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전기자동차 구동 전동기의 고효율 운전을 위한 싸이리스터 소자 적용 전동기 직병렬 권선 절환 회로 연구
신양진(Yangjin Shin),조수연(Suyeon Cho),정호창(Hochang Jung),조재익(Jaeick Cho),신외경(Waegyeong Shin) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4
자동차 시장은 유가변동에 따른 연료비 부담 심화 및 강화되는 이산화탄소 배출 규제 등의 영향으로 친환경 자동차 시장 확대와 함께 전기 자동차의 연비 향상을 위한 기술 개발 경쟁이 가속화되고 있다. 일반적으로 전기 자동차의 모터 구동 시스템은 넓은 속도 영역에서의 동작이 요구되지만 모터의 고효율 영역은 제한되어 있어, 실제 최빈 동작점인 도심 운전(저속 영역) 및 고속도로 운전(고속 영역)에서는 효율 저하가 발생한다는 문제점이 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 모터의 전 속도영역에서 고효율을 성취할 수 있도록 전기 자동차의 운전 속도에 따라서 모터 권선의 구조 변경을 통해 전자기적 특성을 바꿔주는 변속 시스템 개발이 요구되고 있다. 기존의 기계적 스위치로 구성된 변속 시스템의 경우 회로의 수명이 제한적이고 절환 시간이 길어 절환 시간 동안 모터의 전류 및 토크 단절이 발생한다는 문제가 있어 전기 자동차에 적용하는데 한계가 있다. 선진사 일본 야스가와 전기 사의 경우 적은 수의 전기적 스위치로 구성된 중성점 절체식 권선 절환 회로를 전기 자동차의 구동 시스템에 적용시켜 기계적 스위치를 사용한 권선 절환 방식의 수명 문제와 구동 단절 특성을 해결하여 절환 시간을 단축시켰다. 그러나 권선 절환 회로에서의 도통 손실이 크게 발생하여 전체 시스템의 효율을 저하시키며, 절환 시 발생하는 권선의 서지 에너지를 흡수하기 위해 별도의 스너버 회로가 필요하다는 단점이 있다. 제안하는 Thyristor 소자를 적용한 권선 절환 회로는 저속 운전에서는 모터 권선을 직렬로 연결, 고속 운전에서는 병렬로 연결시켜 직병렬로 권선 절환을 통해 전기 자동차의 넓은 속도 영역에서 고효율을 성취할 수 있도록 한다. 또한 기존 선진사 회로와 달리 권선 절환 시에 Thyristor 소자의 특성을 이용하여 과도 상태가 없는 절환을 할 수 있어서 별도의 스너버 회로가 필요 없다. 제안하는 Thyristor를 이용한 직병렬 권선 절환 회로는 구성하는 스위치 소자의 개수가 비교적 많아 별도의 드라이버 회로가 필요하다는 단점이 있지만, 전체 도통 손실이 선진사 회로에 비해 30%정도 저감되어 방열 시스템의 설계가 용이하고 그만큼 부피를 작게 할 수 있다는 장점이 있다. 제안한 권선 절환 회로의 타당성을 검증하기 위해 80kW 급 PMSM 과 인버터를 연계하여 동작을 검증하였다. This paper propose a series-parallel thyristor winding changeover circuit that can maximize the efficiency in the wide speed range to extend the driving distance of the Electric Vehicle. Proposed circuit is Series-Parallel changeover circuit based thyristor. Due to the characteristics of the thyristor, it is possible to achieve a seamless transient state without interruption. So no additional snubber circuit is required and high efficiency and light weight of AC motor system can be expected because of low switch loss. The proposed winding changeover circuit is validated through simulation and experimental results with 80kW AC motor.
V2G 를 위한 1000V 급 고효율 양방향 충전기 개발
나재호(Jaeho Na),박준성(Junsung Park),신양진(Yangjin Shin),신외경(Waegyeong Shin) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4
변압기는 전기자동차의 급증에 따라 EV(Electronic Vehicle) 충전의 불편함을 해소하기 위해 충전 인프라 구축 또한 세계적으로 이슈이다. 기존의 EV 충전기는 전기자동차가 충전기에 연결되는 즉시 충전이 시작되고, 완충 시 충전이 종료되는 단순 전력공급(V0G) 방식이 주로 설치되어왔지만 EV의 배터리 제어를 통해 에너지 자원으로 활용이 가능하기 때문에 양방향 충·방전 제어(V2G)에 대한 연구가 급증하고 있다. 또한 급속 충전을 위해 전기자동차의 배터리 전압 사양이 높아지고 있는 추세이기 때문에 다양한 배터리 전압 사양을 만족시키는 EV 충전기 개발이 필요하다. 본 논문은 이러한 충전기 개발 동향에 맞추어 넓은 출력 범위와 양방향 제어 두 조건을 만족하면서 고효율을 유지하기 위해 절연형 양방향 컨버터와 비절연형 컨버터를 직렬 연결한 결합형 컨버터를 개발하여 연구하였다. 결합된 두 DC-DC 컨버터에서 절연형 컨버터인 DAB(Dual Active Bridge) 컨버터는 변압기 양단 전압의 위상을 변화시키면서 전력을 전달하는 방식으로 양단 전압의 위상차(φ)의 방향에 따라 전력 전달 방향이 결정되기에 양방향 제어가 가능하고, 모든 반도체 스위치는 ZVS(Zero Voltage Switching)가 가능하기 때문에 스위칭 손실을 줄여 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 출력전압은 비절연형 컨버터인 Buck 컨버터를 이용하여 0~1000V까지 넓은 범위를 제어하였고, 설계 방식에 따라 특정 전압범위에서 Buck 컨버터를 bypass 회로로 동작 시켜 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 10kW 급 양방향 충전기 시작품을 제작하여 다양한 전기차 배터리 전압(150~1000V) 범위에서의 출력 특성을 확인하였고 정격전력에서 최대효율 96%이상, THD 3% 이내로 우수한 성능을 검증하였다. This paper proposes a DC-DC converter that satisfies a wide output voltage of 150V -1000V for the battery voltage of various electric vehicles and can be controlled in both directions for the demand resource of electric vehicles. The proposed converter is a two-stage structure in which an insulated converter and a non-isolated converter are combined, and operates as CC (Constant Current) or CP (Constant Power) depending on the voltage of the connected battery. The entire system was designed in a 20kW class, and the output characteristics and efficiency were analyzed through simulations and prototypes.