[논문]7.2kW급 통합형 양방향 OBC/LDC 모듈의 전력 손실을 고려한 공진 네트워크 최적 설계

송성일; 노정훈; 강철하; 윤재은; 허덕재

doi:10.6113/tkpe.2020.25.1.21

7.2kW급 통합형 양방향 OBC/LDC 모듈의 전력 손실을 고려한 공진 네트워크 최적 설계
Optimal Design of Resonant Network Considering Power Loss in 7.2kW Integrated Bi-directional OBC/LDC 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.1, 2020년, pp.21 - 28

송성일 (Institute for Advanced Engineering AI & Mechanical Center) , 노정훈 (Institute for Advanced Engineering AI & Mechanical Center) , 강철하 (Daewoo Electronic Components Co. Ltd R&D Center) , 윤재은 (Daewoo Electronic Components Co. Ltd R&D Center) , 허덕재 (Institute for Advanced Engineering AI & Mechanical Center)

Abstract ▼ AI-Helper

Integrated bidirectional OBC/LDC was developed to reduce the volume for elements, avoid space restriction, and increase efficiency in EV vehicles. In this study, a DC-DC converter in integrated OBC/LDC circuits was composed of an SRC circuit with a stable output voltage relative to an LLC circuit using a theoretical method and simulation. The resonant network of the selected circuit was optimized to minimize the power loss and element volume under constraints for the buck converter and the battery charging range. Moreover, the validity of the optimal model was verified through an analysis using a theoretical method and a numerical analysis based on power loss at the optimized resonant frequency.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Integrated bi-directional OBC/LDC circuit diagram.
그림 Fig. 2. Extracted values in OBC in/output sensor.
그림 Fig. 3. LLC resonant converter gain plot according to quality factor (Q=1∼10).
그림 Fig. 4. SRC Resonant gain plot according to quality factor (Q=1∼10).
그림 Fig. 5. Output voltage in SRC and LLC resonant circuit using matalb/simscape.
그림 Fig. 6. Extracted result in integrated bi-directional OBC/LDC with series resonant converter.
그림 Fig. 7. SRC Resonant gain plot according to quality factor (Q=0.25∼3) and Charging Area.
표 TABLE I THEORY AND SIMULATION RESULT FOR POWER LOSS
그림 Fig. 8. Frequency-power loss graph in series resonant circuit.
표 TABLE II EXTRACTED POWER LOSS DEPEND ON OPERATION MODE

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 7.2kW/h급 통합형 양방향 OBC/LDC 모듈을 구성하기 위해 SRC와 LLC 회로의 출력 전압 및 한계 전압에 따른 소자의 크기를 비교하여 소형화를 목적에 충족할 수 있는 DC-DC Converter의 선택방법을 제안한다. 또한, OBC/LDC 회로에 3가지 동작 모드에서소자의 부피 및 전력 손실을 고려해 공진 네트워크 최적 설계 과정을 분석 및 검증한다.
본 논문에서는 7.2kW급 통합형 OBC/LDC의 성능향상 및 소형화를 위하여 DC –DC Converter 회로에 대한 분석으로 LLC와 SRC 모델의 특성을 비교하였다.
LLC 회로는 넓은 부하 영역에서 ZVS나 ZCS가 가능하나 고전압 배터리와 같이 넓은 출력 전압을 갖는 부하 영역에서의 주파수 가변 제어 방식은 시스템 손실을 키우고 설계를 복잡하게 할 수 있는 단점을 가지고 있다. 이에 따라 본 논문에서는 SRC 회로를 선정하고 동작 모드의 변화를 고려하여 공진 네트워크 최적설계를 수행하였다.

제안 방법

SRC 회로는 능/수동 소자로 구성되어 있으며, 공진 주파수를 최적화시키기 위해 이론적으로 전력손실에 대한 평가를 수행하였다. 능동 소자는 다이오드와 Mosfet으로 스위칭 손실(Switching loss)과 도통 손실(Conduction loss)로 구분할 수 있다.
2kW/h급 통합형 양방향 OBC/LDC 모듈을 구성하기 위해 SRC와 LLC 회로의 출력 전압 및 한계 전압에 따른 소자의 크기를 비교하여 소형화를 목적에 충족할 수 있는 DC-DC Converter의 선택방법을 제안한다. 또한, OBC/LDC 회로에 3가지 동작 모드에서소자의 부피 및 전력 손실을 고려해 공진 네트워크 최적 설계 과정을 분석 및 검증한다.
변압기는 권선에서 발생하는 손실과 코어 손실에 대해서 평가하였으며, 단열재 손상으로 인한 유전체 손실이나 누설 인덕턴스 손실은 고려 대상에서 제외하였다.
본 논문에서는 개선된 공진 네트워크 설계를 기반으로 스위칭 주파수 변화에 따른 SRC 회로 내 전력 손실을 이론적 방법 및 시뮬레이션을 이용하여 비교하였다.
공진 네트워크 1은 PFC에서 고전압 및 저전압 배터리 방향으로 전류의 흐름을 만들어 2차 측의 OBC 및 LDC 배터리를 동시에 충전시키는 동작을 수행한다. 이런 충전 모드에서는 OBC 및 LDC의 최대 전력이 각 6.9kW, 0.3kW로 목표가 설정되어 있으며, 고전압과 저전압 방향 출력 값은 배터리의 전압 범위를 이용하여 식 (9)를 통해 역도출하여 Buck Converter에서의 입력전압 범위를 예측하였다.
전압 게인 함수로 도출된 데이터의 검증을 위해서 Matlab을 이용하여 300kHz의 공진 주파수 및 스위칭 주파수를 가진 SRC 및 LLC 회로를 적용한 통합형 회로를 구현하였다.
통합형 모델에서는 1, 2차 측에서의 공진 네트워크 위치에 따라서 전력의 흐름을 형성하게 되며, 본 논문에서는 동시 충전하는 동작 모드 3을 이용하여 1차 측의 공진 네트워크 최적화를 수행한다.
2kW급으로 설계되었다. 효율적인 전력 분배를 위해 PFC, DC-DC Converter 및 Buck Converter로 구성하였으며, 각 회로 제어는 전압 및 전류 센서에서의 피드백 유무에 따라 PFC 및 Buck Converter는 폐쇄 루프 제어(Close loop control), DC-DC Converter는 개방 루프 제어(Open loop contol)로 이루어진다.

