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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 강필순
- 발행연도
- 2013
- 저작권
- 한밭대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
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최근 환경문제와 신재생 에너지가 이슈화가 되는 가운데 자동차분야는 기존의 화석에너지를 전기에너지로 대체한 전기자동차 개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 기존 연료 자동차의 화석에너지에서 발생하는 환경문제가 없고, 기존의 화석연료보다 저렴한 비용으로 유지가 가능하다.
근래의 전기자동차 MCU 관련 개발 트렌드는 낮은 배터리 전압과 높은 모터 구동 전압이다. 배터리로부터 공급되는 입력전압을 낮게 선정함으로써 배터리 셀의 적층 수를 작게 구성할 수 있어 전기적 안정성과 구조적 신뢰성을 확보할 수 있으며, 추진용 모터의 전압 사양을 높게 설계함으로써 동손에 의한 손실을 최소화하고 권선의 사용 및 방열구조를 최적화하기에 유리하기 때문이다. 또한 전기자동차 MCU는 전기자동차 구동용 배터리와 모터 구동을 위한 인버터의 사이에 위치하게 된다. 이러한 MCU는 양방향 DC-to-DC 컨버터이며 직류 링크 전압을 제어함과 동시에 전기자동차 기동 시 배터리를 방전시켜 모터도 전력을 전달하는 부스트 동작과 모터의 회생 에너지를 배터리로 충적하는 벅 동작도 수행한다. 따라서 낮은 배터리 전압으로부터 높은 모터 구동 전압을 공급을 하며 모터의 회생에너지를 이용하여 배터리를 충전을 시킬 수 있는 DC-to-DC 컨버터 개발이 여러 자동차회사에서 연구가 진행되고 실제 자동차에 적용되고 있다.
하지만 양방향 DC-to-DC 컨버터의 부스트 동작 시, 일정 출력전압의 유지를 위하여 사용되는 출력 커패시터의 양단에 인가되는 전압이 상승하게 되어 높은 동작전압(Working voltage)을 갖는 커패시터가 필요하게 된다. 또한 벅 동작 시, 출력 커패시터는 배터리 충전을 위해 입력되는 전압원의 앞단에 위치하게 되어 항상 입력전압원의 크기만큼 양단에 전압이 걸리게 된다. 이는 시스템의 단가 상승의 직접적인 원인이 된다.
본 논문에서는 기존의 양방향 DC-to-DC 컨버터에서 출력 커패시터의 위치 변화를 통하여 출력 커패시터의 내압 저감이 가능한 전기자동차 MCU용 양방향 DC-to-DC 컨버터를 제안한다. 제안된 컨버터는 기존의 양방향 DC-to-DC 컨버터가 갖는 특징을 가지며, 출력 커패시터의 동작전압을 감소시키는 장점이 있다.
제안된 방식의 타당성 검증을 위해 부스트 동작과 벅 동작에 대하여MATLAB을 이용한 수식적인 해석, PSpice와 PSIM을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션과 실험 결과를 토대로 기존 MCU용 부스트 컨버터와 비교·분석함으로써 전기자동차 MCU용 양방향 DC_to-DC 컨버터로서의 타당성을 검증한다.
근래의 전기자동차 MCU 관련 개발 트렌드는 낮은 배터리 전압과 높은 모터 구동 전압이다. 배터리로부터 공급되는 입력전압을 낮게 선정함으로써 배터리 셀의 적층 수를 작게 구성할 수 있어 전기적 안정성과 구조적 신뢰성을 확보할 수 있으며, 추진용 모터의 전압 사양을 높게 설계함으로써 동손에 의한 손실을 최소화하고 권선의 사용 및 방열구조를 최적화하기에 유리하기 때문이다. 또한 전기자동차 MCU는 전기자동차 구동용 배터리와 모터 구동을 위한 인버터의 사이에 위치하게 된다. 이러한 MCU는 양방향 DC-to-DC 컨버터이며 직류 링크 전압을 제어함과 동시에 전기자동차 기동 시 배터리를 방전시켜 모터도 전력을 전달하는 부스트 동작과 모터의 회생 에너지를 배터리로 충적하는 벅 동작도 수행한다. 따라서 낮은 배터리 전압으로부터 높은 모터 구동 전압을 공급을 하며 모터의 회생에너지를 이용하여 배터리를 충전을 시킬 수 있는 DC-to-DC 컨버터 개발이 여러 자동차회사에서 연구가 진행되고 실제 자동차에 적용되고 있다.
