송왕근
(Wang-Keun Song)
†iD
최용훈
(Yong-Hoon Choi)
1iD
-
(Division of Robotics, Kwangwoon University, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Electric Vehicles, Electric Ships, Electric Propulsion System, Voltage Fluctuation, Power Conversion Devices
1. 서 론
선박 및 자동차의 추진동력장치에 있어 친환경·고효율에 관한 수요는 종전의 내연기관(Combustion engine) 기반의 추진동력장치에서 전기기반의
추진동력장치로의 변화를 이끌어 내었으며, 전기추진동력장치 수요는 지속적으로 커지고 있는 실정이다. 1997년부터 자동차의 추진동력장치에서는 전동기와
기존 내연기관이 결합된 하이브리드 전기추진동력장치가 도입되었고, 근래에 들어서는 순수 전기자동차의 보급 수량도 상당히 많이 증가되고 있는 추세에 있다(1)(2). 선박용 추진동력장치에서도 전동기와 기존 내연기관이 결합된 하이브리드 선박이 도입되어 왔으며, 근래에 순수 전기추진방식의 선박도 조명되고 있는 실정이다(3).
그림 1과 그림 2는 각각 전기선박과 전기자동차의 전기추진동력장치와 제어전원 및 보조장치 전원공급용 전력변환장치의 구성도이다.
그림. 1. A Schematic diagram of electric propulsion system of electric ship
그림. 2. A Schematic diagram of electric propulsion system of electric vehicles
전기자동차나 전기선박은 주전원공급장치의 구성에 따라 수소 전기자동차/전기선박, 하이브리드 전기자동차/전기선박 및 순수 전기자동차/전기선박로 분류할
수 있다. 제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치들은 전기추진동력장치와 함께 주전원공급장치에 연결되는 경우가 대부분이다. 주전원공급장치로부터
전기를 공급받아 전기추진동력장치는 추진전동기 제어를 통해서 전기자동차 및 전기선박을 움직이게 되는데, 이 때 전기추진동력장치에서 사용하는 전력이 제어전원
및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치보다 수십~수백배 크기 때문에 전기추진동력장치의 가·감속 운용조건에 따라 주전원공급장치의 전압은 변동하게
된다. 따라서, 전기추진동력장치의 운용조건에 따라 변동하는 주전원공급장치의 전압은 리플형태로 빠르고 작은값으로 변화 할 수도 있고, 서서히 방전함에
따라 느리게 큰 값으로 전압 강하가 발생할 수도 있다. 주전원공급장치의 사용 또는 허용 전압 범위 내에서는 제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용
전력변환장치는 안정적인 출력, 즉 전압을 만들어 내야 한다.
그림 3과 그림 4는 리튬이온배터리 및 수소연료전지에 사용되는 셀 전압특성 곡선이다. 리튬이온배터리는 방전이 진행됨에 따라서 셀 전압이 낮아지는 현상을 보여주고 있으며,
이와 동일하게 연료전지 역시 전류사용량이 많아지면서 전류밀도가 커지면 셀 전압이 낮아지는 특성을 보여준다. 이러한 리튬이온배터리 및 수소연료전지의
전압특성에 기인하여 주전원공급장치로 주로 사용되는 리튬이온배터리 및 수소연료전지는 전압변동특성을 가지게 된다.
그림. 3. Discharge characteristics of lithium-Ion batteries
그림. 4. Hydraulic characteristics of hydrogen fuel cells
주전원공급장치로 구성되는 리튬이온배터리나 수소연료전지의 전압은 전류 사용량에 따라 전압이 변하는 것을 알 수 있으며, 전기선박 및 전기자동차의 운용조건에
따라 매 순간 전압이 달라진다는 것이다.
본 논문에서는 배터리기반 주전원공급장치를 탑탑재한 전기추진선박의 가장 가혹한 운전조건인 선박의 긴급가속후 긴급정지 시 주전원공급장치(배터리)의 전압변동조건이
고려된 제어전원 및 보조전원용 전력변환장치의 시험평가 및 분석 결과를 다루고자 한다. 전기추진선박의 주전원공급장치인 배터리의 전압은 긴급가속시 서서히
전압이 낮아지면서 선박은 가속하게 된다. 이때 긴급가속후 긴급정지나 긴급후진시에는 주전원공급장치인 배터리의 전압은 매우 짧은 순간에 전압이 급상승했다가
다시 프로펠러가 역회전하면서 전압이 다시 낮아지는 가혹한 전압변동특성을 가지게 된다. DC/AC 인버터를 전기선박의 운동특성을 고려한 전압변동에 노출시키는
시혐평가방법 및 그 분석 내용을 소개하고자 한다.
