[논문]전기자동차용 OBC 일체형 1.5kW급 LDC 컨버터에 대한 연구

김형식; 전준혁; 김희준; 안준선

doi:10.17661/jkiiect.2019.12.4.456

전기자동차용 OBC 일체형 1.5kW급 LDC 컨버터에 대한 연구
A Study on OBC Integrated 1.5kW LDC Converter for Electric Vehicle. 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.12 no.4, 2019년, pp.456 - 465

김형식 , 전준혁 , 김희준 (한양대 전자공학과) , 안준선 (오산대학교 전기과)

초록
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PHEV(Plug in Hybrid Electric Vehicle)와 BEV(Battery Electric Vehicle)는 모터 및 차량 전장 시스템의 구동을 위하여 고전압 배터리를 사용하며 이를 충전시켜주는 OBC(On-Board Charger)와 고전압에서 저전압으로 전력변환을 해주는 LDC(Low DC/DC Converter)가 반드시 필요하다. OBC와 LDC는 차량에 독립적인 시스템으로 동작 하며 개별 공간을 사용하기 때문에 이를 통합한 시스템을 활용하여 무게 및 사용 공간 확보에 대한 필요성이 대두 되고 있다. 본 논문은 LDC 트랜스포머의 설계를 단순화하여 절연형 전류원 컨버터를 사용한 OBC에 통합이 가능한 1.5kW급 LDC컨버터에 대하여 제안하였다. 제안된 LDC는 양방향 벅-부스트 컨버터의 고정된 임의의 출력 전압을 사용하여 LDC의 최종 출력 전압의 제어가 가능하기 때문에 기존의 OBC-LDC 통합 시스템과 비교하여 배터리 전압 사용 범위, 컨버터의 Duty Ratio 및 OBC의 출력 턴 비를 고려한 트랜스포머 설계에 대한 부분을 단순화 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 제안된 LDC의 시제품을 제작하여 200V ~ 400V의 입력 전압에서 정상 동작을 확인 하였으며 정격 부하 조건에서 최대 효율 91.885%를 달성 하였다. 또한 OBC-LDC통합 시스템 구축을 통해 약 6.51L의 부피를 달성 하였으며 기존 독립적인 시스템에 비해 15.6% 저감되어 공간 확보에 대한 이점을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

PHEV(Plug in Hybrid Electric Vehicle) and BEV(Battery Electric Vehicle) equip high voltage batteries to drive motor and vehicle electric system. Those vehicle require OBC(On-Board Charger) for charging batteries and LDC(Low DC/DC Converter) for converting from high voltage to low voltage. Since the charger and the converter actually separate each other in electrical vehicles, there is a margin to reduce the vehicle weight and area of installation by integration two systems. This paper studies a 1.5kW LDC converter that can be integrated into an OBC using an isolated current-fed converter by simplifying the design of LDC transformers. The proposed LDC can control the final output voltage of the LDC by using a fixed arbitrary output voltage of the bidirectional buck-boost converter, so that Compared to the existing OBC-LDC integrated system, it has the advantage of simplifying the transformer design considering the battery voltage range, converter duty ratio and OBC output turn ratio. Prototype of the proposed LDC was made to confirm normal operation at 200V ~ 400V input voltage and maximum efficiency of 91.885% was achieved at rated load condition. In addition, the OBC-LDC integrated system achieved a volume of about 6.51L and reduced the space by 15.6% compared to the existing independent system.

주제어

표/그림 (21)

