마일드 하이브리드 전기 차량용 2.5kW급 8상 양방향 컨버터에 관한 연구

1. 서 론

최근 선진국과 더불어 개발도상국의 자동차 수요가 증가하면서 자동차 시장의 규모는 급격히 증가하고 있다. 이러한 자동차의 증가로 인한 스모그와 대기오염 등의 환경 문제를 해결하기 위하여 온실가스 및 유해 배출 가스에 대한 규제를 한층 강화하고 있다. 뿐만 아니라 최근 석유자원의 고갈로 인하여 발생하는 높은 유가 문제에 효과적으로 대응하기 위해 차량의 연비 향상과 대체 에너지 개발에 많은 노력과 투자가 이루어지고 있다.¹⁾ 이러한 노력의 일환으로 자동차 시장은 환경 친화적인 자동차를 출시하기 위하여 빠르게 움직이고 있다. 그동안 개발된 환경 친화형 자동차로는 전기자동차, 천연가스자동차, 메탄올자동차, 하이브리드자동차 및 연료전지 자동차 등이 있으나 전기, 천연가스 및 메탄올 등의 대체에너지를 원료로 사용하는 자동차는 주행거리와 인프라 문제 때문에 실제 보급은 미미한 상태이다.²⁾ 이러한 이유로 인하여 유해 배출 가스를 저감하면서도 환경에 대한 규제에 대응할 수 있는 동시에 연비를 향상시킬 수 있는 하이브리드 전기자동차의 개발이 선진국을 중심으로 활발하게 진행되고 있다.

하이브리드 자동차는 전기에너지의 차량 구동에 대한 기여도 및 시스템 전압 등에 따라 마일드 하이브리드 자동차, 소프트 하이브리드 자동차, 하드 하이브리드 자동차 및 플러그 인 하이브리드 자동차로 구분되는데, 일본은 전기자동차 시대에 대한 빠른 대처로 인하여 앞선 기술력과 시장점유율 등을 바탕으로 하드 하이브리드 자동차를 중심으로 연구를 진행하고 있으며, 일본을 제외한 미국, 유럽, 중국 및 한국 등은 마일드 하이브리드 자동차를 주력으로 연구를 진행하고 있다.^1,3)

Fig. 1은 마일드 하이브리드 자동차의 구성도를 나타낸다. 이 구성도로부터 알 수 있듯이 마일드 하이브리드 자동차는 시스템 전압으로 48 V를 적용하고 있다. 이로 인한 효과로는 기존 12 V를 적용할 때와 비교하여, 에너지 용량 및 출력을 용이하게 높일 수 있다. 또한 와이어의 두께와 중량의 감소로 인한 시스템의 연비 개선 및 효율 증가의 효과도 얻을 수 있다. 하지만 모든 전장품을 48 V로 교체하는 데는 비용이 너무 많이 들기 때문에, 최근에는 기존 12 V 시스템과 48 V 시스템을 함께 활용하는 48 V-12 V dual system이 개발되고 있다. 48 V-12 V dual system은 크게 48 V 배터리, 양방향 DC-DC 컨버터, 12 V 배터리, 48V의 전장품 및 기존의 12 V의 전장품으로 구성된다.^1,2)

Fig. 1

Configuration of the mild hybrid car

본 논문은 48 V-12 V dual system의 핵심 요소 중 하나인 양방향 DC-DC 컨버터의 연구에 관한 것이다. 효율 및 부피를 고려하여 8-phase 비절연형 Interleaved Half-Bridge Topology를 적용한 2.5kW급 양방향 DC-DC 컨버터 시작품을 설계, 제작하였으며 이에 대한 실험을 수행하였다. 그 결과, 227.5(W) * 172(L) * 64.35(H)의 사이즈 달성, 그리고 승·강압 동작모드에서 각 94.04 %, 95.9 %의 최대 효율을 달성함으로써 제안한 회로의 유용성을 확인하였다.

2. 48 V-12 V 양방향 DC-DC 컨버터

Fig. 2는 48 V-12 V dual system의 기본구성도를 나타낸다. 이 구성도에 나타낸바와 같이 48 V-12 V dual system의 핵심 요소는 48 V 배터리와 12 V 배터리 사이에서 전력을 양방향으로 효율적으로 전달해 줄 수 있는 48 V-12 V 양방향 DC-DC 컨버터이다. 최근 양방향 DC-DC 컨버터는 중량, 크기, 가격 및 전력손실이 최소화 될 수 있는 다양한 Topology의 연구가 진행되고 있다. Topology에 따라 그에 적당한 입･출력 커패시터 및 인덕터 등의 수동소자 선정과 스위치 선정 등이 달라질 수 있으며, 이는 곧 시스템의 중량, 부피, 효율 및 안정성에 매우 큰 영향을 미친다.

