용량인 900W로 제작하였다.
성능/효과
본 논문에서 설계한 재생형 부하 시험기는 일반적인 부하시험 대비 20%이하의 소비로 동일한 시험이 가능하다. 또한 동적 시험에 적합하도록 경부하의 개선이 이루어졌으며, 최대 83%의 에너지 절약이 가능하다.
본 논문에서 설계한 재생형 부하 시험기는 일반적인 부하시험 대비 20%이하의 소비로 동일한 시험이 가능하다. 또한 동적 시험에 적합하도록 경부하의 개선이 이루어졌으며, 최대 83%의 에너지 절약이 가능하다.
제작한 재생형 부하 시험기의 효율을 대입하면 AC-DC 컨버터의 최대 효율은 94.6%, DC-DC 컨버터의 최대 효율은 93.4%로 소비 전력은 P1/P3 = 16.87로 80% 부하시에 약 83%의 에너지 절감이 가능하다.
후속연구
변압기의 누설인덕턴스와 스위치의 기생 커패시턴스에 의해 1차측의 모든 스위치가 영전압스위칭 턴 온이 가능해진다. 더불어 2차측 스위치와의 지연시간을 추가해 전부하시 영전류 스위칭 턴 오프도 가능해 진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
에이징 검사에서 LDC의 검사환경은 어떠한가?
LDC를 생산하기 위해서 다양한 신뢰성 시험이 이루어지고 있는데 그중 잠재적 불량을 제거하기 위해 실시하는 것이 에이징(Aging) 검사이다. 에이징 검사는 상온 상태에서 LDC에 전압 및 전류를 시간별로 변화를 주는 동적 실험(Dynamic test) 검사를 실시함으로써 실제 차량에 장착하였을 때보다 악조건을 만들어 실시함으로써 불량 가능성이 있는 LDC를 선별한다.
대 전력용 무정 전정원장치의 실험에서 계통전력에 전력을 보낼경우 발생하는 문제점은 무엇인가?
대 전력용 무정 전정원장치의 실험에는 수십-수백kW의 높은 전력을 부하장치에 연결하려면 부하장치의 크기와 부하장치에서 발생하는 열로 인하여 문제가 있어서 계통전력에 보내는 방법이 제시 되었다. 계통전력에 전력을 보낼 경우 소용량은 문제가 작지만 대용량의 경우 계통전력이 상승효과로 인하여 전자기기의 파손을 초래할 수 있다.
LDC란 무엇인가?
하이브리드 자동차나 전기 자동차에는 대용량의 배터리를 장착하여 동력 및 전장품의 전원으로 사용하고 있다. 대용량의 배터리를 이용하여 ECU(Electronic control unit) 및 조명, 라디오, 네비게이션 등의 전장품의 전원으로 사용하기 위해서는 DC 240-400V의 높은 전압을 DC 12-14V의 낮은 전원으로 변환해 주는 컨버터가 필요한데 이것을 LDC(Low Voltage DC-DC Converter)라 한다.
참고문헌 (9)
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, pp. 3-7 Mar. 1996. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/APEC.1996.500425
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/PEDS.1999.794577
Intepro System, "DC/DC Burn-in Test Systems", 2006.
Andrzej M. Trznhadlowski, "Introduction to Modern Power Electronics," Hanbitmidieo, pp. 441-488, 2011.
Kim Huijun, "The basic design of switching power", Seongandang, 2010.
Lee, Il-Oun, and Gun-Woo Moon. "Phase-Shifted PWM Converter with a Wide ZVS Range and Reduced Circulating Current," IEEE Transactions on Power Electronics, 27.2, pp. 908-19, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2012.2205408
Tsai, M.-C."Analysis and Implementation of a Full-Bridge Constant-Frequency LCC-Type Parallel Resonant Converter," IEE Proceedings: Electric Power Applications, 141.3, pp. 121-8. 1994. DOI: http://dx.doi.org/10.1049/ip-epa:19941087
Khairy Fathy, etal."A Novel Prototype of Duty CycleControlled Soft-Switching Half-Bridge DC-DC Converter with Input DC Rail Active Quasi Resonant Snubbers Assisted by High Frequency Planar Transformer." Journal of Electrical Engineering & Technology, 2.1, pp. 89-97, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.5370/JEET.2007.2.1.089
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