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하이브리드 자동차용 모터 및 인버터 최신 동향 분석
Recent Progress Trend in Motor and Inverter for Hybrid Vehicle 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.5, 2016년, pp.381 - 387  

김성진 (Dept. of Control & Motor Drive Lab., Postech) ,  홍승민 (Dept. of Control & Motor Drive Lab., Postech) ,  남광희 (Dept. of Control & Motor Drive Lab., Postech)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Many efforts have focused on the improvement of power density and efficiency by downsizing the motor and inverter. Recently, Toyota, Honda, and GM realized that the compact-sized motor uses the hairpin structure with increased space factor. Reducing the maximum torque from high-speed technique also ...

주제어

#Power density   #Hair-pin structure   #Conduction loss   #DC-link voltage   #Double sided cooling  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

  • 이러한 개선을 통해 IGBT의 스위칭손실을 10%, 전도손을 1% 감소 시킬 수 있었다. IGBT뿐만 아닌 FWD (free wheeling diode)역시 개선하였는데, 스위치 turn on 구간에서의 서지 전압 (surge voltage)을 줄이기 위하여 애노드와 캐소드의 dopant profile을 최적화하는 방법으로 reverse recovery charge (Qrr)을 감소시켰다. 이를 통해 FWD의 reverse recovery loss를 30% 개선 시켰다[6].
  • Toyota, Honda, GM의 차세대 하이브리드 차량모델을 비교 분석함으로써 하이브리드 차량용 모터 및 인버터의 동향에 대해서 살펴보았다. 모터의 경우 효율을 증대시키는 동시에 소형화 및 경량화를 통한 토크밀도와 전력밀도를 높이는 추세이다.
  • Toyota에서는 캐패시터 모듈에 기능적 결합을 통해 PCU의 부피와 크기를 줄였다. 먼저 DC 링크 버스 바와 smoothing (snubber) 캐패시터를 결합하고, 필터 캐패시터 역시 signal line connector와 결합하여 모듈의 크기를 줄였다. Sunbber 캐패시터가 일체화된 버스 바는 DC 링크의 ESL (equivalent series inductance)을 효과적으로 줄였고, 이로 인해 DC 링크 캐패시터의 리플 전류가 감소하여 DC 링크 캐패시터 용량을 줄이는 데 일조하였다.
  • 본 논문에서는 SAE International[1]-[7]과 IEEE 논문[8],[9]을 바탕으로 최근 Toyota, Honda, GM의 모터 및 인버터 개발 동향을 분석하였다. 기본적인 개발 방향은 효율을 증대 시키는 가운데 토크 밀도와 전력밀도를 높여 소형화 및 경량화를 추구하는 것이다.
  • Prius 4세대에서는 이중 냉각용 IGBT를 이른바 2 in 1구조로 만들어 사용하였다. 즉 인버터 한 arm을 구성하는 상하 2개의 IGBT와 2개의 FWD를 하나의 package로 만들었다. 이를 통해 한 arm에 상단과 하단에 wiring을 제거함으로써 22%의 물리적 크기의 감소와 55%의 인덕턴스를 감소시킬 수 있었다[7].

대상 데이터

  • Toyota의 제 3세대 모델인 P410는 유성 기어를 사용한 반면에 제 4세대 모델인 P610에서는 병렬 기어 샤프트를 사용하였다. 표 1에 기술된 바와 같이 총 기어 감속비 (모터-바퀴)가 8.