대상 데이터

시뮬레이션은 통합형 OBC/LDC 회로를 대상으로 수행되었으며, 주파수 변화에 따른 임계 전압, ESR 및 권선 길이 등과 같은 변수를 고려하여 SRC 회로의 스위칭 주파수 변화에 따른 소자별로 합산된 전력 손실을 표1에서 나타냈다. 도출된 데이터는 이론적 방법과 유사하게 능/수동 소자의 전력 손실에 대한 경향이 도출되며, 스위칭 주파수 140kHz에서 가장 적은 손실이 발생하는 것을 알 수 있다.

이론/모형

LLC 공진형 회로는 직 병렬 연결을 통해 구성되며, 변압기는 입력부(Primary)에서 고전압과 저전압 방향의 출력을 기준으로 12:14:1의 비로 정의된다. 이를 기반으로 등가 모델을 구성하고, 출력 전압을 식 (3)으로 예측하였다.
통합형 회로의 구동 전에 회로를 Matlab/Simulink를 이용하여 시뮬레이션으로 테스트를 수행하였으며, PFC의 제어 블록은 식 (1), (2)를 통해 시비율-전류, 전압-전류의 관계 기반으로 구성하였다.

성능/효과

OBC/LDC가 동시에 동작되는 충전모드에서 SRC 회로의 공진 네트워크 설계를 수행하였으며, 각 소자에 따른 전력 손실, 소자의 부피 및 배터리의 전압 범위 안에서 캐패시터와 인덕터의 상수가 공진 주파수 70kHz에서 75.79uH, 84.21nF으로 최적 설계값을 얻을 수 있었다. 공진 게인 함수와 충전에 대한 전압 범위를 고려하여 RC 회로 내의 스위칭 주파수 140kHz에서 가장 적은 전력 손실을 발생시키는 것을 알 수 있다.
21nF으로 최적 설계값을 얻을 수 있었다. 공진 게인 함수와 충전에 대한 전압 범위를 고려하여 RC 회로 내의 스위칭 주파수 140kHz에서 가장 적은 전력 손실을 발생시키는 것을 알 수 있다.
시뮬레이션은 통합형 OBC/LDC 회로를 대상으로 수행되었으며, 주파수 변화에 따른 임계 전압, ESR 및 권선 길이 등과 같은 변수를 고려하여 SRC 회로의 스위칭 주파수 변화에 따른 소자별로 합산된 전력 손실을 표1에서 나타냈다. 도출된 데이터는 이론적 방법과 유사하게 능/수동 소자의 전력 손실에 대한 경향이 도출되며, 스위칭 주파수 140kHz에서 가장 적은 손실이 발생하는 것을 알 수 있다. 또한, 최적 설계된 스위칭 주파수를 이용하여 모드 변화에 따른 회로별 전력 손실을 표 2와 같이 나타낸다.
이를 바탕으로 Buck Converter의 시뮬레이션은 SOC(State of Charger)가 99%에서 완충될 때까지의 경계 조건을 기반으로 전류 및 전압의 변화를 그림 2(b)와 같이 도출할 수 있다. 또한, 고전압 배터리의 Buck Converter 회로에서의 효율은 99.5%로 도출되며, 최대 전력 6.8kW를 유지하는 것을 알 수 있다.
6kW 회로와 유사한 효율을 갖는 것을 알 수 있다. 이는 공진 네트워크 최적 설계 과정을 통해 통합형 회로의 고효율화 및 소형화를 달성할 수 있다는 것을 검증하였다.
이론적 방법은 시뮬레이션에서 적용되는 동일 전압, 전류의 데이터를 기반으로 계산되었으며, 표 1과 같이 주파수 증가에 따라 수동 소자의 전력 손실은 감소하고 능동소자는 증가하는 현상을 보인다.
2kW급 통합형 OBC/LDC의 성능향상 및 소형화를 위하여 DC –DC Converter 회로에 대한 분석으로 LLC와 SRC 모델의 특성을 비교하였다. 출력전압은 공진 게인 함수 및 시뮬레이션에 의해 스위칭 주파수가 변경됨에 따라 LLC 회로가 SRC보다 큰 것을 알 수 있었다. 또한 LLC 회로는 높은 허용 전압으로 인하여 큰 부피의 소자가 필요하여 소형화가 불리하고, 고전압 배터리와 같이 부하영역이 넓은 회로에서는 주파수를 가변할 때, 시스템이 복잡해진다는 단점을 가지고 있다.

참고문헌 (9)

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C. Y. Oh, J. S. Kim, and B. K. Lee "Design of optimal resonant frequency for series-loaded resonant DC-DC converter in EVs on-board battery charger application," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 17, No. 1, pp. 77-84, Feb. 2012.

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B. K. Lee, T. G. Gwak, S. G. Kim, S. J. Kim, J. P. Kim, and J. Y. Lee "High-efficient 6.6kW LDC/OBC integration strusture for electric vehicles," in The Korean Institute of Power Electronics Annual Conference, pp. 311-312, Jul. 2014.

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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