하지만 양방향 DC-to-DC 컨버터의 부스트 동작 시, 일정 출력전압의 유지를 위하여 사용되는 출력 커패시터의 양단에 인가되는 전압이 상승하게 되어 높은 동작전압(Working voltage)을 갖는 커패시터가 필요하게 된다. 또한 벅 동작 시, 출력 커패시터는 배터리 충전을 위해 입력되는 전압원의 앞단에 위치하게 되어 항상 입력전압원의 크기만큼 양단에 전압이 걸리게 된다. 이는 시스템의 단가 상승의 직접적인 원인이 된다.
본 논문에서는 기존의 양방향 DC-to-DC 컨버터에서 출력 커패시터의 위치 변화를 통하여 출력 커패시터의 내압 저감이 가능한 전기자동차 MCU용 양방향 DC-to-DC 컨버터를 제안한다. 제안된 컨버터는 기존의 양방향 DC-to-DC 컨버터가 갖는 특징을 가지며, 출력 커패시터의 동작전압을 감소시키는 장점이 있다.
제안된 방식의 타당성 검증을 위해 부스트 동작과 벅 동작에 대하여MATLAB을 이용한 수식적인 해석, PSpice와 PSIM을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션과 실험 결과를 토대로 기존 MCU용 부스트 컨버터와 비교·분석함으로써 전기자동차 MCU용 양방향 DC_to-DC 컨버터로서의 타당성을 검증한다.
목차
Ⅰ. 서 론 1Ⅱ. 양방향 DC-to-DC 컨버터 32.1 부스트 모드(Boost mode) 42.1.1 스위치 Mode1 ： Q=ON 52.1.2 스위치 Mode2 ： Q=OFF 72.1.3 입력전압과 출력전압의 관계 92.2 벅 모드(Buck mode) 102.2.1 스위치 Mode1 : D=ON 112.2.2 스위치 Mode2 : D=OFF 132.2.3 입력전압과 출력전압의 관계 15Ⅲ. 본 론 163.1 제안하는 양방향 DC-to-DC 컨버터 173.2 제안하는 컨버터의 부스트 동작 193.2.1 Mode1 : Q=ON 193.2.2 Mode2 : Q=OFF 213.2.3 부스트 동작에 대한 입력과 출력의 관계 233.3 제안하는 컨버터의 벅 동작 253.3.1 Mode1 : D=ON 253.3.2 Mode2 : D=OFF 273.3.3 벅 동작에 대한 입력과 출력의 관계 283.4 출력 커패시터의 동작 전압 30Ⅳ. 시뮬레이션 284.1 제안하는 컨버터의 부스트 동작 시뮬레이션 284.1.1 시뮬레이션 조건 324.1.2 시뮬레이션 결과 비교 344.1.3 출력 커패시터의 비교 374.2 제안하는 컨버터의 벅 컨버터 동작 시뮬레이션 404.2.1 시뮬레이션 조건 404.2.2 시뮬레이션 결과 42Ⅴ. 실험 및 고찰 445.1 제안된 컨버터의 실험 구성 445.1.1 DC 입력 전원 445.1.2 충전용 배터리 465.1.3 DC-to-DC 컨버터 475.1.4 PWM 파형 출력 495.2 제안된 컨버터의 부스트 동작 실험 505.2.1 부스트 동작 파형 525.2.2 부스트 동작의 출력결과 비교 555.2.3 부스트 동작 시 출력 커패시터 실험결과 비교 575.3 제안된 컨버터의 벅 컨버터 동작 실험 605.3.1 실험결과 61Ⅵ. 결론 63Ⅶ. 참고문헌 65ABSTRACT 68APPENDIX 701. DC-to-DC Converter PCB Schematic 70
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