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[오토저널] 친환경차량용 인버터시스템 기술 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2018-02-27 07:28:48

본문

인버터 시스템은 주행에 필요한 전력으로 변환시켜 전기모터를 구동시킬 수 있는 전력변환장치이다. 본 고에서는 친환경 차량시장 경쟁력 확보에 중요한 평가 기준이 되는 인버터 출력밀도 및 연비향상 방안에 대해서 자세히 다루고자 한다.

 

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●플러그인 하이브리드 자동차의 TMED 시스템

아이오닉 하이브리드 자동차에 적용된 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 시스템의 구조는 <그림 1>과 같다. TMED 시스템은 1개의 HPCU(Hybrid Power Control Unit)와 2개의 모터로 구성되어 있다. HPCU는 차량의 구동력을 발생하는 구동모터와 초기 엔진 구동 및 배터리 충전을 위한 HSG 모터의 제어를 담당한다.

 

●HPCU(Hybrid Power Control Unit)
하이브리드 적용되는 통합제어기로 인버터/LDC/차량제어기 등으로 구성되어 모터를 구동하고 12V 배터리를 충전하는 역할을 하는 핵심 장치이다.

 

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●배터리의 DC 전원을 모터 구동을 위한 AC 전원으로 변경 시켜주는 인버터
친환경 차량은 전기모터를 원하는 토크와 속도로 구동하기 위해 자동차에 탑재된 고전압 배터리의 직류전원을 다양한 주파수와 크기를 갖는 교류전원으로 변환시킬 수 있는 인버터가 필요하다.

 

기본 동작원리는 고전압 배터리로부터 받은 DC전원을 고속 스위칭을 통해 3상 AC 전원(U, V, W)으로 변환시킨다. 상위 제어기에서 입력 받은 신호대로 3상 AC 전원을 제어함으로써 구동 모터를 원하는 속도와 토크로 구동시킬 수 있다.

 

가속 시에는 고전압 배터리에서 구동 모터로 에너지를 공급하고, 감속 시에는 구동 모터에서 발생한 에너지를 다시 고전압 배터리로 회수함으로써 전기모드 사용구간 증가로 연비를 향상시킬 수 있다.

 

●인버터 구성 요소
<그림 4>에 나타난 바와 같이 인버터는 여러 부품을 포함하고 있다. DC 캐퍼시터는 고전압 배터리로부터 일시적으로 에너지를 저장함과 함께 인버터 동작구간 전압 안정화를 구현시킬 수 있으며, 파워모듈은 캐퍼시터를 통해서 받은 에너지를 3상 버스바를 통해서 모터로 전달시켜 DC 에너지를 AC 에너지로 변환시켜 줄 수 있는 중요 역할을 수행한다.

 

이때, 구동 전류량은 전류센서를 통해서 측정할 수 있고, 제어보드는 모터를 제어하며 과전압/과전류 및 과온으로부터 인버터를 보호할 수 있다.

 

●HPCU 사이즈 축소를 통한 출력밀도 향상 방안
친환경 차량용 인버터는 자동차라는 한정된 공간특성을 고려하여 높은 Power Density를 가질 것이 요구된다. SONATA/K5의 경우는 HPCU의 출력밀도 향상을 위해서 각각의 제어기를 하나로 통합시킨 통합 제어보드를 적용하여 17.7kVA/liter를 달성하였다.

 

HPCU 사이즈를 결정하는 가장 중요한 부품은 파워모듈로써 발열량 관리를 위해 냉각시스템과 전체적으로 접촉되어야 하기에 HPCU의 가로길이를 축소하는데 있어서 제한 요소였는데, IONIQ/NIRO에서는 보다 더 Compact한 파워모듈을 적용하여 출력밀도를 12% 추가 향상시킬 수 있었다.

 

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•통합 제어보드 개발 현황
통합 제어기를 구성하는 제어기는 <그림 6>과 같이 구성된다. MCU(인버터) 부분은 모터 제어를 위한 전류/위치센싱 정보를 기반으로 파워모듈 구동을 위한 PWM 신호를 출력함으로써 모터를 제어한다. 또한 각종 센서 및 고장을 검출하는 보호/진단 회로를 구성하고 있다.

 

SMPS(전원부)는 차량의 12V B+전원을 받아 제어기 구동, 센서 및 기타 구동 전원을 제공하는 회로로 구성되며, LDC는 고전압 배터리 전압을 차량 전장 부하 공급 및 보조 배터리 충전에 필요한 12V 전압으로 변환하는 변환 장치를 제어하는 아날로그 제어기를 구성하고 있다. HCU는 하이브리드 차량 상위 제어기로서 EMS/TCU와 차량 협조 제어 및 동력 분배 제어를 담당하는 제어기이다.

 

기존에는 독립적으로 구성된 각 각의 제어기들을 <그림 6>과 같이 통합 제어기로 개발함으로써 HPCU 상에서 차지하는 면적을 최적화시킬 수 있었다.

