[논문]ISG 시스템용 고효율 양방향 DC-DC 컨버터의 설계 및 자율적이며 끊김없는 모드전환을 위한 제어전략

박준성; 권민호; 최세완

doi:10.6113/tkpe.2016.21.1.19

ISG 시스템용 고효율 양방향 DC-DC 컨버터의 설계 및 자율적이며 끊김없는 모드전환을 위한 제어전략
Design and Control Strategy for Autonomous and Seamless Mode Transition of High Efficiency Bidirectional DC-DC Converter for ISG Systems 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.1, 2016년, pp.19 - 26

박준성 (Korea Automotive Technology Institute) , 권민호 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) , 최세완 (Dept. of Electrical & Information Eng., Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a bidirectional DC-DC converter for idle stop and go (ISG) is developed to reduce fuel consumption. A three-phase non-isolated half-bridge converter is selected through a design method by considering efficiency and volume. According to the state of charge of the batteries at both the low-voltage and high-voltage sides, buck mode, which charges a low-voltage battery from the generated motor energy, and boost mode, which provides power to the motor from the low- and high-voltage battery sides, are required in the ISG system. Hence, an autonomous and seamless bidirectional control method using a variable current limiter is proposed for mode change. A 1.8 kW engineering sample of the proposed converter has been built and tested to verify the validity of the proposed concept. The maximum efficiencies, including gate driver and control circuit losses, are 96.4% in charging mode and 96.1% in discharging mode.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 14V 배터리 충전, 점프 스타트 및 고전압배터리와 저전압배터리가 함께 모터에 전력을 공급하는 것이 가능한 양방향 DC-DC 컨버터를 개발하였다. 그리고 효율 및 부피를 고려하여 비절연 하프브리지의 최적 설계를 진행 하였으며 자율적이며 끊김없는 모드전환 알고리즘을 개발하여 과도상태가 없는 모드전환이 가능하게 하였다.
본 논문에서는 ISG 시스템용 3상 비절연 하프브리지 컨버터를 개발하였다. 이 컨버터는 프리스케일사의 5643L MCU를 이용하여 개발한 디지털 제어기를 사용하였으며 1.

제안 방법

본 논문에서는 14V 배터리 충전, 점프 스타트 및 고전압배터리와 저전압배터리가 함께 모터에 전력을 공급하는 것이 가능한 양방향 DC-DC 컨버터를 개발하였다. 그리고 효율 및 부피를 고려하여 비절연 하프브리지의 최적 설계를 진행 하였으며 자율적이며 끊김없는 모드전환 알고리즘을 개발하여 과도상태가 없는 모드전환이 가능하게 하였다. 또한 프리스케일사의 5643L MCU를 이용하여 디지털 제어기를 개발하여 적용하였으며 1.
가 전체 부피에서 50% 이상을 차지하여 부피 사양을 만족시킬 수 없었다. 따라서 목표 부피를 만족시킬 수 있는 3상과 4상을 비교하여 최종 상수를 선정하였다. 표 2는 f_s가 50kHz, ΔI_Low가 5%일 때 3상과 4상의 소자정격을 비교하였다.
. 또한 인터리빙기법을 적용하여 스위치의 전류정격을 줄이고 유효 스위칭주파수를 증가시켜 수동소자의 부피를 감소시켰다.
본 논문에서는 표 1의 설계 사양을 만족시키고 소자 수가 적어 신뢰성, 가격, 효율이 좋으며 양방향 제어가 간단한 그림 2의 비절연 하프브리지 컨버터를 ISG시스템용 양방향 DC-DC 컨버터에 적용하였다^[6][7]. 또한 인터리빙기법을 적용하여 스위치의 전류정격을 줄이고 유효 스위칭주파수를 증가시켜 수동소자의 부피를 감소시켰다.
그리고 그림 4 (b)의 계산 부피를 보면 4상이 인덕터와 커패시터 등의 수동소자 부피는 줄어들지만 전류센서와 게이트드라이버의 부피가 늘어나 3상과 4상의 부피가 거의 동일한 것을 알 수 있다. 이 때 부피는 각 부품의 최외각 길이를 기준으로 부피(가로*세로*높이)를 구하였고 총 부피는 각 부품들의 부피를 더하여 구하였다. 이런 결과를 바탕으로 본 논문에서는 3상 비절연 하프브리지 컨버터를 ISG시스템용 양방향 DC-DC 컨버터로 선정하였다.
는 d’ 동안 꺼져있는 스위치의 개수이다. 이 때 설계된 결과값을 이용하여 부피와 효율을 계산하고 목표사양에 맞는지 확인 후 데이터를 저장하고 주파수, 인덕터 리플, 인터리빙 상수를 증가시켜 반복한다.
본 논문에서는 ISG 시스템용 3상 비절연 하프브리지 컨버터를 개발하였다. 이 컨버터는 프리스케일사의 5643L MCU를 이용하여 개발한 디지털 제어기를 사용하였으며 1.8kW급 engineering sample을 통해 타당성을 검증하였다. 자율적이며 끊김없는 모드전환이 가능하며 부피는 3.
그림 5 (d)는 Continental 등 부품 업체에서도 개발하고 있는 기능으로 양방향 컨버터를 적용한 torque assist 모드로 자동차가 급가속 하는 경우^[13] 또는 48V 배터리의 SOC가 부족하여 전압이 일정 전압 이하로 떨어지면 저전압측 전압 또는 전류를 제어하던 BDC는 전류 방향을 바꿔 모터에 고전압 배터리와 함께 전력을 공급한다. 이때 양방향 DC-DC 컨버터의 급격한 모드전환은 큰 과도상태를 야기 시키므로 이러한 과도상태를 줄이기 위해서 본 논문에서는 그림 6과 같이 자율적이며 끊김 없는 양방향 컨버터의 제어기법을 적용하였다^[14][15].
제안하는 제어 기법은 고전압측 전압 제어기와 저전압측 전압 제어기가 서로 상보적으로 포화되어 동작하므로 통신지령 없이 양방향 컨버터가 스스로 동작 모드를 판단하여 끊김없이 모드전환이 가능하다. 그림 6은 각 모드별 동작 상태이며 그림 7은 BDC 모드전환시 주요 파형을 나타냈다.

