[논문]전기식 회생 보조 브레이크 시스템을 위한 DC-DC 컨버터 설계

곽태균; 문채주; 이준영; 고종선; 유창희

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.3.519

전기식 회생 보조 브레이크 시스템을 위한 DC-DC 컨버터 설계
DC-DC Converter Design For Electric Regenerative auxiliary Brake System 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.3, 2019년, pp.519 - 528

곽태균 (국립목포대학교 전기공학과) , 문채주 (국립목포대학교 전기공학과) , 이준영 (명지대학교 전기공학과) , 고종선 (단국대학교 전자전기공학과) , 유창희 (상신브레이크 기술연구소)

초록
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현재의 브레이크 시스템은 운동에너지를 열에너지로 변경하여 거의 마찰형 브레이크로 공기 중에 발산하여 제동한다. 시스템 내에는 제동력을 발생시키는 리타더라는 장치가 있다. 전기에너지의 소모를 절약하기 위해 리타더의 제동에너지 일부를 활용하는 리타더의 고속 응답 특성에 관한 고도기술 연구는 이미 선진국에서 진행 중이다. 본 논문에서는 배터리 충전을 위해 리타더에서 발생한 3상 전압을 24V 직류 전압으로 변환하고 실험을 통해 타당성을 검증하는 DC-DC 컨버터를 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Current brake system changes the kinetic energy into heat energy by friction-type of brake that the braking action is diverging into the air. The system has a device called a retarder that generates braking force. High-tech research on the high-speed response characteristics of retarders utilizing part of the braking energy of the retarder to save electrical energy consumption is already underway in advanced countries. In this paper, we propose DC-DC converter which converts 3-phase voltage generated from retarder to 24V DC voltage for battery charging and verify its validity through experiments.

주제어

표/그림 (16)

그림 그림 1. 리타더의 원리 Fig. 1 Principle of retarder
그림 그림 2. 리타더 회로구성 Fig. 2 Retarder circuit
그림 그림 3. 리타더 에너지 회수 회로 Fig. 3 Retarder energy collection circuit
그림 그림 4. 제안된 DC-DC컨버터 회로의 모델링 Fig. 4 Proposed DC-DC converter circuit modeling
그림 그림 5. 각 Mode별(시뮬레이션) 동작 파형 Fig. 5 Operation waveform of each mode(situation)
그림 그림 6. LLC AC 모델링 Fig. 6 LLC AC modeling
그림 그림 7. 변압기 Fig. 7 Transformer
표 표 1. PWM PRT DC-DC 컨버터 디자인 파라미터 Table 1. PWM- PRT DC-DC converter design parameters
그림 그림 8. 1차측 공진 탱크 DC-DC 컨버터 Fig. 8 Primary resonant tank DC-DC converter
그림 그림 9. 제안된 DC-DC 컨버터의 시뮬레이션 Fig. 9 Simulation for proposed DC-DC converter
그림 그림 10. 전압제어를 위한 PI 제어기 Fig. 10 PI Controller for voltage control
그림 그림 11. 시뮬레이션 결과 Fig. 11 Simulation result (IO=100A or VO=24V @ 2.5kW)
그림 그림 13. M1, M4의 드레인과 소스 간의 소프트 스위칭 실험결과(회로_1의 단일 테스트) Fig. 13 Experimental results of soft switching and drain between drain and source of M1, M4 (circuit_1 single test)
그림 그림 12. 제안된 컨버터의 실제 회로(2세트) Fig. 12 The real circuit of proposed converter(2set)
표 표 2. 제안된 DC-DC 컨버터 회로의 스펙 Table 2. Spec of proposed DC-DC converter circuit
그림 그림 14. 2개 회로의 연동 실험 Fig. 14 Interlocking test of two circuit

