초록 ▼

연구개요
현대자동차의 아이오닉, 토요타의 프리우스, 테슬라의 model3를 대표로 하는 전기차와 Plug-in hybrid의 판매량은 2017년 약 200만 대에서 2022년 약 1000만대로 크게 증가하였다. 이에 따라 많은 산업체에서는 판매량을 확보하기 위해 차량의 주행거리 증가시킬 수 있도록 대용량의 배터리를 채택하고 있다. 이와 동시에 배터리를 단시간 내에 충전하기 위해서, 차량에 탑재하는 충전기 OBC 용량을 지속적으로 증가시키고 있다. 이러한 OBC는 충전 효율이 차량의 전비에 반영되기 때문에 높은 효율이 요구되며,

연구개요
현대자동차의 아이오닉, 토요타의 프리우스, 테슬라의 model3를 대표로 하는 전기차와 Plug-in hybrid의 판매량은 2017년 약 200만 대에서 2022년 약 1000만대로 크게 증가하였다. 이에 따라 많은 산업체에서는 판매량을 확보하기 위해 차량의 주행거리 증가시킬 수 있도록 대용량의 배터리를 채택하고 있다. 이와 동시에 배터리를 단시간 내에 충전하기 위해서, 차량에 탑재하는 충전기 OBC 용량을 지속적으로 증가시키고 있다. 이러한 OBC는 충전 효율이 차량의 전비에 반영되기 때문에 높은 효율이 요구되며, 엔진룸 또는 트렁크룸에 탑재되기에 높은 전력밀도를 필요로 하므로 최근 여러 전장 업체에서 패키지의 통합 또는 신규 토폴로지의 개발로 고밀도 달성을 위한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 본 연구에서는 PFC와 DC/DC 1차측을 통합한 대용량 단일 전력단 컨버터의 회로와 효율 향상을 위한 소프트 스위칭 회로 및 제안된 회로의 고성능 제어 기법에 대해 연구하고자 한다. 본 연구를 통해 충전 효율 향상과 차량의 전비 향상을 달성할 수 있으며, 고밀도를 가능하게 하여 OBC의 경량화 또는 고용량화가 가능하다. 따라서 본 연구의 결과를 통해 차세대 전기차 시장에서 경쟁력 향상이 가능할 것이라 예상된다.

연구 목표대비 연구결과
- 연구 목표
1. 단일 전력단을 위한 PFC, DC/DC 통합회로 연구
2. 수동소자 부피저감 및 OBC Topology 연구
3. 단일 전력단 OBC를 위한 PWM 및 PFM 제어기법 연구
4. 3.3kW급 시스템 연구
5. 시스템 효율 96% 및 전력밀도 30% 향상 목표
- 연구결과
1. 인버터타입 PFC와 하프브리지 LLC 컨버터의 스위치 통합에 따른 스위치 개수 저감.
1. PFC 및 DAB 통합 회로 토폴로지 연구 및 자성체 최적화 설계 수행.
2. PFC 입력 전류 및 DC/DC 출력 제어를 위해 PWM/PFM 복합제어 수행
- PFC 전류제어를 위한 PFC단 스위치 leg의 경우 PWM 제어 수행
- DC/DC 출력 제어를 위한 PFC+DC/DC 통합 스위치 leg의 경우 시비율 0.5 기반 PFM 제어 수행
3. 인버터타입 PFC + HBLLC 공진형 컨버터 3.3kW급 설계 및 시제품 제작
4. 제안 OBC 최대 효율 96% 달성 및 전력밀도 초과 달성

연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
본 연구를 통해 개발된 단일 전력단 OBC의 경우 기존 2단 전력단 구조의 OBC대비 최대 6개의 전력용 반도체 스위치를 저감 가능하여, 가격경쟁력 향상 및 고전력 밀도 달성이 가능하다. 또한 제안 단일 전력단 OBC의 경우 최대 96% 이상의 효율을 달성하여 높은 경쟁력을 성취하였다. 더욱이 본 연구에서 개발된 0.5 시비율로 동작하는 leg를 가진 인버터 타입의 PFC단의 경우, 다수의 전장회사에서 연구 개발되고 있는 비절연 OBC의 PFC단에 적용 될 수 있을 뿐만 아니라, DAB등의 토폴로지와 결합되어 초고전력밀도의 OBC 개발의 초석이 될 것이라 판단된다. 이와 같은 본 연구의 결과물은 토폴로지 통합을 통한 고전력밀도 달성이 가능하기에 전장부품 외에도 신재생에너지, 고효율의 서버용 전원장치 등 다양한 전력변환장치에 적용가능한 혁신적인 토폴로지라 판단된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 연구 개발의 목적 ... 4
• 2) 연구 개발의 필요성 및 범위 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 2.1) 차량 탑재형 충전기 시스템의 연구 현황 ... 5
• 2.2) 단일 전력단을 위한 PFC, DC/DC 단 통합회로 연구 ... 5
• 2.3) 단일 전력단 컨버터를 위한 회로 연구 ... 5
• 2.4) OBC 부피저감 및 V2X를 위한 양방향 OBC 토폴로지 연구 ... 6
• 2.5) 단일 전력단 OBC를 위한 PWM/PFM 제어기법 연구 ... 6
• 2.6) 제안 OBC의 제어를 위한 제어보드 및 파워보드 제작 ... 6
• 2.7) 차세대 반도체 검토 ... 7
• 2.8) 인버터타입 PFC의 부스트 인덕터 최적화, PWM 제어기법 검증 및 손실 분석 ... 7
• 2.9) 배터리 충전 프로파일에 따른 DC/DC단 HBLLC 공진형 컨버터 설계, 분석 및 실험 ... 8
• 2.10) 단일 전력단 OBC 검증 ... 9
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 10
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 10
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 11
• 3) 목표 달성 수준 ... 12
• 4) 연구성과 ... 12
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 자체점검표 ... 14
• 7. 참고문헌 ... 14
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 15
• 끝페이지 ... 29