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넓은 충전전압 범위를 갖는 고효율, 고출력의 충전시스템 개발
전유종(Yujong Jeon),나재호(Jaeho Na),박준성(Junsung Park),임혜빈(Hyebin Lim),신외경(Waegyeong Shin) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4
환경오염 및 이산화탄소 규제에 따라 내연기관 자동차의 대안으로 전기자동차, 수소차 및 하이브리드자동차와 같은 친환경 자동차들이 개발되고 있다. ElectricVehicle(이하 EV)는 배기가스가 배출되지 않아 친환경적이고, 기존 내연기관 차의 구성품들 보다 높은 내구성을 갖으며 저렴한 유류비를 큰 장점으로 볼 수 있다. 하지만 1 회 충전 시 내연기관과 비교하여 상대적으로 짧은 주행가능거리(400km @니로EV)와 긴 충전시간, 충전기 인프라의 부족 등의 문제점을 가지고 있다. 본 논문에서는 넓은 충전전압 범위를 만족하고 병렬제어를 통한 고출력 충전기 제작이 가능한 20kW 급모듈형 충전시스템의 개발을 제안한다. 제안하는 파워모듈은 NPC T Type 인버터를 사용하여 입력전압 3상 380V을 700V 로 정류하고 정류된 DC Link 전압을 LLC 컨버터로 150~1000V의 출력전압으로 만들어낸다. 컨버터의 효율을 높이기 위해 와이드밴드갭 소자인 SiC Mosfet module을 적용하였고 높은 스위칭주파수에서 발생하는 손실이 Si Mosfet 보다 적은 이점을 갖는다. 이 20kW 급 파워모듈은 병렬 연결이 가능하여 원하는 용량만큼 확장하여 설계할 수 있다. 본 논문에서는 20kW 급 시제품을 제작하여 시험 한 결과 최고 효율은 95.9%(@450V,15A)를 달성하였고 출력전압 150~1000V 범위에서 주로 사용하는 최대부하 충전영역(@20A)에서 93%이상의 효율을 달성하였다. This paper proposes the development of a high-power, high-efficiency charging system with a wide range of charging voltages. The prototype consists of an NPCt type ac-dc converter and a two-mode LLC converter. It operates in half-bridge mode at 150 to 500 V output voltage and in full-bridge mode at 500 to 1000 V output voltage, with high efficiency over a wide range. It also has the ability to increase capacity through parallel connections. To validate the proposed concept, we provide test results for the 20 kW prototype.
전기동력자동차의 차세대 탑재형 충전기를 위한 고전력밀도 변압기 설계 연구
박준성(Junsung Park),조수연(Suyeon Cho),전유종(Yujong Jeon),조재익(Jaeick Cho),신외경(Waegyeong Shin) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4
변압기는 전기적인 에너지를 자기적인 에너지를 이용해서 다른 형태의 전기적인 에너지로 변환하는 정지형 기기로, 일반적으로 전압과 전류의 크기를 가변 하는 목적으로 사용된다. 구조는 높은 투자율을 가진 자성체 코어와 도전율이 낮은 도체 권선으로 이루어져 있으며, 부가적인 기구부로 권선 보빈, 절연지, 브라켓, 프레임, 몰딩재 등이 같이 조립된다. 50~60Hz 주파수를 이용하는 계통전원용 변압기와 수십k~수백kHz의 고주파수 Switch mode 전력변환 과정을 이용하는 전력변환회로용 변압기로 크게 구분할 수 있는데, 본 개발 기술인 OBC 용 전력변환 변압기는 높은 주파수로 스위칭 하고 있는 DC-DC 절연형 컨버터에 적용되는 변압기이다. HEV(Hybrid Electric Vehicle)와 달리 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)과 BEV(Battery Electric Vehicle)은 차량 구동을 위해 외부 전원으로부터 전기에너지를 충전하는데 배터리 충전을 위한 충전기는 외장 충전기(Off-Board Charger)와 탑재형 충전기(On-Board Charger, OBC)로 나눠진다. OBC는 외부 AC 전원을 배터리 충전을 위한 DC 전원으로 변환해야 되므로 AC-DC 정류회로(정류기)와 DC-DC 변환회로(컨버터)의 2-Stage 구조로 이루어져 있다. OBC는 차량 전장부품이므로 전기적인 절연이 요구되며, 동시에 넓은 전압범위를 가변해야 되기 때문에 DC-DC 변환회로(컨버터)에 자성소자인 전력변환 변압기를 적용하며 고주파 스위칭을 통한 전력변환을 수행한다. OBC 부품의 소형화를 위해서는 구성하고 있는 요소 부품들의 최적화 및 사이즈 저감이 필요하며, OBC에서 부피 비중이 높은 부품은 커패시터, 인덕터, 변압기로 이 중에서 OBC 사이즈 저감에 가장 영향을 많이 미치는 부품은 변압기이다. 변압기의 소형화 설계 시 자성체 코어 자속밀도와 권선 전류밀도는 재료 특성에 의해 정해지며, 권선의 전류 역시 부하전류의 크기에 종속되므로 설계변경이 어렵다. 따라서 변압기의 소형화는 자성체 코어 감소 측면으로 접근되며, 자속량 감소를 위해 스위칭 주파수를 높이는 방향으로 개발해 주파수를 높일수록 주파수에 반비례에서 자속량이 감소되기 때문에 변압기 자성체 코어의 부피를 줄일 수 있다. 본 논문에서는 고주파수 스위칭 대응자성재료 선정 및 회로 데이터를 반영한 변압기 최적설계 기술을 연구하였다. This paper proposes a transformer design of on-board charger for electric powered vehicles using high switching frequency. Prototype OBC used 500 kHz switching frequency using an LLC converter based on gallium nitride devices. A transformer design procedure is proposed to magnetizing inductance, leakage inductance, and reduce wire heat generation by fringing effects. Experimental results from a 7.2 kW prototype are provided to validate the proposed concept.
전유종,박연흠,이영관,김동규,손영근 성균관대학교 기초과학연구소 1994 論文集 Vol.45 No.2
일반적으로 전도성 고분자는 그 기계적 성질이 취약하여 실제 실용계에 많이 응용되지 못하고 있다. 이를 극복하기 위한 한 방법으로 가공성이 좋은 매트릭스 고분자의 물성을 이용하는 방법이 있다. 본 연구에서는 물성이 좋은 PVC와 전도성이 좋은 폴리피롤의 공중합체를 제조, 이용하기 위한 방법의 첫 번째 시도로 PVC의 염소위치에 피롤을 치환시켜 PVC와 물성이 유사한 전도성 공중합체의 전구체를 합성하고자 하였다. 여러 분광학적인 자료들을 분석한 결과 PVC의 단량체 27개마다 한 개의 피롤이 치환된 것으로 나타났다. In order to enhance mechanical property of conducting polymers, a polymeric precursor which will be used for preparing PVC-PPy graft grft copolymer was synthesize. PVC was adopted for the matrix material of the system. Chlorine sites were substituted by pyrrole using potassium pyrrole in THF solvent. Spectroscopic analysis of the final product indicated that every 27 monomer unit of PVC has one pyrrole unit.