[논문]다중동력시스템을 적용한 전기자동차 인버터의 개발

박재석; 차대석; 신덕식; 이상택; 임영철; 김희준; 이광운; 양승학; 김대경

다중동력시스템을 적용한 전기자동차 인버터의 개발
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박재석 (전자부품연구원) , 차대석 (전자부품연구원) , 신덕식 (전자부품연구원) , 이상택 (전자부품연구원) , 임영철 (전남대학교) , 김희준 (한양대학교) , 이광운 (목포해양대학교) , 양승학 (호남대학교) , 김대경 (전자부품연구원)

다중동력시스템은 하나의 엑셀에 두개의 모터를 연결하여 구동하는 시스템으로 차량의 부하가 적은 경우 한대의 모터로만 운전을 하고 경사로의 등판이나 화물의 양이 증가해 부하가 커지는 경우 두 대의 모터를 운전하는 병렬 동력원을 가지는 차량 제어 시스템을 말한다. 다중동력시스템에서 PMSM의 제어는 전류 제어와 속도 제어로 구현이 가능하다. 본 논문에서는 다중동력 시스템에 적용이 가능한 인버터에 대해 벡터 제어 알고리즘의 PSIM 시뮬레이션과 시험을 수행하여 제안한 제어기의 유용성을 검증하였다.

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문제 정의

시뮬레이션 결과를 통해 속도제어가 원활히 잘 되고 있음을 확인하였고, 실제 실험결과와 동일함을 확인 하였다. 본 다중동력 시스템 인버터 제어기의 최종 신뢰성 시험을 통해 향후 실제품 및 차량 시스템에 최적화 될 수 있도록 적용 하고자 한다.

제안 방법

그림 4는 제안한 제어기의 실험을 위해 구성한 실험장치 구성도이며, 부하시험을 위해 전원, 컨버터, 전력측정기, 부하측정기로 시험을 수행하였다.
근거리 전기자동차의 다중동력시스템에 적용 가능한 공간벡터제어기를 개발하였으며, 성능 검증을 위해 PSIM 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 속도제어가 원활히 잘 되고 있음을 확인하였고, 실제 실험결과와 동일함을 확인 하였다.
전력변환부는 600V, 300A의 IGBT 소자를 사용하여 디지털 제어부에서 발생하는 SVPWM을 이용한 벡터제어동작을 구현하였다. 보호동작을 위해서는 과전압 및 과전류 회로를 구성하였다.
또한 전기자동차에 사용되는 제어기는 한정된 전기에너지를 사용하므로 전체 시스템의 고효율화를 위해 고전압 체계로 운영되어야 하며 차량의 구동시스템과 연관되어 운전특성 및 주행 패턴을 고려하여 최대효율 운전점 제어도 가능하도록 연구개발이 진행되고 있다. 본 논문에서는 이러한 연구개발 추세를 반영하여 고효율 고출력 운전이 가능한 IPMSM을 채택하였으며, 컨버터 시스템을 구성하여 고전압으로 구동이 가능하도록 벡터제어기를 구현하였고 알고리즘 검증과 성능확인을 위해 PSIM 시뮬레이션 및 부하실험을 통해 제안한 제어기의 유용성을 검증하였다.
IPMSM 제어기 시스템의 하드웨어 구성은 그림 1과 같이 크게 디지털 제어부 전력변환부로 구성된다 디지털 제어부는 부동소수점 연산이 가능한 TI사의 TMS320F28335 DSP 칩을 사용하였고 IPMSM의 전류, 전압 센싱을 위해 절연형의 상전류 센서와 전압센서로 제어기를 구성하였다. 전력변환부는 600V, 300A의 IGBT 소자를 사용하여 디지털 제어부에서 발생하는 SVPWM을 이용한 벡터제어동작을 구현하였다. 보호동작을 위해서는 과전압 및 과전류 회로를 구성하였다.

대상 데이터

IPMSM 제어기 시스템의 하드웨어 구성은 그림 1과 같이 크게 디지털 제어부 전력변환부로 구성된다 디지털 제어부는 부동소수점 연산이 가능한 TI사의 TMS320F28335 DSP 칩을 사용하였고 IPMSM의 전류, 전압 센싱을 위해 절연형의 상전류 센서와 전압센서로 제어기를 구성하였다. 전력변환부는 600V, 300A의 IGBT 소자를 사용하여 디지털 제어부에서 발생하는 SVPWM을 이용한 벡터제어동작을 구현하였다.

이론/모형

본 논문에서 제안된 제어기의 알고리즘을 확인하기 위해 PSIM 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 위해 표 1에서 나타나는 모터 파라미터를 적용하였으며, 표2에서는 시뮬레이션 결과를 표기 하였다.

성능/효과

근거리 전기자동차의 다중동력시스템에 적용 가능한 공간벡터제어기를 개발하였으며, 성능 검증을 위해 PSIM 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 속도제어가 원활히 잘 되고 있음을 확인하였고, 실제 실험결과와 동일함을 확인 하였다. 본 다중동력 시스템 인버터 제어기의 최종 신뢰성 시험을 통해 향후 실제품 및 차량 시스템에 최적화 될 수 있도록 적용 하고자 한다.

후속연구

이러한 추세에 따라 전기자동차용 인버터의 고효율, 소형 경량화, 대용량화 및 효율적인 시스템 운영을 위해서는 다중동력 시스템은 필수적으로 요구된다. 다중 동력 시스템의 경우 현재까지 주로 유도기를 이용하여 적용되어져 왔으나 최근들어 고성능, 저소음화, 소형경량화가 중요 Point로 더 부각되면서 유도기보다 고성능의 특징을 가지는 PMSM을 적용한 다중동력시스템에 대한 연구개발에 대한 연구개발이 필수적으로 필요하다고 본다. 또한 전기자동차에 사용되는 제어기는 한정된 전기에너지를 사용하므로 전체 시스템의 고효율화를 위해 고전압 체계로 운영되어야 하며 차량의 구동시스템과 연관되어 운전특성 및 주행 패턴을 고려하여 최대효율 운전점 제어도 가능하도록 연구개발이 진행되고 있다.

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