The Korean Society Of Automotive Engineers

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Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 25 , No. 1

[ Article ]
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 25, No. 1, pp.82-91
Abbreviation: KSAE
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 Jan 2017
Received 23 Jun 2016 Revised 05 Dec 2016 Accepted 07 Dec 2016
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2017.25.1.082

마일드 하이브리드 전기 차량용 2.5kW급 8상 양방향 컨버터에 관한 연구
임재우1) ; 김희준*, 1) ; 최준삼2)
1)한양대학교 전자시스템공학과
2)서연전자 선행연구팀

Research on a 2.5kW 8-Phase Bi-directional Converter for Mild Hybrid Electric Vehicles
Jae-Woo Lim1) ; Hee-Jun Kim*, 1) ; Jun-Sam Choi2)
1)Department of Electronic Systems Engineering, Hanyang University, Gyeonggi 15588, Korea
2)R&D Center, Seoyon Electronics Co., Ltd., 41-22 Burim-ro, 170beon-gil, Dongan-gu, Anyang-si, Gyeonggi 14055, Korea
Correspondence to : * E-mail: hjkim@hanyang.ac.kr


Copyright Ⓒ 2017 KSAE
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Abstract

This paper is a study on the bi-directional DC-DC converter, one of the key elements of 48V-12V dual systems in mild hybrid electric vehicles. Mild hybrid electric vehicles require a bi-directional DC-DC converter that can efficiently transmit power in two directions between a 48V battery and a 12V battery. To develop a bi-directional DC-DC converter with better price competitiveness, upgraded fuel economy, excellent performance and smaller size, this study designed, produced and presented a circuit that improved on the existing one. In the proposed 8-phase bi-directional DC-DC converter, the size of the passive element was reduced through the 8-phase interleaved topology, whereas downscaling had previously posed a difficulty. This study also designed and produced a 2.5kW class prototype. Based on the proposed 8-phase interleaved topology, a size of 227.5 (W) * 172 (L) * 64.35 (H) was achieved. In the boost mode operation and buck operation modes, the maximum efficiency was recorded at 94.04 % and 95.78 %, respectively.


Keywords: Mild hybrid vehicle, Bi-directional DC-DC converter, Multi-phase, 48V-12V Dual system, Output current ripple
키워드: 마일드 하이브리드 자동차, 양방향 DC-DC컨버터, 다상, 48V-12V 듀얼 시스템, 출력 전류 리플

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 Ki식 (1)과 같이 정의된다.

Ki=ILILCH=ND-aNa+1N-DD1-D(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)

3.2 Multi-phase 컨버터에서의 인덕터와 커패시터 용량 산정

Multi-Phase 컨버터에서 각 상의 인덕터 전류가 연속이 되기 위한 인덕터의 최소값은 강압모드와 승압모드에서 각 식 (2), 식 (3)과 같이 구할 수 있다.

Lmin=VOUTVIN-VOUTfswILVIN 강압 모드(2) 
Lmin=VINVOUT-VINfswILVOUT 승압 모드(3) 

위 식에서 △IL은 인덕터 전류리플을 의미하며, 일반적으로 출력 전류의 20 % ~ 40 %의 범위에서 결정한다. 실제 인덕턴스 값의 선정에 있어서는 식 (2)식 (3)의 값을 고려하고 여유계수 1.2 이상을 확보하여 선정한다.5,7)

Multi-phase 컨버터에서 출력전류는 각 상에 흐르는 전류가 중첩되어 출력커패시터와 부하로 흐르므로 각 상의 전류와 리플전압으로부터 강압 및 승압모드에서 각 출력커패시터에 최소값을 구하면 식 (4)식 (5)와 같다.

Cmin=1-Dmin8Lfsw2×VOUTVOUT강압 모드(4) 
Cmin=DminRminfsw×VOUTVOUT승압모드(5) 

강압모드에서는 출력 커패시터의 최소값은 부하와 관계없이 결정되며, 리플전류가 최소로 저감될 때를 고려하여 식 (4)에서 구한 커패시턴스의 최소값에 여유계수 1.5 ~ 2 이상을 확보하여 설계하여야 한다. 승압모드에서는 출력 커패시터의 최소값은 부하에 영향을 받는다. 즉 부하 저항값이 최소일 때를 고려하여 식 (5)에서 구한 커패시턴스의 최소값에 여유계수 1.5 ~ 2 이상을 확보하여 설계하여야 한다.8-12)


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
Item Unit Specifications Note
Input Voltage V Buck : DC 24~60, Boost: DC 9~16
Output voltage V Buck : DC 6~16, Boost: DC 24~60
Rated output power kW 2.5 Max
3kW
Phase 8
Switching frequency kHz 100
Max efficiency % Buck : 95.9
Boost : 94.04
Cooling method Air cooling
I/O Interface CAN

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.


Nomenclature
V : voltage, V
I : current, A
L : inductance, L
C : capacitance, C
F : frequency, f
D : duty ratio, D
N : the number of phases, N
Ki : ripple cancellation factor
△IL : total Inductor current
△ILCH : inductor current of phase

후 기

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


References
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