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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.
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.