또한, 최근 60~100kWh의 배터리를 탑재한 전기자동차에 대한 유사한 시험평가 방법이 소개 및 연구되어 시험평가 규격까지 제정되었다(4), 전기자동차와 유사한 전기추진시스템으로 구성되어 있는 전기선박은 추진용량이 전기자동차보다 훨씬 크기 때문에 전기자동차보다 더 큰 용량의 배터리를
선박에 탑재한다. 따라서 수십 kWh급의 배터리를 탑재한 종전 전기자동차의 시험평가 규격에 제시된 전압변동률 값보다 수 MWh급의 배터리를 탑재한
전기선박 주전원공급장치의 전압변동률이 차이를 비교하고자 한다.
2. 본 론
2.1 시험평가 조건
전기추진동력장치인 추진용 전동기 및 인버터가 주전원공급장치인 배터리 또는 수소연료전지의 저장된 에너지를 소비할 때, 주전원공급장치의 전압은 전기추진동력장치의
주행 또는 운항조건에 의하여 변화하게 된다. 제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치는 주전원공급장치로부터 연결되어 전력을 공급받는데,
이때 주전원공급장치의 전압이 변동하면 보조전원용 전력변환장치도 영향을 받게 된다.
그림 5는 전기추진시스템의 개념적 구성도이며, 각 기호를 이용하여 추진부하 파형, 추진부하에 따른 주전원공급장치의 전압변동 파형, 제어전원 및 보조장치를
위한 보조전원용 전력변환장치의 파형을 설명하고자 한다. 주전원공급장치로 배터리 또는 수소연료전지의 운용전압 내에서 추진부하의 변동에 따라 순간적인
충방전이 일어나는 현상으로 인해 주전원공급장치의 전압변동이 발생하게 된다. 전체 시스템 부하에서 제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치의
부하보다 추진부하가 수십 배에서 수백 배 크기 때문에, 주전원공급장치의 전압변동은 추진부하에 종속되어 결정된다. 예를 들어 전기자동차의 경우 추진부하는
150kW정도이고, 보조전원 및 보조장치를 위한 전력변환장치의 부하은 약 20kW정도이다. 또한, 전기선박의 경우 추진부하는 약 1,000kW정도이고,
보조전원 및 보조장치를 위한 전력변환장치의 부하는 약 80kW정도이다.
그림. 5. A Schematic diagram and mark of electric propulsion system
그림. 6. Variation of operating voltage of mains power supply according to propulsion
load
그림 6은 추진부하에 따른 주전원공급장치의 전압변동을 설명하기 위한 파형이다. 운전조건을 설명하면 추진부하가 대기상태서 가속부하 상태가 되면 주전원공급장치는
방전모드로 되면서 순간적으로 전압이 낮아지게 된다. 이후 추진부하가 일정한 등속상태가 되면 주전원공급장치의 전압은 아주 서서히 낮아지게 된다. 다시
등속상태에서 추진부하가 감속을 하게 되면 주전원공급장치의 전압은 일차적으로 전류사용이 줄어드니 전압이 상승하고, 이차적으로 회생이 발생하여 회생전류에
의해 전압이 상승하게 된다. 그림 6-ⓑ는 주전원공급장치인 배터리의 충방전이 그림 6-ⓐ의 추진부하 조건에 따른 운용전압 범위내에서의 일어나면서 전압변동을 일으키는 파형파형을 보이고 있다. 상한 및 하한의 운용전압범위 내에서 그림 6-ⓐ와 같이 추진부하가 대기(정지)-가속-등속-감속(회생)등에 의해서 그림 6-ⓑ와 같이 주전원공급장치인 배터리의 전압이 변동하는 것을 개념적으로 보이고 있다.
따라서, 추진부하에 따라 주전원공급장치의 전압변동이 발생하게 되고, 주전원공급장치로부터 전원을 공급받는 보조전원용 전력변환장치는 입력전압이 흔들리게
되고 흔들리는 입력전압으로부터 안정적인 출력이 나오는지에 대한 시험평가가 요구되는 것이다.