 

•인버터 파워모듈 개발 방향
인버터는 구성부품 중에서 핵심부품은 반도체 소자(IGBT&diode)로 구성되어 있는 파워모듈이다. 이는 차량 내에서 고전압 배터리로부터 받은 DC 에너지를 AC 에너지를 바꾸어 주어 모터를 구동시키는 역할 및 역방향으로 다시 배터리를 충전하는 역할을 수행한다. 소형화 및 경량화와 함께 고출력화 기술발전이 요구되는 친환경 차량 시장경제에 대응하기 위해서 파워모듈 또한 사이즈 축소와 더불어 출력상향을 위한 기술발전이 활발하게 이루어지고 있다. 기존에는 단면냉각 구조에서 보다 더 Compact한 파워모듈 적용을 통해 출력밀도를 향상시킨데 반하여 향후에는 양면냉각 시스템을 적용하여 냉각성능을 극대화시킬 수 있어서 반도체 칩 사이즈 저감으로 단가하락 및 출력밀도 추가 향상이 가능하다.

 

또한, 발열량 자체를 저감하기 위해서는 고효율의 칩 개발을 통해 파워손실을 저감시키는 개발방안도 진행중이다. 현재 Si 기반의 IGBT 소자는 이론치 한계에 근접하였기에 차세대 소자인 SiC를 통한 기술개발이 활발하게 연구되고 있다. 장점으로는 손실을 저감시켜 효율 개선이 가능하고, 스위칭 주파수 상향을 통한 수동소자 사이즈 저감 및 NVH 개선 가능하다.

 

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●모터-인버터 시스템을 통한 연비 개선
<그림 9>는 TMED 시스템에서의 인버터와 모터의 전기적 회로 구성을 나타낸다. 모터 구동용 인버터는 PWM(Pulse Width Modulation)제어를 이용하여 직류를 교류로 변환하는 장치로써, 모터에 교류 전류를 인가하여 모터 속도 및 토크를 제어한다. 모터-인버터 시스템을 통해 차량 연비를 개선하기 위해서는 시스템의 효율을 높여야 하며, 효율을 높이기 위해서는 동일 출력 당 시스템 손실을 줄여야 한다. 모터-인버터 시스템에서의 주요 손실로는 스위칭 손실과 도통 손실이 있는데, 전자는 스위칭 소자의 ON/OFF 동작에 의해 발생하고, 후자는 모터 전류에 의해 발생한다. 따라서 동일 출력 당 스위칭 소자가 동작을 덜 할수록, 전류의 크기가 작을수록 시스템 효율이 좋아진다.

 

본 고에서는 TMED 시스템에 적용된 두 가지 연비 개선용 모터-인버터 시스템 구동 기법에 대해 소개한다. 각 방식은 추가적인 하드웨어 변경 없이 구동 기법 개선만으로 시스템 효율을 향상시킨 사례로 그 효용성이 입증되었다.

 

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•스위칭 패턴 절환을 통한 연비 개선
첫 번째 사례는 구간 별 스위칭 주파수 스탭 절환 기술이다. 앞서 언급한 바와 같이 스위칭 소자의 On/Off 빈도가 낮을수록(스위칭 주파수(Fsw)가 낮을수록) 효율이 좋아진다. 하지만 소음이나 제어성 등의 문제로 인해 높은 Fsw를 요구 받는 구간이 있으므로, 구간에 따라 전략적으로 Fsw를 선정하여 손실을 줄여야 한다.

 

<그림 10>과 <그림 11>에는 Fsw를 4kHz에서 8kHz으로 스텝 절환하는 패턴을 보여준다. 그림에 명시된 스위칭 변경 구간에서는 소음 등의 조건 만족을 위해 Fsw를 8kHz로 하고, 그 외의 구간에선 4kHz를 채택하며 전체 운전 연비를 향상 시킬 수 있다. 그 결과 8kHz 고정 Fsw 대비 약 0.5%의 연비 개선 효과를 확인할 수 있었다. 이 방법에서는 순간적인 절환 시점에도 전류 제어성을 잘 유지할 수 있는 기술이 중요하다.

 

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•모터 제어를 통한 연비 개선 : 자속 기반 알고리즘
모터 구동 시에는 인버터의 전압 및 전류제한 범위 내에서 단위 전류당 최대 토크를 출력하는 것이 효율적이다. 전압 및 전류의 제약 사항이 없는 경우엔 단위 전류 당 최대 토크 곡선을 추종하면 되지만, 전압 제한이 존재하는 경우 제한 내에서 가장 효율적인 운전점을 추종하는 것이 중요하다. 이때 전류 지령맵에 직류단 전압 Vdc에 관한 정보가 포함되어야 정확한 전압제한을 판단할 수 있는데, 기존 전류 지령맵<그림. 12(a)>은 Vdc 정보가 포함되지 않아 최적 운전이 어렵다. 또한 Vdc를 축에 추가하더라도 맵 추출, 메모리 한계 등의 문제점이 있다.

 

반면, 제안된 전류 지령맵<그림. 12(b)>에서는 속도 및 Vdc를 모두 내포하는 자속을 도입하여 조건 변화에 효과적인 제어 방식을 도입했다. 자속은 MI(Modulation Index) 제어 로직에 의해 현 동작점에 최적화될 수 있으며, 이를 통해 속도 및 Vdc 변화에 유연히 대처할 수 있다. 맵 또한 토크 및 자속 축으로 추출되므로 간소화할 수 있다. 이러한 자속 기반 맵으로 동일 토크 당 전류를 줄일 수 있는 효율적인 운전이 가능하며, 줄어든 도통 손실로 인해 시스템 효율이 약 2% 향상됨을 확인했다.

 

글 / 김성규 (현대자동차)
출처 / 오토저널 17년 10월호 (http://www.ksae.org) 

 

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