이론/모형

  • 또한 엔드턴의 높이를 낮출 수 있고, 복잡한 코일 삽입기 (coil insertion machine)를 사용하지 않고 공정을 (반)자동화시킬 수 있다. 이러한 장점 때문에 GM (Remy)은 Chevrolet Volt에 오래 전부터 헤어핀 권선 방식을 사용하였다. (그림1 참조) 이러한 경향을 Honda[2] 및 Toyota[3] 에서도 최근에 채택하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
효율을 증대시키기 위해, 토크 밀도와 전력밀도를 높여 소형화 및 경량화를 추구하기 위해 한 방법은? 기본적인 개발 방향은 효율을 증대 시키는 가운데 토크 밀도와 전력밀도를 높여 소형화 및 경량화를 추구하는 것이다. 모터의 경우 헤어핀 권선을 사용하여 슬롯 점적률을 높이고, 고속화하여 전력밀도를 높였다. 또한 인버터의 경우 이중냉각(double sided cooling) 방식을 채택하여 방열판의 크기를 줄이고 기생 인덕턴스를 줄여 DC 링크 캐패시턴스를 감소시켰다.
차세대 하이브리드 차량에 사용되는 모터의 특징은? 차세대 하이브리드 차량에 사용되는 모터의 특징은 소형화 및 경량화를 통해 전력밀도와 연료효율을 증가시키는 것이다. 모터 권선의 개선과 모터의 고속화 그리고 냉각방식의 개선 등으로 모터 소형화 및 경량화 할 수 있었다. 최근 Toyota와 Honda 그리고 GM에서도 앞서 언급했던 방법을 포함한 다양한 방식을 통해 모터의 경량화를 위한 노력이 있었다.
스트렌디드 권선을 사용하면 최대 점적률(나동기준) 몇 %이상 설계하기 힘든가? 스트렌디드 (stranded, 다중) 권선을 사용하면 최대 점적률 (나동기준)을 48 % 이상 설계하기 힘들다. 그러나 헤어핀 (hair pin) 방식을 사용하면 슬롯 점적률을 60~70 % 로 높일 수가 있다.
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참고문헌 (13)

  1. F. Momen, K. M. Rahman, Y. C. Son, and P. Savagian, "Electric motor design of general motors' chevrolet bolt electric vehicle," SAE 2016-01-1228. 

  2. M. Inoue, H. Takamatsu, M. Ogami, K. Ninomiya, K. Ito, and T. Shibata, "New-structure motor for full hybrid electric vehicle," SAE 2016-01-1225. 

  3. M. Taniguchi, T. Yashiro, K. Takizawa, S. Baba, M. Tsuchida, T. Mizutani, H. Endo, and H. Kimura, "Development of new hybrid transaxle for compact-class vehicles," SAE 2016-01-1163. 

  4. B. Conlon, T. Blohm, M. Harpster, A. Holmes, et al., "The next generation "Voltec" extended range EV propulsion system," SAE 2015-01-1152. 

  5. M. Anwar, T. Achatz, A. Tata, et al., "Power dense and robust traction power inverter for the second-generation chevrolet volt extended - range EV," SAE 2015-01-1201. 

  6. Y. Kashimura and Y. Negoro, "Transmission-mounted power control unit with high power density for two-motor hybrid system," SAE 2016-01-1223. 

  7. O. Kitazawa, T. Kikuchi, M. Nakashima, Y. Tomita, and H. Kosugi, "Development of power control unit for compact-class vehicle," SAE 2016-01-1227. 

  8. K. M. Rahman, S. Jurkovic, C. Stancu, J. Morgante, and P. J. Savagian, "Design and performance of electrical propulsion syste of extended range electric vehicle (EREV) chevrolet volt," IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 51, No. 3, May/Jun. 2015. 

  9. S. Jurkovic, K. Rahman, B. H. Bae, N. Patel, P. Savagian, "Next generation chevy volt electric machines; design, optimization and control for performance and rare-earth mitigation," IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE), Sep. 2015. 

  10. M. Olszewski, "Evaluation of the 2010 toyota priushybrid synergy drive system," U.S. Department of EnergyVehicle Technologies, EE-2G1000 Independence Avenue, S.W.Washington, D.C. 20585-0121. 

  11. Remy Technologies, L.L.C(2011. 10. 27) Conductor weld-end length control forming, U.S.A, US20130106231 

  12. Remy Technologies, LL.C(2014. 1. 24) Hairpin joint, U.S.A, US 20150214820 A1. 

  13. S. Jurkovic, "Induction machine design and analysis for general motors e-assist electrification technology," IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 51, No. 1, pp. 631-639, Jan./Feb. 2015. 

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