듀얼 인버터를 이용한 전기자동차의 2차측 배터리 충전 방법

Abstract

This thesis describes a battery charging method for dual inverter systemwith an open-end winding permanent magnet synchronous motor (PMSM)and two isolated dc voltage sources. In EV applications, requirements of theEV propulsion motor are high starting torque and wide operating ranges. Itmeans that the EV propulsion motor is needed to increase the power density.However, high-speed operation of PMSMs requires a high dc link voltage, as theback electromotive force (EMF) grows linearly with the motor speed. A dualinverterwith an open-end winding motor configuration is an attractive methodto supply a higher voltage to a motor for EV applications. In this work, Atopology utilizing two isolated dc sources is considered to reap the advantagesof reliability and high voltage. Although this design may require two batterychargers which is the disadvantage in EV applications, in this study, the useof only one charger to a main battery was considered. The central issue is tocharge the secondary battery from the main battery via the motor, whether itis at a standstill or running. The inverter voltage margin remaining after motortorque production determines the charging capacity. The unity-power-factoroperation is shown to be useful to maximize the charging power. Simulationsand experiments are presented that show the validity of the proposed scheme.

최근 전기자동차 및 하이브리드 자동차 분야에 적용되는 구동 모터의 요구조건은 고효율, 고출력 밀도이다. 이는 차량의 구동 시스템의 효율 증가 및무게 감소를 도모하여 차량의 단일 충전 시 주행거리를 증가시키기 위함이다.따라서, 모터가 높은 출력 밀도를 갖기 위해서는 정지 및 저속 영역에서 높은토크를 가져야 하고, 또한 고속 운전도 가능해야 한다. 하지만 전기자동차용구동 모터로 주로 사용되는 영구자석 동기 모터는 속도가 증가함에 따라모터의 역기전력(Back Electromotive Force, Back EMF)도 선형적으로 증가하기때문에, 고속 운전 시 인버터는 전압 제한을 받게 되어. 이를 억제하기 위한약계자 제어가 사용하게 된다. 약계자 제어란 고속 운전에서 인버터의 제어전류를 토크를 만들기 위한 성분은 감소시키고, 역기전력을 억제하기 위한 d상전류를 증가시켜 인버터의 전압 제한을 확보하는 방법이다. 따라서, 약계자제어를 사용하게 되면 고속에서의 토크는 감소하게 된다. 이러한 문제점을해결하기 위한 간단한 방법으로 모터에 공급되는 전원을 고전압으로 구성하여사용하면 되지만, 실제 전기자동차 시스템에서 고전압 배터리를 적용하는 것은배터리 시스템의 효율 및 안전성 측면에서 선호되지 않는다.이러한 관점에서 보았을 때 듀얼 인버터(Dual-inverter)를 이용한 오픈형고정자 권선 모터(open-end winding motor) 제어 구조는 배터리 전압을 높이지않고 전기자동차의 시스템 전압을 높일 수 있는 방법 중 하나이다. 비록 분리된두 개의 DC 전원요구 사용하여야 하지만, 이는 하나의 고전압 전원을 사용하는시스템보다 배터리 효율 및 관리 측면에서 보았을 때 보다 효과적이고 안전한장점이 있다. 또한, 이러한 듀얼 인버터 구조는 저전압의 배터리를 가지고고전압 시스템을 구축하는 장점과 더불어 제어 시스템의 신뢰성도 향상 시킬수 있는 장점이 있다. 하지만, 이 구조는 앞에서 언급한 바와 같이 두 개의배터리를 사용함으로 인해 각 배터리를 충전하기 위한 충전 시스템이 요구되는단점이 있다. 이는 전기자동차 시스템에 있어서 차량의 무게 상승 및 비용 증가,사용자의 불편을 초래하게 된다. 따라서, 듀얼 인버터 시스템을 전기자동차에적용하는데 있어서 문제가 되는 단점을 극복하기 위하여, 본 학위논문에서는기존의 전기 자동차 시스템과 동일한 조건의 배터리 충전 시스템을 갖는, 즉하나의 배터리 충전장치를 사용한 듀얼 인버터 시스템을 제어하는 방법을제안하였다. 제안된 제어 방법은 단일 충전기가 주 전원장치(Main Battery)에연결되었을 때 충전기가 연결되지 않은 2차측 배터리를 충전하기 위한 방법에초점을 맞추어 연구하였고, 모터의 운전 조건에 따라 모터 정지 시 또는 모터가구동 중일 때 1차측 전원 부에서 모터를 거쳐 2차측 전원으로 최대 전력을이송할 수 있는 제어 방법을 제안하였다. 더불어 제안한 방법의 유효성을증명하기 위하여 다양한 시뮬레이션 및 실제 전기 자동차 모터에 적용 실험이수행되었다.