Fig. 2

Basic configuration of 48V-12V dual system

3. Multi-phase 컨버터

마일드 하이브리드 자동차의 전력시스템과 같은 저전압 대전류의 시스템에서는 대부분 Interleaved 방식의 Multi-phase 컨버터가 사용되는데, 이는 효율개선 및 리플저감, 시스템 중량 및 부피 감소 등 하이브리드 자동차에서 요구하는 여러 가지 특성을 만족할 수 있기 때문이다. 특히, 입·출력 전류 리플이 감소하기 때문에 입･출력 커패시터의 크기 및 인덕터의 크기를 줄일 수 있어서, 전체 시스템의 중량 및 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 수동소자의 수명 및 신뢰성도 향상시킬 수 있다.^4-6)

3.1 Multi-phase 컨버터에서의 출력 리플전류

Fig. 3은 Multi-phase Interleaved Half-Bridge 컨버터를 나타낸다.

Fig. 3

Multi-phase non-isolated interleaved half-bridge bi-directional converter

이 컨버터는 N상으로 구성되어 있으며, 각 상마다 360°/N 만큼 위상지연을 가지고 스위칭하기 때문에 전류간 리플전류의 상쇄효과를 기대할 수 있다. 따라서 이로 인하여 입･출력 필터의 용량과 체적을 줄여 시스템의 크기를 줄일 수 있다.

그리고 커패시터 용량 감소의 효과로서 전해 커패시터 대신 크기가 작고 내압이 큰 필름 커패시터를 사용함에 따라 시스템의 수명 또한 증대된다. 각 상의 전류 크기 또한 N배 만큼 감소하므로 스위칭소자의 도통 손실 및 수동소자에서의 손실을 줄일 수 있다.^7-9)

N상 컨버터의 전류 리플 상쇄 계수 K_i는 식 (1)과 같이 정의된다.

$\[ K_i=\frac{∆I_L}{∆I_{LCH}}=\frac{N\bullet \left(D-\frac{a}{N}\right)\bullet \left(\frac{a+1}{N}-D\right)}{D\bullet \left(1-D\right)} \]$

(1)

여기서, N은 상의 수를 나타내고, a는 ND의 값을 초과하지 않는 최대 정수이다.

Fig. 4는 양방향 Multi-phase 비절연형 Interleaved Half-Bridge 컨버터에서의 듀티비의 변화에 대한 정규화 된 리플전류의 상쇄곡선을 나타낸다. 각 상의 인덕터 리플전류가 상쇄되고, 출력 리플의 주파수도 상의 수에 비례하여 높아지므로 출력 커패시턴스를 감소시킬 수 있다.⁹⁾

Fig. 4

Ripple cancellation factor as a function of the duty cycle for several number of phases4)

4. 제안하는 양방향 DC-DC 컨버터

Table 1은 제안한 양방향 DC-DC 컨버터의 설계사양이다. 본 논문에서는 Table 1의 설계 사양을 48 V-12 V dual system용 비절연형 Half-Bridge 양방향 DC-DC 컨버터의 설계에 적용하였다. 또한 저전압･대전류용이므로 고효율을 및 체적감소를 위해 상(Phase)수를 8-Phase로 정하고, Interleaved 기법을 적용하였다.

Table 1

Design specifications of bi-directional 8-phase nonisolated half-bridge converter

제안한 8상 양방향 DC-DC 컨버터는 Full load에서 83.3 %로 최대 듀티를 제한하고 있다. Fig. 4를 참고하면, 83.3 %의 듀티에서 8상으로 설계하면 3상, 5상보다 리플전류를 감쇄할 수 있으며, 각 상에 흐르는 전류 또한 더욱 분배되어 소형화 된 소자를 사용할 수 있기에 소형화에 유리하다.

Fig. 5는 제안한 양방향 8-Phase Interleaved 비절연형 Half-Bridge Converter의 회로도이다.

Fig. 5

The schematic of proposed bi-directional 8-phase interleaved non- isolated half-bridge converter

효율과 부피를 고려하여 최적의 상(Phase)수 및 L과 C값을 선정하기 위해 Fig. 6, Fig. 7과 같이 Psim Tool을 이용한 제안한 회로의 시뮬레이션을 승･강압모드에서 각 각 수행하였다. 시뮬레이션을 통하여 그 결과를 분석하고 최적화하였으며, 최적화 된 설계값을 이용하여 시작품을 제작하였다. 그리고 Fig. 8과 같이 Psim 시뮬레이션 파형과 실험결과 파형을 비교하여 제안한 회로를 검증하였다.