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 Full-bridge 및 PWM-PRT, 동기정류기이론이 활용된 컨버터를 제안한다.[2] 1차측 제어뿐만 아니라 2차측 정류기도 스위치로 제어하여 손실 및 스위칭 스트레스를 최소화 하였다.
본 논문에서는 전기식 회생 보조 브레이크 시스템 즉 전기식 리타더를 통하여 배터리를 충전하는데 필요한 DC-DC 컨버터를 설계하고 실험 검증하였다. 자동차의 실시간으로 변하는 속도에 따른 제동시 발생되는 리타더의 출력에 대비하여 출력전류의 Dynamic 테스트까지 완료하였으며, 현재 개발 중인 리타더의 출력 전압의 크기가 급변하는 현상을 고려하여 DC-DC 컨버터의 입력 필터부분의 커패시터 및 변압기 Turn비 등 주요 파라미터를 수정 및 검증할 필요가 있다.

제안 방법

이에따라 회로는 200A이상의 전류를 제어하여 배터리를 충전해 주어야 한다. 200A급의 대전류와 대형차에 들어가는 24V 배터리 충전을 위하여 전류 사양이 큰 관계로 2.5kW급 회로 2개를 병렬로 사용하여 실험을 진행하였다.
[10] ESS(:Energy Storage System)의 BMS(:Battery Management System)부분과 같은 역할을 갖으며, 차량의 배터리 충·방전을 제어하기 위해 본 논문에서는 그림 3의 회로를 바탕으로 본 논문에서는 Full-bridge, LLC, 동기정류기의 이론을 접목시켜 아래 그림 4와 같이 DC-DC Converter 회로를 구현하였다.
앞서 출력 전류 및 전압을 센싱하여 한 개의 PWM 신호를 2개의 회로에 동시에 입력한 결과 회로 1과 회로 2의 출력전류 차이가 10A 가량 다르다는 것을 파악하였다. 각각의 출력을 일정하게 제어하여 어느 한쪽에 치우치지 않도록 정밀한 전류 혹은 전압제어가 필요하기에 각각의 회로에 출력전류를 따로 센싱하여 각각의 PWM을 입력의 필요성을 알게 되었다. 또한 안정성을 보장하기 위하여 본 실험에서는 배터리를 대신하여 고정부하를 활용하여 테스트를 진행하였으며.
그림1은 리타더의 모델링 및 해석등 기본 원리를 나타낸 것이며, 본 논문에서는 리타더에서 배터리 충전을 위해 리타더에서 발생한 3상 전압을 24V 직류 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 제안하고 실험을 통해 검증하였다.
각각의 출력을 일정하게 제어하여 어느 한쪽에 치우치지 않도록 정밀한 전류 혹은 전압제어가 필요하기에 각각의 회로에 출력전류를 따로 센싱하여 각각의 PWM을 입력의 필요성을 알게 되었다. 또한 안정성을 보장하기 위하여 본 실험에서는 배터리를 대신하여 고정부하를 활용하여 테스트를 진행하였으며. 최대 출력(5KW)을 위해 회로별 각각의 PI제어기를 도입하여 각각의 PWM 입력으로 전류제어를 통하여 검증하였다.
시뮬레이션은 입력전압을 300V로 설정, 스위칭 주파수는 빠른 응답특성과 MOSFET의 특성을 고려하여 50kHz, 출력전압 24V, 출력전류 105A에 맞게 Duty를 설정하고 기타 파라미터는 Table 1과 같이 설정하여 실행하였다. 결과 파형에서 알 수 있듯이 PI제어기에 대입한 목표치에 해당되는 전류 및 전압제어(Mode change)가 잘 이루어지고 있다는 것을 확인하였으며, 변압기의 공진전류 파형을 보고 소프트 스위칭도 잘 이루어지고 있다는 것을 확인하였다.
제안하는 비접촉식 회생 보조 브레이크는 버스, 트레일러 등 대형 상용차량의 제동 안전성 및 연비효율을 향상과 실차 적용용 전력 회생장치이다. 이 시스템은 리타더 후단의 3상 전압을 직류전압으로 정류하여 배터리를 충전할 수 있는 전력회수회로를 개발하기 위해 Full- bridge 및 PWM-PRT, 동기정류기 이론을 접목시켜 실험을 진행하였으며 대형 차량에서 사용되는 배터리 전압(24V)에 맞추어 설계하였다.
5kW의 출력이 이상없이 잘 동작한다는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 2set로 연동하여 앞서 언급했듯이 각 회로 별 각각의 PWM제어를 통하여 제어하였으며, 실험결과 회로 스위칭 스트레스가 심하지 않아 위상을 딜레이 시켜주는 인터리브 방식은 사용하지 않고 같은 위상으로 제어하였다. 그림 14에서 좌측파형이 회로별 MOSFET　Drain-Source간 스트레스가 심하지 않다는 것을 보여주며 우측 파형은 출력 전류 및 공진 전류까지 일치하는 것을 보아 전류제어가 잘 동작하고 있다는 것을 확인하였다.
또한 안정성을 보장하기 위하여 본 실험에서는 배터리를 대신하여 고정부하를 활용하여 테스트를 진행하였으며. 최대 출력(5KW)을 위해 회로별 각각의 PI제어기를 도입하여 각각의 PWM 입력으로 전류제어를 통하여 검증하였다.

