[논문]NEV용 통합형 전력변환장치 개발

김경만; 김태권; 유종욱; 강찬호; 조관열; 전태원

NEV용 통합형 전력변환장치 개발
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김경만 ((주)이지트로닉스) , 김태권 ((주)이지트로닉스) , 유종욱 ((주)이지트로닉스) , 강찬호 ((주)이지트로닉스) , 조관열 (충주대학교) , 전태원 (울산대학교)

본 논문에서는 도심형 근거리 전기자동차의 구동을 위한 통합형 전력변환장치 개발에 대해 소개한다. 차량 구동용 유도 전동기 제어와 주동력 배터리 충전 및 전장배터리 충전의 기능을 가지기 위하여 MCU(Motor Control Unit), OBC(On-Board Charger), LDC(Low Voltage DC-DC Converter)를 적용하였다. 각각의 전력변환장치들 사이에 불필요한 커넥터를 없애고 단일 방열판 위에 각 요소부품을 배치하여 하나의 통합된 기구 물 위에 모든 기능을 발휘하도록 통합형 전력변환장치를 개발하였다. 개별 기능을 가지는 MCU와 OBC, LDC의 단품 성능시험을 거친 후 실차에 장착하여 차량모터제어 및 배터리 충전을 실험을 통하여 확인하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 NEV에 적용되는 주요 전력변환장치를 하나의 기구물에 통합 제작하였으며, 각 기능별 동작이 정상적으로 이루어짐을 실험을 통하여 확인하였다. 개별 장치를 적용했을 때와 비교하여 커넥터가 수량이 적고, 통합형 전력변환장치가 통합전 개별 합산 체적에 비해 적음을 알 수 있었다.

제안 방법

그림 2는 통합형 전력변환장치의 블록도를 나타내고 있다. 고전압 배터리와 접속이 되는 각 장치의 입력 혹은 출력부를 결선으로 내부 접속시키고 나머지 입력 및 출력부는 단자대를 통하여 외부 모터, 고전압배터리, 전장배터리 등과 연결되도록 구성하였다.
본 논문에서는 NEV 차량에 공간적인 제약을 극복하고, 차량의 가격을 낮추기 위해 핵심 전력변환장치들을 통합형으로 설계함으로써 기존 제품들 사이에 고가의 커넥터로 연결되는 부분을 내부 부스바(bus bar)나 동선으로 접속시켜 기존 커넥터가 차지하던 부피를 줄이고, 또한 통합형 전력변환장치의 방열부를 공용화 시킴으로써 개별 방열부가 차지하는 합을 줄여 제품을 소형화시킬 수 있다. 이와 같이 통합형 전력변환장치는 불필요한 커넥터를 줄이고, 개별 부품의 히트싱크 총합보다 작으며, 외형 구조물인 제품 케이스 등을 크게 줄여 제품의 부피와 원가를 줄일 수 있다는 장점을 가지게 된다.
본 논문에서는 차량 견인모터(traction motor)로 정격 7.5kW 유도전동기를 사용하였으며, 고전압 배터리는 공칭전압 3.4V의 리튬폴리머 셀을 21개 직렬연결하여 71.4[V]가 되도록 하였다. 이를 기반으로 MCU, LDC, OBC의 사양은 표 1과 같다.

성능/효과

본 논문에서는 NEV에 적용되는 주요 전력변환장치를 하나의 기구물에 통합 제작하였으며, 각 기능별 동작이 정상적으로 이루어짐을 실험을 통하여 확인하였다. 개별 장치를 적용했을 때와 비교하여 커넥터가 수량이 적고, 통합형 전력변환장치가 통합전 개별 합산 체적에 비해 적음을 알 수 있었다.
그림 3을 통하여 개발된 제품으로 72V 배터리 충전, 고압 배터리를 입력에 대한 모터 구동 및 LDC 동작을 확인한 결과 모터의 동작과 고전압 배터리 및 전장배터리의 충전이 표 1에서 제시한 내용을 모두 만족함을 실험을 통하여 확인하였다.
본 과제에서는 최적형상에 대한 도출보다 기능 구현이 가능하고 동시에 단품들을 통합시키 것에 개발 초점을 맞춘 결과 다소 큰 부피를 가지고 있다. 배터리 충전시 MCU는 동작하지 않고 LDC는 저전력 동작을 수행하며, 차량 주행시 OBC는 동작하지 않고 MCU와 LDC가 동작하는 점을 감안하면 구성품의 배치와 방열부 형태에 따라 히트싱크를 크게 줄일 수 있음을 알 수 있다. 또한 OBC와 LDC가 아날로그 제어를 적용하기 때문에 제어부는 통신, 계측, 에러 검출 등의 기능을 수행하므로 하나의 DSP 제어보드로 2개 혹은 그 이상의 장치를 담당할 수있을 것으로 예상된다.
본 과제에서는 최적형상에 대한 도출보다 기능 구현이 가능하고 동시에 단품들을 통합시키 것에 개발 초점을 맞춘 결과 다소 큰 부피를 가지고 있다. 배터리 충전시 MCU는 동작하지 않고 LDC는 저전력 동작을 수행하며, 차량 주행시 OBC는 동작하지 않고 MCU와 LDC가 동작하는 점을 감안하면 구성품의 배치와 방열부 형태에 따라 히트싱크를 크게 줄일 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

MCU 입력단, LDC 입력단, OBC 출력단에 모두 커패시터가 사용되는 점을 감안한다면, 필름커패시터를 각 단자에 병렬로 접속시키도록 커패시터 내부 부스바를 제작하고 이를 각 단자에 접속시켜서 커패시터의 용량 저감과 동시에 불필요한 내부 배선을 없앨 수 있다. 향후 최적 형상을 가진 통합형 전력 구동장치를 설계, 제작하여 본 논문에서 제시한 시작품과 어떤 차이가 있는지 비교할 과제를 남겨두고 있다.

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