그림 그림 1. OBC(a) 및 LDC(b) 시스템의 기본구성 Fig. 1. Basic configuration of OBC(a) and LDC(b) systems
그림 그림 2. OBC, LDC 기구부 통합 시스템(a) 및 회로부 통합 시스템(b)의 구성 Fig. 2. Configuration of OBC, LDC mechanism integrated system(a) and circuit integrated system(b)
그림 그림 3. 절연형 전류원 컨버터를 사용한 OBC 시스템의 기본구성 Fig. 3. Basic configuration of OBC system using Isolated Current-Fed Converter
그림 그림 4. 제안된 LDC의 기본 구성 Fig. 4. Basic configuration of proposed LDC
그림 그림 5. 양방향 벅-부스트 컨버터 회로도 Fig. 5. Bidirectional Buck-Boost Converter Circuit Diagram
그림 그림 6. 양방향 벅-부스트 컨버터의 동작 모드 Fig. 6. Operation Mode of Bidirectional Buck-Boost Converter
그림 그림 7. 양방향 벅-부스트 컨버터의 동작 파형 Fig. 7. Operation Waveform of Bidirectional Buck-Boost Converter
그림 그림 8. 위상 천이 ZVS 풀 브릿지 컨버터 회로도 Fig. 8. Circuit Diagram of Phase shift ZVS Full Bridge Converter
그림 그림 9. 위상 천이 ZVS 풀 브릿지 컨버터의 동작 모드 Fig. 9. Operation Mode of Phase Shift ZVS Full Bridge Converter
그림 그림 10. 위상 천이 ZVS 풀 브릿지 컨버터의 동작 파형 Fig. 10. Operation Waveform of Phase Shift ZVS Full Bridge Converter
그림 그림 11. 양방향 벅-부스트 컨버터 시뮬레이션 모델 Fig. 11. Simulation Model of Bidirectional Buck-Boost Converter
그림 그림 12. 위상 천이 ZVS 풀 브릿지 컨버터 시뮬레이션 모델 Fig. 12. Simulation Model of Phase Shift ZVS Full Bridge Converter
그림 그림 13. 양방향 벅-부스트 컨버터 시뮬레이션 파형(VBATT 200V, VDC 540V) Fig. 13. Simulation Waveform of Bidirectional Buck-Boost Converter(VBATT 200V, VDC 540V)
그림 그림 14. 위상 천이 ZVS 풀 브릿지 컨버터 시뮬레이션 파형 (VDC 540V, VBATT_LV 14.4V) Fig. 14. Simulation Waveform of Phase Shift ZVS Full Bridge Converter(VDC 540V, VBATT_LV 14.4V)
그림 그림 15. 제안된 LDC 컨버터 시작품 Fig. 15. The proposed LDC Converter Prototype
그림 그림 16. 입력 전압 200V인가시 양방향 벅-부스트 컨버터 주요 파형(CH1 200V, CH2 545V, CH3 8.64A, CH4 9.85A) Fig. 16. Bidirectional Buck-Boost Converter Main Waveform with Input Voltage 200V(CH1 200V, CH2 545V, CH3 8.64A, CH4 9.85A)
그림 그림 17. 입력 전압 400V인가시 양방향 벅-부스트 컨버터 주요 파형(CH1 406V, CH2 539V, CH3 3.59A, CH4 4.84A) Fig. 17. Bidirectional Buck-Boost Converter Main Waveform with Input Voltage 400V(CH1 406V, CH2 539V, CH3 3.59A, CH4 4.84A)
표 표 1. 제안된 LDC 컨버터의 주요사항 Title. 1. The Main parameter of proposed LDC Converter
그림 그림 18. 위상 천이 ZVS 풀 브릿지 컨버터 주요 파형(CH1 604V, CH2 14.49V, CH3 3.07A, CH4 106.1A) Fig 18. Phase Shift ZVS Full Bridge Converter Main Waveform(CH1 604V, CH2 14.49V, CH3 3.07A, CH4 106.1A)
그림 그림 19. LDC컨버터 전력 시험 분석 결과 Fig. 19. Analysis of LDC Converter Power Test
그림 그림 20. 입력 전압별 부하에 따른 효율 Fig. 20. Efficiency according to input voltage and load

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LDC 트랜스포머의 설계를 단순화 하여 절연형 전류원 PFC 컨버터를 사용한 OBC에 통합이 가능한 1.5㎾급 LDC에 대해서 제안 하였다
본 논문에서는 절연형 전류원 PFC 컨버터를 사용한 OBC에 통합이 가능한 1.5㎾급 LDC에 대해서 제안 하였다. 제안된 LDC는 양방향 벅-부스트 컨버 터를 사용하여 200V ~ 400V의 배터리 전압을 고정된 임의의 출력 전압으로 변환 후 고정된 Duty Ratio를 갖는 절연형 DC/DC컨버터를 사용하여 출력 전압을 제어 할 수 있어 트랜스포머에 대한 설계를 단순화 할 수 있는 장점이 있다.