대상 데이터

그리고 출력에 인덕터가 필요 없으며 스위치와 출력 정류기의 Turn-off전압이 입력과 출력 커패시터에 의해 Clamping이 되므로 EMI에 유리하다. 2차측의 동기정류기는 배터리 전압인 24V보다 높고 대전류에 대처하기 위하여 200A 이상의 MOSFET을 사용하였다.[7]
본 논문의 검증을 위해 제안된 컨버터의 입력전압은 250∼350V이며 출력전압은 대형 차량용 배터리 정격전압인 24V이다.

데이터처리

그림 8의 제안된 컨버터의 회로를 바탕으로 그림 9와 같이 PSIM 시뮬레이터를 이용하여 모의실험을 하였다. 그림 9의 하단에 나타는 부분은 출력전압 및 전류를 제어하기 위한 PI제어기로 그림 10의 알고리즘을 바탕으로 PSIM에 반영하였다.

성능/효과

본 논문에서 Full-bridge 및 PWM-PRT, 동기정류기이론이 활용된 컨버터를 제안한다.[2] 1차측 제어뿐만 아니라 2차측 정류기도 스위치로 제어하여 손실 및 스위칭 스트레스를 최소화 하였다. PWM-PRT형 컨버터는 빠른 응답 특성을 가지며 효율면에서 유리한 장점이 있다.
시뮬레이션은 입력전압을 300V로 설정, 스위칭 주파수는 빠른 응답특성과 MOSFET의 특성을 고려하여 50kHz, 출력전압 24V, 출력전류 105A에 맞게 Duty를 설정하고 기타 파라미터는 Table 1과 같이 설정하여 실행하였다. 결과 파형에서 알 수 있듯이 PI제어기에 대입한 목표치에 해당되는 전류 및 전압제어(Mode change)가 잘 이루어지고 있다는 것을 확인하였으며, 변압기의 공진전류 파형을 보고 소프트 스위칭도 잘 이루어지고 있다는 것을 확인하였다.
그림 13을 통하여 완벽한 소프트 스위칭과 1set의 단독 테스트 시 2.5kW의 출력이 이상없이 잘 동작한다는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 2set로 연동하여 앞서 언급했듯이 각 회로 별 각각의 PWM제어를 통하여 제어하였으며, 실험결과 회로 스위칭 스트레스가 심하지 않아 위상을 딜레이 시켜주는 인터리브 방식은 사용하지 않고 같은 위상으로 제어하였다.
이를 바탕으로 2set로 연동하여 앞서 언급했듯이 각 회로 별 각각의 PWM제어를 통하여 제어하였으며, 실험결과 회로 스위칭 스트레스가 심하지 않아 위상을 딜레이 시켜주는 인터리브 방식은 사용하지 않고 같은 위상으로 제어하였다. 그림 14에서 좌측파형이 회로별 MOSFET　Drain-Source간 스트레스가 심하지 않다는 것을 보여주며 우측 파형은 출력 전류 및 공진 전류까지 일치하는 것을 보아 전류제어가 잘 동작하고 있다는 것을 확인하였다. 추가로 회로의 안정성 테스트를 위하여 20분 동안 동작시킨 후 트랜스포머 및 보조 공진 인덕터의 온도를 테스트 한 결과 그림 14의 하단사진과 같이 메인 트랜스포머는 1차측의 권선이 마무리된 부분의 온도만 평균보다 10℃가 높았지만 최고온도가 평균 70 ℃를 유지하였고, 보조 공진 인덕터의 온도도 80℃를 넘지 않는 선에서 평균 70℃ 안팎을 유지한 것을 확인하였으며, 발열에 의한 손실은 많지 않다는 것을 확인하였다.
