[논문]마일드 하이브리드 전기 차량용 2.5kW급 8상 양방향 컨버터에 관한 연구

임재우; 김희준; 최준삼

doi:10.7467/ksae.2017.25.1.082

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is a study on the bi-directional DC-DC converter, one of the key elements of 48V-12V dual systems in mild hybrid electric vehicles. Mild hybrid electric vehicles require a bi-directional DC-DC converter that can efficiently transmit power in two directions between a 48V battery and a 12V ...

This paper is a study on the bi-directional DC-DC converter, one of the key elements of 48V-12V dual systems in mild hybrid electric vehicles. Mild hybrid electric vehicles require a bi-directional DC-DC converter that can efficiently transmit power in two directions between a 48V battery and a 12V battery. To develop a bi-directional DC-DC converter with better price competitiveness, upgraded fuel economy, excellent performance and smaller size, this study designed, produced and presented a circuit that improved on the existing one. In the proposed 8-phase bi-directional DC-DC converter, the size of the passive element was reduced through the 8-phase interleaved topology, whereas downscaling had previously posed a difficulty. This study also designed and produced a 2.5kW class prototype. Based on the proposed 8-phase interleaved topology, a size of 227.5 (W) * 172 (L) * 64.35 (H) was achieved. In the boost mode operation and buck operation modes, the maximum efficiency was recorded at 94.04 % and 95.78 %, respectively.

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문제 정의

본 논문은 48 V-12 V dual system의 핵심 요소 중 하나인 양방향 DC-DC 컨버터의 연구에 관한 것이다. 효율 및 부피를 고려하여 8-phase 비절연형 Interleaved Half-Bridge Topology를 적용한 2.
본 논문에서는 마일드 하이브리드 전기자동차용 48 V-12 V dual System의 2.5 kW급 8-Phase 양방향 DC-DC 컨버터에 관하여 연구하였다. 높은 가격경쟁력과 우수한 성능 및 소형화된 양방향 DC-DC 컨버터를 제안하였으며, 실험을 통하여 제안한 컨버터의 타당성을 입증하였다.

제안 방법

본 논문은 48 V-12 V dual system의 핵심 요소 중 하나인 양방향 DC-DC 컨버터의 연구에 관한 것이다. 효율 및 부피를 고려하여 8-phase 비절연형 Interleaved Half-Bridge Topology를 적용한 2.5kW급 양방향 DC-DC 컨버터 시작품을 설계, 제작하였으며 이에 대한 실험을 수행하였다. 그 결과, 227.
효율과 부피를 고려하여 최적의 상(Phase)수 및 L과 C값을 선정하기 위해 Fig. 6, Fig. 7과 같이 PsimTool을 이용한 제안한 회로의 시뮬레이션을 승·강압모드에서 각 각 수행하였다.
7과 같이 PsimTool을 이용한 제안한 회로의 시뮬레이션을 승·강압모드에서 각 각 수행하였다. 시뮬레이션을 통하여 그 결과를 분석하고 최적화하였으며, 최적화 된 설계값을 이용하여 시작품을 제작하였다. 그리고 Fig.

대상 데이터

Table 1은 제안한 양방향 DC-DC 컨버터의 설계 사양이다. 본 논문에서는 Table 1의 설계 사양을 48V-12 V dual system용 비절연형 Half-Bridge 양방향 DC-DC 컨버터의 설계에 적용하였다. 또한 저전압 대전류용이므로 고효율을 및 체적감소를 위해 상(Phase)수를 8-Phase로 정하고, Interleaved 기법을 적용하였다.
제안한 컨버터의 타당성을 입증하기 위해 2.5 kW급 8-Phase 양방향 DC-DC 컨버터의 시작품을 제작하였다. Fig.
그리고 제안한 마일드 하이브리드 전기차량용 2.5 kW급 8상 양방향 컨버터에 적용한 Analog IC(Intersil社의 ISL78220)는 각 상마다 시스템의 신뢰성을 높이는 과전류제어회로를 내장하고 있다. Fig.