대상 데이터

또한 저전압측 전류리플 ΔILow가 작을수록 스위치의 도통손실을 감소하지만 인덕터 부피가 증가하므로 이 둘을 고려하여 ΔILow범위는 5～20%로 선정하였다.
이 때 부피는 각 부품의 최외각 길이를 기준으로 부피(가로*세로*높이)를 구하였고 총 부피는 각 부품들의 부피를 더하여 구하였다. 이런 결과를 바탕으로 본 논문에서는 3상 비절연 하프브리지 컨버터를 ISG시스템용 양방향 DC-DC 컨버터로 선정하였다.
제안한 컨버터의 타당성을 입증하기 위해 1.8kW engineering sample을 제작하여 실험을 하였으며 양방향 컨버터의 제어기는 Freescale company의 5643L을 사용하였다. 그림 8과 그림 9는 V_Low가 12V, V_High가 48V 일 때 강압모드와 승압모드 시 정격부하 실험 파형이다.

성능/효과

표 2는 f_s가 50kHz, ΔI_Low가 5%일 때 3상과 4상의 소자정격을 비교하였다. 이를 바탕으로 계산효율을 비교한 결과 그림 4 (a)와 같이 모든 전압범위에서 3상의 경부하 효율이 최대 약 5% 높았으며 부하가 증가할수록 효율 차이는 줄어드는 것을 볼 수 있다^[12]. 그리고 그림 4 (b)의 계산 부피를 보면 4상이 인덕터와 커패시터 등의 수동소자 부피는 줄어들지만 전류센서와 게이트드라이버의 부피가 늘어나 3상과 4상의 부피가 거의 동일한 것을 알 수 있다.
또한 프리스케일사의 5643L MCU를 이용하여 디지털 제어기를 개발하여 적용하였으며 1.8kW engineering sample을 통해 부피 3.4L, 승· 강압시 정격부하 효율은 각각 95.1%, 95.5%이며 최고효율은 96.1%, 96.4%를 달성하였다.
자율적이며 끊김없는 모드전환이 가능하며 부피는 3.4L, 승·강압시 정격부하 효율은 각각 95.1%, 95.5%이며 최고효율은 96.1%, 96.4%를 달성하였다.
8kW engineering sample을 통해 부피 3.4L, 승· 강압시 정격부하 효율은 각각 95.1%, 95.5%이며 최고효율은 96.1%, 96.4%를 달성하였다.
제안한 컨버터는 YOKOGAWA사의 WT3000을 이용하여 그림 12와 같이 모든 전압범위에서 게이트드라이버와 제어보드 손실을 포함한 승 강압시 효율이 400W 이상에서 95%이상의 효율이 측정되었다. 정격부하 효율은 각각 95.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ISG 시스템은 무엇인가?	최근 높은 유가와 연비 및 온실가스에 대한 규제가 강화됨에 따라 많은 완성차 업체에서 비용 효율적인 ISG 시스템을 개발하여 적용하고 있다[1]-[3]. ISG 시스템이란 내연기관 차량이 신호대기, 교통혼잡, 차고지 등에서 공회전할 경우 엔진에서의 연소가 발생하지 않도록 엔진을 자동으로 끄고 출발을 위해 클러치나 엑셀 페달을 밟는 순간 자동으로 시동이 걸리는 시스템으로 Stop-Start 시스템, 공회전 자동제어 시스템, 마이크로하이브리드 기술 등 다양한 이름으로 불린다. 이런 ISG 시스템은 하이브리드카 보다 구조가 단순해 개발비용이 크게 낮고 신호대기가 많은 시내주행에서 연비개선 효과가 5～20%까지 향상시킬 수 있다[4].
	양방향 비절연 하프브리지 컨버터를 설계할 때 저전압측 전류리플은 어떤 영향을 미치는가?	설계 시 스위칭 주파수 fs의 범위는 가청주파수와 제어기의 성능을 고려하여 20～100kHz로 선정하였다. 또한 저전압측 전류리플 ΔILow가 작을수록 스위치의 도통손실을 감소하지만 인덕터 부피가 증가하므로 이 둘을 고려하여 ΔILow범위는 5～20%로 선정하였다. 그리고 인터리빙 상의 수가 증가할수록 스위치 도통손실 및 수동소자 값은 감소하지만 스위칭 손실, 게이트 드라이버 및 전류센서 증가로 가격 및 부피가 증가하므로 현재 사양에서는 4상까지 고려하였다[6-8].
	양방향 비절연 하프브리지 컨버터를 설계할 때 인터리빙 상수는 어떤 영향을 미치는가?	또한 저전압측 전류리플 ΔILow가 작을수록 스위치의 도통손실을 감소하지만 인덕터 부피가 증가하므로 이 둘을 고려하여 ΔILow범위는 5～20%로 선정하였다. 그리고 인터리빙 상의 수가 증가할수록 스위치 도통손실 및 수동소자 값은 감소하지만 스위칭 손실, 게이트 드라이버 및 전류센서 증가로 가격 및 부피가 증가하므로 현재 사양에서는 4상까지 고려하였다[6-8]. 이와 같은 설계순서의 초기 사양으로 L, CLow, CHigh를 아래의 수식을 이용하여 설계한다[8]-[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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