[논문]자율주행차량의 ISG시스템에서 비상발전용 배터리 충·방전을 위한 3kW급 양방향 컨버터의 최적화 설계에 관한 연구

김진학; 강동훈; 이일운

[국내논문] 자율주행차량의 ISG시스템에서 비상발전용 배터리 충·방전을 위한 3kW급 양방향 컨버터의 최적화 설계에 관한 연구
Research on Optimum Design of 3kW Bidirectional DC-DC Converter for Autonomous Vehicle's Emergency Power Generation System 원문보기

김진학 (계명대학교) , 강동훈 (계명대학교) , 이일운 (계명대학교)

본 논문에서는 자율주행차량의 ISG시스템에서 비상발전용 양방향 DC-DC 컨버터 개발을 위한 최적화 연구 결과를 발표한다. 자율주행차량의 주 전력시스템이 차단되었을 때 차량을 제어하는 시스템에 전력공급이 가능한 비상발전시스템은 현재 개발되지 않은 상태이다. 자율주행차량의 비상발전시스템의 최대 전력은 약 3kW이며 main battery 전압은 48V, sub battery 전압은 12V이다. 본 연구에서는 차량의 연비를 고려한 고전력 밀도와 배터리 수명을 고려한 전류 리플 최소화를 목표로 한다. 이를 위해 차동모드 커플더 인덕터를 가진 4상 인터리브드 방식으로 설계하였고, 최대 98.22%의 효율이 예상된다.

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문제 정의

본 논문에서는 자율주행차량의 ISG시스템에서 비상발전용 배터리 충ㆍ방전을 위한 컨버터를 제안하였고, 배터리 충전회로의 주요 설계 사양인 스위칭주파수, 리플 전류, 인덕턴스 선정 근거를 제안하였다. 개발 하드웨어는 차동모드 커플더 인덕터가 적용된 4상 인터리브드 벅 부스트(CCM)컨버터로, 리플 전류 기준 만족과 고효율 및 고전력밀도화를 달성한다.

제안 방법

주파수와 인덕턴스 값을 각각 10～300㎑, 5～20μH에 대한 배터리 충전 전류 리플의 크기를 분석하였다.
제안하는 컨버터는 효율과 신뢰성을 높이기 위해 최악의 조건에서 시뮬레이션을 진행하였고, 배터리수명과 차량의 연비를 고려해 4상 인터리브드 차동모드 커플더 인덕터를 적용하였다.
3kW급 풀 브리지(하드스위칭, 소프트스위칭)컨버터와 인터리브드 방식의 벅 부스트(CCM, DCM)컨버터 토폴로지를 비교 및 분석하였다. 비교 및 분석 결과, 차량에 탑재할 수 있으며, 벅 부스트(CCM)컨버터가 효율 및 경량화 측면에서 우수하다.
이에 따라 한국 산업표준사양의 기준인 2%이하의 리플 전류를 기준으로 한다. 제안하는 컨버터는 리플 전류 기준을 만족하도록 두 가지 기술을 적용하였다.
앞서 적용된 기술과 최적화된 주파수와 누설인덕턴스를 바탕으로 효율을 분석하면서 최적 디바이스를 선정하였다. 표 2는 그 결과를 보여준다.
그림5는 제안한 컨버터의 제어 블록다이어그램을 보여준다. 컨버터가 CC CV로 제어되도록 하였고, LA55 P를 이용하여 각 상의 전류제어가 밸런싱 되도록 하였다.
본 논문에서는 자율주행차량의 ISG시스템에서 비상발전용 배터리 충ㆍ방전을 위한 컨버터를 제안하였고, 배터리 충전회로의 주요 설계 사양인 스위칭주파수, 리플 전류, 인덕턴스 선정 근거를 제안하였다. 개발 하드웨어는 차동모드 커플더 인덕터가 적용된 4상 인터리브드 벅 부스트(CCM)컨버터로, 리플 전류 기준 만족과 고효율 및 고전력밀도화를 달성한다. 최대 효율은 약 98.

대상 데이터

비교 및 분석 결과, 차량에 탑재할 수 있으며, 벅 부스트(CCM)컨버터가 효율 및 경량화 측면에서 우수하다. 따라서 본 연구의 토폴로지는 양방향 벅 부스트(CCM)컨버터로 선정하였으며, 표 1로부터 선정 근거를 제시한다.
현재 제안된 컨버터는 powder코어(CS777060) 5개를 적층하여 차동모드 커플더 인덕터 제작을 완료한 상태이다. 제작된 커플더 인덕터는 차동모드로 제작되었다.

성능/효과

비교 및 분석 결과, 차량에 탑재할 수 있으며, 벅 부스트(CCM)컨버터가 효율 및 경량화 측면에서 우수하다.
그 결과 한 상의 리플 전류가 25%범위 130㎑, 15μH에서 리플 전류 2%이하를 만족하면서 최적화된 사양을 달성할 수 있었다.
차동모드 커플더 인덕터의 4상 인터리브드 기법이 적용된 최적화 사양을 갖춘 시뮬레이션 회로 및 파형은 그림3, 4와 같다. 시뮬레이션 결과, 각 상의 리플과 4상의 총 리플 전류는 각각 7%, 0.7%로 기준에 만족되는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

추후에는 DSP(TMS28335)의 제어보드로 개발 하드웨어의 타당성을 검증할 것이다. DSP로 개발 하드웨어 테스트 후, 차동모드 커플더 인덕터의 최적화 설계를 위한 연구를 진행하여 이를 토대로 최적화된 하드웨어를 개발하여 마무리할 예정이다.
추후에는 DSP(TMS28335)의 제어보드로 개발 하드웨어의 타당성을 검증할 것이다. DSP로 개발 하드웨어 테스트 후, 차동모드 커플더 인덕터의 최적화 설계를 위한 연구를 진행하여 이를 토대로 최적화된 하드웨어를 개발하여 마무리할 예정이다.

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