데이터처리

시뮬레이션을 통하여 그 결과를 분석하고 최적화하였으며, 최적화 된 설계값을 이용하여 시작품을 제작하였다. 그리고 Fig. 8과 같이 Psim 시뮬레이션 파형과 실험결과 파형을 비교하여 제안한 회로를 검증하였다.

이론/모형

본 논문에서는 Table 1의 설계 사양을 48V-12 V dual system용 비절연형 Half-Bridge 양방향 DC-DC 컨버터의 설계에 적용하였다. 또한 저전압 대전류용이므로 고효율을 및 체적감소를 위해 상(Phase)수를 8-Phase로 정하고, Interleaved 기법을 적용하였다.

성능/효과

그 결과, 227.5(W) *172(L) * 64.35(H)의 사이즈 달성, 그리고 승·강압 동작모드에서 각 94.04 %, 95.9 %의 최대 효율을 달성함으로써 제안한 회로의 유용성을확인하였다.
뿐만 아니라 최근 석유자원의 고갈로 인하여 발생하는 높은 유가 문제에 효과적으로 대응하기 위해 차량의 연비 향상과 대체 에너지 개발에 많은 노력과 투자가 이루어지고 있다.¹⁾ 이러한 노력의 일환으로 자동차 시장은 환경 친화적인 자동차를 출시하기 위하여 빠르게 움직이고 있다. 그동안 개발된 환경 친화형 자동차로는 전기자동차, 천연가스자동차, 메탄올자동차, 하이브리드 자동차 및 연료전지 자동차 등이 있으나 전기, 천연가스 및 메탄올 등의 대체에너지를 원료로 사용하는 자동차는 주행거리와 인프라 문제 때문에 실제 보급은 미미한 상태이다.
제안한 8상 양방향 DC-DC 컨버터는 Full load에서 83.3 %로 최대 듀티를 제한하고 있다. Fig.
위로부터 게이트전압(Vgs), 드레인전압(Vds), 출력전압, 입력전압을 나타낸다. Psim 시뮬레이션 파형과 실험파형을 비교한 결과, 거의 동일함을 확인하였다.
제안한 8-Phase 양방향 컨버터는 제어부의 설계가 복잡하지만 기존시스템과 비교하여 227.5(W)*172(L)*64.35(H)의 소형화를 달성하였으며, 실험을 통하여 제안한 컨버터의 정상동작 및 과도상태의 동작을확인하였으며, 승·강압모드에서 각 94.04 %, 95.9 %의 높은 효율을 얻을 수 있었다.
5 kW급 8-Phase 양방향 DC-DC 컨버터에 관하여 연구하였다. 높은 가격경쟁력과 우수한 성능 및 소형화된 양방향 DC-DC 컨버터를 제안하였으며, 실험을 통하여 제안한 컨버터의 타당성을 입증하였다. 제안한 8-Phase 양방향 컨버터는 제어부의 설계가 복잡하지만 기존시스템과 비교하여 227.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그동안 개발된 환경 친화형 자동차의 한계는 무엇인가?	1) 이러한 노력의 일환으로 자동차 시장은 환경 친화적인 자동차를 출시하기 위하여 빠르게 움직이고 있다. 그동안 개발된 환경 친화형 자동차로는 전기자동차, 천연가스자동차, 메탄올자동차, 하이브리드 자동차 및 연료전지 자동차 등이 있으나 전기, 천연가스 및 메탄올 등의 대체에너지를 원료로 사용하는 자동차는 주행거리와 인프라 문제 때문에 실제 보급은 미미한 상태이다.2) 이러한 이유로 인하여 유해 배출 가스를 저감하면서도 환경에 대한 규제에 대응할 수 있는 동시에 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 전기자동차의 개발이 선진국을 중심으로 활발하게 진행되고 있다.
	하이브리드 자동차는 어떻게 구분되는가?	하이브리드 자동차는 전기에너지의 차량 구동에 대한 기여도 및 시스템 전압 등에 따라 마일드 하이브리드 자동차, 소프트 하이브리드 자동차, 하드 하이브리드 자동차 및 플러그 인 하이브리드 자동차로 구분되는데, 일본은 전기자동차 시대에 대한 빠른 대처로 인하여 앞선 기술력과 시장점유율 등을 바탕으로 하드 하이브리드 자동차를중심으로연구를 진행하고 있으며, 일본을 제외한 미국, 유럽, 중국 및 한국 등은 마일드 하이브리드 자동차를 주력으로 연구를 진행하고 있다.1,3)
	마일드 하이브리드 자동차에 48V 시스템 전압을 사용하여 발생하는 효과는 무엇인가?	이 구성도로부터 알 수 있듯이 마일드 하이브리드 자동차는 시스템 전압으로 48 V를 적용하고 있다. 이로 인한 효과로는 기존 12 V를 적용할 때와 비교하여, 에너지 용량 및 출력을 용이하게 높일 수 있다. 또한 와이어의 두께와 중량의 감소로 인한 시스템의 연비 개선 및 효율 증가의 효과도 얻을 수 있다. 하지만 모든 전장품을 48 V로 교체하는 데는 비용이 너무 많이 들기 때문에, 최근에는 기존 12 V 시스템과 48 V 시스템을 함께 활용하는 48 V-12 V dual system이 개발되고 있다.