제안 방법

배터리 입력 전압, 입력 전류, 양방향 벅-부스트 컨버터의 출력전압, 위상 천이 ZVS 풀 브릿지의 출력 전압, 출력 전류를 센싱 받아 양방향 벅-부스트의 출력 전압을 조정하여 최종 출력 전압을 제어한 다. 또한 OBC의 트랜스포머, 2차 정류부 및 동기정류 벅 컨버터 부분에 대해서 회로 공유가 가능하기 때문에 OBC-LDC통합 시스템을 구축 할 수 있다.
제안된 LDC는 양방향 벅-부스트 컨버터 위상 천이 ZVS(Zero Voltage Swithcing) 풀 브릿지 컨버 터, 2차단 정류기와 LC필터로 구성되어 있으며 200V ~ 400V의 배터리 전압을 양방향 벅-부스트 컨버터를 사용하여 540V로 승압 후 위상 천이 ZVS 풀 브릿지 컨버터와 OBC에서 사용한 트랜스포머를 통해 14.4V의 저전압을 생성하여 차량 전장 시스템의 전원 및 이를 보조하는 12V 배터리의 충전 전압으로 사용하게 된다. 여기서 540V 전압은 OBC에 사용된 트랜스포머 입출력 턴 비(1:1)에 맞춰 설계된 LDC 트랜스포머의 입출력 턴 비(36:1)를 사용하여 14.
제안된 LDC는 입력에 양방향 벅-부스트 컨버터를 사용하여 200V ~ 400V의 배터리 입력 전압을 400V이상의 고정된 임의의 출력 전압으로 승압 할 수 있으며 절연형 DC/DC 컨버터의 Duty를 항상 고정으로 사용하도록 설계 하였다. 따라서 출력 양방 향 벅-부스트 컨버터의 출력 전압을 조정하여 LDC 의 최종 출력 전압을 제어하는 설계가 가능하며 기존 OBC-LDC 통합 시스템에서 요구되어지는 배터리 전압 사용 범위, 컨버터의 Duty Ratio 및 OBC 의 출력 턴 비를 고려한 트랜스포머의 설계와 비교 하여 트랜스포머의 설계를 단순화 할 수 있다.

대상 데이터

제안된 시스템을 검증하기 위해 1.5㎾급 LDC컨 버터 시작품을 제작하였으며 주요사항을 표1에 정리 하였다.
제안된 시스템의 최적 제어를 위해 차량에서 많이 사용되는 120㎒의 연산능력을 가진 NXP사의 MPC5643L DSP 소자를 사용하여 디지털 제어를 하였다.

데이터처리

시스템의 구성에 대한 검증을 위해 PSIM 시뮬레이션을 진행하였으며 그림 11과 그림 12에 시뮬레이션 회로도를 그림 13과 그림 14에 결과 파형을 나타 내었다.

성능/효과

제안된 LDC는 입력에 양방향 벅-부스트 컨버터를 사용하여 200V ~ 400V의 배터리 입력 전압을 400V이상의 고정된 임의의 출력 전압으로 승압 할 수 있으며 절연형 DC/DC 컨버터의 Duty를 항상 고정으로 사용하도록 설계 하였다. 따라서 출력 양방 향 벅-부스트 컨버터의 출력 전압을 조정하여 LDC 의 최종 출력 전압을 제어하는 설계가 가능하며 기존 OBC-LDC 통합 시스템에서 요구되어지는 배터리 전압 사용 범위, 컨버터의 Duty Ratio 및 OBC 의 출력 턴 비를 고려한 트랜스포머의 설계와 비교 하여 트랜스포머의 설계를 단순화 할 수 있다.
885%를 달성 하였다. 또한 절연형 전류원 PFC 컨버터를 사용하여 OBC-LDC통합 시스템을 구축 시 가로 305㎜, 세로 305㎜, 높이 70㎜, 약 6.51L의 부피를 가진 시스템을 만들 수 있어 기존 독립적으로 사용되고 있는 시스템과 비교하여 약 15.6%의 부피를 줄여 공간 확보에 이점을 확인하였다.
제안된 LDC는 양방향 벅-부스트 컨버 터를 사용하여 200V ~ 400V의 배터리 전압을 고정된 임의의 출력 전압으로 변환 후 고정된 Duty Ratio를 갖는 절연형 DC/DC컨버터를 사용하여 출력 전압을 제어 할 수 있어 트랜스포머에 대한 설계를 단순화 할 수 있는 장점이 있다. 또한 통합 시스템 구축 시 약 6.51L의 부피를 가진 시스템을 만들 수 있어 기존 독립적으로 사용되고 있는 시스템과 비교하여 약 15.6%를 줄일 수 있어 이에 따른 공간 확보에 용이함을 확인 하였다. 정격 부하에서 최대 효율 91.
시뮬레이션 결과 양 방향 벅 부스트 컨버터는 200V ~ 400V의 배터리 입력 전압을 540V로 승압 하여 주는 것을 확인 하였으며 위상 천이 ZVS 풀 브릿지 컨버터는 540V의 입력을 14.4V의 출력으로 변환 시켜 주는 것을 확인 할 수 있었다.
위상 천이 ZVS 풀 브릿지 컨버터를 사용하여 14.4V로 변환이 가능함을 확인 하였으며 정격 출력 구간에서 ZVS가 문제없이 되는 것을 확인 하였다. CH1은 위상 천이 ZVS 풀 브릿지 컨버터 트랜스포머 양단의 전압선, CH2는 LDC의 출력 전압, CH3 은 트랜스포머에 흐르는 전류, CH4는 출력 전류를 나타내었다.
정격 입력 전압 360V, 정격 출력 1.5㎾에서 최대 효율 91.885%를 달성 하였으며 200V, 400V의 입력 전압, 정격 출력 1.5㎾의 조건에서90%이상의 효율을 달성 하였다.
5㎾급 LDC에 대해서 제안 하였다. 제안된 LDC는 양방향 벅-부스트 컨버 터를 사용하여 200V ~ 400V의 배터리 전압을 고정된 임의의 출력 전압으로 변환 후 고정된 Duty Ratio를 갖는 절연형 DC/DC컨버터를 사용하여 출력 전압을 제어 할 수 있어 트랜스포머에 대한 설계를 단순화 할 수 있는 장점이 있다. 또한 통합 시스템 구축 시 약 6.
제안된 LDC의 시제품을 통해서 200V ~ 400V의 입력 전압 범위에서 정상 동작을 확인 하였으며 정격 부하에서 최대 효율 91.885%를 달성 하였다. 또한 절연형 전류원 PFC 컨버터를 사용하여 OBC-LDC통합 시스템을 구축 시 가로 305㎜, 세로 305㎜, 높이 70㎜, 약 6.
제안된 양 방향 벅-부스트 컨버터를 사용하여 200V ~ 400V까지의 입력전압을 약 540V로 승압이 가능함을 확인 하였다. CH1은 배터리 단의 입력 전압, CH2는 벅-부스트컨버터의 출력전압, CH3은 스위치 S3의 게이트 전압, CH4는 인덕터에 흐르는 입력 전류를 나타내었다.