MOSFET을 다이오드 대신해 사용한 이유는 Rds값을 검토하여 효율을 극대화시키기 위함이다. 배터리 충전 시스템이 고전압 저전류임을 감안하여 손실분석을 한 결과 다이오드보다 MOSFET을 사용하여 도통손실을 줄이는 것이 효율 측면에서는 유리하다.[6]
최대 5kW의 출력을 내기위해서는 제안된 회로를 2개 병렬로 연결하여야 한다. 앞서 출력 전류 및 전압을 센싱하여 한 개의 PWM 신호를 2개의 회로에 동시에 입력한 결과 회로 1과 회로 2의 출력전류 차이가 10A 가량 다르다는 것을 파악하였다. 각각의 출력을 일정하게 제어하여 어느 한쪽에 치우치지 않도록 정밀한 전류 혹은 전압제어가 필요하기에 각각의 회로에 출력전류를 따로 센싱하여 각각의 PWM을 입력의 필요성을 알게 되었다.
그림 14에서 좌측파형이 회로별 MOSFET　Drain-Source간 스트레스가 심하지 않다는 것을 보여주며 우측 파형은 출력 전류 및 공진 전류까지 일치하는 것을 보아 전류제어가 잘 동작하고 있다는 것을 확인하였다. 추가로 회로의 안정성 테스트를 위하여 20분 동안 동작시킨 후 트랜스포머 및 보조 공진 인덕터의 온도를 테스트 한 결과 그림 14의 하단사진과 같이 메인 트랜스포머는 1차측의 권선이 마무리된 부분의 온도만 평균보다 10℃가 높았지만 최고온도가 평균 70 ℃를 유지하였고, 보조 공진 인덕터의 온도도 80℃를 넘지 않는 선에서 평균 70℃ 안팎을 유지한 것을 확인하였으며, 발열에 의한 손실은 많지 않다는 것을 확인하였다.

후속연구

자동차의 실시간으로 변하는 속도에 따른 제동시 발생되는 리타더의 출력에 대비하여 출력전류의 Dynamic 테스트까지 완료하였으며, 현재 개발 중인 리타더의 출력 전압의 크기가 급변하는 현상을 고려하여 DC-DC 컨버터의 입력 필터부분의 커패시터 및 변압기 Turn비 등 주요 파라미터를 수정 및 검증할 필요가 있다. 또한 본 논문의 기술을 활용하여 최근 이슈화되고 있는 전기자동차 저압배터리 충전기 개발 기술에 활용도가 높을 것으로 사료된다.[5]
본 논문에서는 전기식 회생 보조 브레이크 시스템 즉 전기식 리타더를 통하여 배터리를 충전하는데 필요한 DC-DC 컨버터를 설계하고 실험 검증하였다. 자동차의 실시간으로 변하는 속도에 따른 제동시 발생되는 리타더의 출력에 대비하여 출력전류의 Dynamic 테스트까지 완료하였으며, 현재 개발 중인 리타더의 출력 전압의 크기가 급변하는 현상을 고려하여 DC-DC 컨버터의 입력 필터부분의 커패시터 및 변압기 Turn비 등 주요 파라미터를 수정 및 검증할 필요가 있다. 또한 본 논문의 기술을 활용하여 최근 이슈화되고 있는 전기자동차 저압배터리 충전기 개발 기술에 활용도가 높을 것으로 사료된다.

저자의 다른 논문 :

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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