참고문헌 (13)

B. H. Lee, D. H. Shin, H. S. Song, B. W. Kim and H. J. Kim, "Development of Energy Management System for 42V Mild-Hybrid Vehicle," The Korean Institute of Electrical Engineers 37th Summer Conference Proceeding B, pp.968-969, 2006.
I. J. Kim, A Study on Bi-directional DC/DC Converter for 42 V Power System of Hybrid Electric Vehicle, M. S. Thesis, KAIST, Deajeon, 2004.
S. H. Yoon and H. S. Sul, "The Analysis of Electric Vehicle Industry Trends and the Feasibility of promoting the Daegu Industry," Daegu Gyeongbuk Development Institute, pp.11-61, 2015.
O. Garcia, P. Alou, J. A. Oliver, P. Zumel and J. A.Cobos, "A High Number of Phases enables High Frequency Techniques and a Better Thermal Management in Medium Power Converters," Integrated Power Systems (CIPS), 2008 5th International Conference on VDE, 2008.
H. Brigitte, "Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage," Texas Instruments, Dallas, Texas, Tech. Rep. SLVA477, 2011.
J. Y. Lee, M. Y. Jung and D. K. Kim, "A Study on Development of 48V ISG System," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.189-197, 2015.
H. Brigitte, "Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage," Texas Instruments, Application Report November, pp.1-9, 2009.
Y. C. Jung, "Input Ripple Current Formula Analysis of Multi-stage Interleaved Boost Converter," Korea Electronics and Telecommunications Association of Publication, Vol.6, No.6, pp.865-871, 2011.
G. Y. Choe, J. S. Kim, H. S. Kang and B. K. Lee, "Optimal Design of Interleaved Boost Converters for Fuel Cell Applications," The Korean Institute of Electrical Engineers of Publication, Vol.57, No.6, pp.1003-1011, 2008.
Y. C. Jung, "A Study on Generalized Output Capacitor Ripple Current Equation of Interleaved Boost Converter," Korea Electronics and Telecommunications Association of Publication, Vol.7, No.6, pp.1429-1435, 2012.
T. K. Kim, A Study of High Efficiency Multi-phase Buck Converter for Mild Hybrid Electric Vehicles, M. S. Thesis, Hanyang University, Seoul, 2014.
H. J. Kim, "Basic Interpretation of Switching Power I," Pnaschool, Seoul, pp.36-49, 2012.
J. W. Lim, H. J. Kim, J. S. Choi, H. Y. Yeo and S. S. Kim, "A Study of a 2.5kW Multi-phase Bi-directional Converter for Mild Hybrid Electric Vehicles," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.1330-1336, 2016.

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