Fig. 6

Simulation of 8-phase bi-directional DC-DC converter in Step-up mode using Psim Tool

Fig. 7

Simulation of 8-phase bi-directional DC-DC converter in Step-down mode using Psim Tool

Fig. 8은 제안한 컨버터가 승압모드일 때, 시뮬레이션 결과파형(a) 및 실험 결과파형(b)을 나타낸다. 위로부터 게이트 전압(Vgs), 드레인 전압(Vds), 출력전압, 입력전압을 나타낸다. Psim 시뮬레이션 파형과 실험파형을 비교한 결과, 거의 동일함을 확인하였다.

Fig. 8

Comparison of simulation result wavefoem using Psim Tool and experiment result waveform of 8-phase bi-directional DC-DC converter in Step-up mode

5. 실험결과

제안한 컨버터의 타당성을 입증하기 위해 2.5 kW급 8-Phase 양방향 DC-DC 컨버터의 시작품을 제작하였다. Fig. 9는 8-Phase 양방향 DC-DC 컨버터의 시작품의 사진이다.

Fig. 9

8-Phase bi-directional DC-DC Converter Prototype Photograph

Fig. 10은 제안한 컨버터가 강압모드로 동작 할 때의 실험 파형이다. 위로부터 입력전압, 출력전압, 스위칭 파형(Vds)을 나타낸다. 초기전압을 12 V를 설정하였으며, 전제 동작은 소프트 스타트가 동작하여 최대 전류 지령치로 상승할 때, 12 V 배터리의 전압이 12 V ~ 14 V 범위에서는 CC(Constant Current)모드로 동작하고, 14 V ~ 16 V 범위에서는 CP(Constant Power)모드, 16 V ~ 16.5 V에서는 Derating 모드로 동작하며, 16.5 V에서는 동작을 종료한다. 강압 모드시 측정효율은 Fig. 11과 같으며, 최대 효율은 95.9 %이다.

Fig. 10

The operation waveform of 8-Phase bi-directional DC-DC Converter in Step-down mode

Fig. 11

The measurement efficiency of 8-Phase bi-directional DC-DC converter in step-down mode

Fig. 12는 승압 모드로 동작할 때 실험파형이다. 위로부터 입력전압, 출력전압, 스위칭 파형(Vds)을 나타낸다. 초기에는 소프트 스타트가 동작하여 최대 전류 지령치로 상승하고, 48 V 배터리의 전압이 24 V ~ 48 V 범위에서는 CC 모드, 52 V ~ 54 V 범위에서는 CP모드, 54 V ~ 60 V에서는 Derating 모드로 동작하며 60 V에서는 동작을 종료한다. 승압모드시 측정효율은 Fig. 13과 같으며, 최대 효율은 94.04 %이다.

Fig. 12

The operation waveform of 8-Phase bi-directional DC-DC Converter in Step-up mode

Fig. 13

The measurement efficiency of 8-Phase bi-directional DC-DC converter in step-up mode

그리고 제안한 마일드 하이브리드 전기차량용 2.5 kW급 8상 양방향 컨버터에 적용한 Analog IC(Intersil社의 ISL78220)는 각 상마다 시스템의 신뢰성을 높이는 과전류 제어회로를 내장하고 있다. Fig. 14는 출력단에 과전류가 감지 될 경우에 대한 OCP동작시 실험파형을 나타내고 있다. 각 상에서 과전류가 감지되면, OC, UV, OV, OT의 상태를 감지하는 POWER GOOD MONITOR 전압이 0 V가 되며, 시스템의 동작을 중단한다.

Fig. 14

OCP operation test waveform of 8-Phase bi-directional DC-DC converter

6. 결 론

본 논문에서는 마일드 하이브리드 전기자동차용 48 V-12 V dual System의 2.5 kW급 8-Phase 양방향 DC-DC 컨버터에 관하여 연구하였다. 높은 가격경쟁력과 우수한 성능 및 소형화된 양방향 DC-DC 컨버터를 제안하였으며, 실험을 통하여 제안한 컨버터의 타당성을 입증하였다. 제안한 8-Phase 양방향 컨버터는 제어부의 설계가 복잡하지만 기존시스템과 비교하여 227.5(W)*172(L)*64.35(H)의 소형화를 달성하였으며, 실험을 통하여 제안한 컨버터의 정상동작 및 과도상태의 동작을 확인하였으며, 승･강압모드에서 각 94.04 %, 95.9 %의 높은 효율을 얻을 수 있었다.

후 기

본 과제(결과물)는 교육부의 재원으로 지원을 받아 수행된 산학협력 선도대학(LINC) 육성사업의 연구결과입니다.

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