후속연구

6%를 줄일 수 있어 이에 따른 공간 확보에 용이함을 확인 하였다. 정격 부하에서 최대 효율 91.885%를 달성 하였으며 향후 실제 차량 탑재 및 실주행 테스트를 통하여 실제 적용 및 양산이 가능한지에 대해서 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통합한 시스템을 활용하여 무게 및 사용 공간 확보에 대한 필요성이 대두되는 이유는?	PHEV(Plug in Hybrid Electric Vehicle)와 BEV(Battery Electric Vehicle)는 모터 및 차량 전장 시스템의 구동을 위하여 고전압 배터리를 사용하며 이를 충전시켜주는 OBC(On-Board Charger)와 고전압에서 저전압으로 전력변환을 해주는 LDC(Low DC/DC Converter)가 반드시 필요하다. OBC와 LDC는 차량에 독립적인 시스템으로 동작 하며 개별 공간을 사용하기 때문에 이를 통합한 시스템을 활용하여 무게 및 사용 공간 확보에 대한 필요성이 대두 되고 있다. 본 논문은 LDC 트랜스포머의 설계를 단순화하여 절연형 전류원 컨버터를 사용한 OBC에 통합이 가능한 1.
	기존의 OBC-LDC 통합 시스템의 단점은?	OBC의 비절연형 PFC 컨버터의 출력전압이 고정 전압이기 때문에 절연형 DC/DC컨버터의 Duty 및 트랜스포머의 입출력 턴 비에 따라 배터리에 인가되는 출력 전압 범위가 결정되며 배터리 전압을 입력 전압으로 사용하는 LDC는 250V ~ 400V의 배터리 전압 사용 범위, 컨버터의 Duty Ratio 및 OBC의 출력 턴 비를 고려한 트랜스포머의 설계가 필요하다. 따라서 전체 OBC-LDC 통합 시스템을 설계하기 위해선 OBC와 LDC를 모두 만족하는 트랜스포머를 설계해야 하는 단점이 있다 [10][13][14].
	OBC의 역할은 무엇인가?	PHEV(Plug in Hybrid Electric Vehicle)와 BEV(Battery Electric Vehicle)는 모터 및 차량 전장 시스템의 구동을 위하여 고전압 배터리를 사용하며 이를 충전시켜주는 OBC(On-Board Charger)와 고전압에서 저전압으로 전력변환을 해주는 LDC(Low DC/DC Converter)가 반드시 필요하다. OBC와 LDC는 차량에 독립적인 시스템으로 동작 하며 개별 공간을 사용하기 때문에 이를 통합한 시스템을 활용하여 무게 및 사용 공간 확보에 대한 필요성이 대두 되고 있다.

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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