그림 7-ⓒ는 직류를 교류로 변환시켜주는 전력변환장치인 인버터의 파형을 보이고 있다. 그림 6-ⓑ와 같이 입력전압 변동이 발생할 경우에도 보조전원용 전력변환장치 인버터는 허용값 범위 내에서 주파수와 전압을 변환해야 한다. 즉, 허용범위 이상의
고조파를 가지는 교류전원은 제어전원 및 보조장치의 오동작을 야기한다.
또한, 보조전원용 전력변환장치 인버터의 일시적으로 출력을 멈추는 일이 없어야 한다.
그림. 7. Normal and abnormal waveform of auxiliary power supply for control system and
auxiliary system
그림 7-ⓓ는 직류를 직류로 변환시켜주는 전력변환장치인 컨버터의 파형을 보이고 있다. 그림 6-ⓑ와 같이 입력전압 변동이 발생할 경우에도 보조전원용 전력변환장치 컨버터는 허용값 범위 내에서 일정한 직류 전압을 변환해야 한다. 즉, 허용범위 이상의
리플을 가지는 직류전원은 제어전원 및 보조장치의 오동작을 야기할 수 있다. 또한, 보조전원용 전력변환장치 컨버터도 일시적인 출력 멈추는 일이 없어야
한다.
2.2 시험평가 장치의 구성
그림 8은 시험평가 장치의 구성도이다. 시험평가 대상인 제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치(DC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터)의 입력부에는
주전원공급장치를 연결하고, 출력부에는 부하기를 연결하여 시험이 가능하도록 구성해야 한다. 전압 및 전류 파형을 보기 위해서 오실로스코프를 이용하였다.
그림. 8. Configuration of voltage variation test evaluation device for auxiliary power
conversion devices for control power and auxiliary devices
2.2.1 주전원공급장치
주전원공급장치는 배터리 및 수소연료전지의 충전상태에 대해 모사하기 위하여 시험 의뢰자에 의해 제시된 전압을 설정할 수 있어야 하며, 시험에 필요한
출력을 제공할 수 있어야 한다. 즉, 시험평가시 요구되는 출력에 따라 구동용 배터리나 수소연료전지의 전압 상태가 달라지는 것을 모사할 수 있어야 한다.
제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치의 전압변동시험을 위해서는 주전원공급장치의 출력 전압을 ±2V/msec 내에서 제어할 수 있어야
한다(4)(5)(6). 그림 5에 나타낸 것 같이 실제 배터리, 수소연료전지 또는 발전기 등을 사용할 수 있다.
2.2.2 부하기
부하기는 시험대상의 시험시 필요로 하는 출력을 연속적으로 소비할 수 있는 충분한 용량을 가지고 있어야 한다. 부하기는 직류 전자부하기 또는 저항부하기를
사용할 수 있다(4).
2.2.3 측정장치
제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치(DC/AC 인버터)의 출력정지 현상을 분석하기 위해서 오실로스코프를 연결하여 전압 및 전류 파형을
측정하였다.
2.3 시험평가 결과
그림 9는 제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치(DC/AC 인버터)의 전압변동시험의 출력정지 파형이다.
그림. 9. Voltage fluctuation test waveform of power conversion devices for control power
and auxiliary devices (before improvement)
추진동력장치의 부하가 정지 제어 동작 명령 후, 주전원공급장치(배터리)의 전압이 상승하기 시작한다. 주전원공급장치(배터리)로부터 입력전원을 공급받는
DC/AC 인버터의 입력전압이 상승하면서 DC/AC 인버터의 제어보드에 3.3V CPU 전원이 불안정해지면서 DC/AC 인버터의 정현파 교류출력이
정지되는 현상을 시험으로 보이고 있다.
시험은 전압변동 시험조건하에서 제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치의 전압변동시험이다. 제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치(DC/AC
인버터)의 시험조건은 추진동력장치의 부하가 최대인 부하상태에서 순간 무부하로 운전하여 주전원공급장치인 배터리의 전압을 상승시킨 경우이다. 제어전원
및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치의 출력이 입력전압의 순간적인 변동으로 인하여 정지한 시험이다.
제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치(DC/AC 인버터)의 SMPS(Switching Mode Power Supply)의 3.3V 전원이
흔들리면서 전력변환장치의 출력이 멈추게 되었다.
그림 10와 그림 11은 출력정지 현상을 개선하기 위해서 전력변환장치(DC/AC 인버터)의 3.3V CPU SMPS 전원의 커패시턴스 값을 100uF에서 640uF로 변경한
회로도와 실제 사진이다. 변경된 커패시턴스는 전력변환장치(DC/AC 인버터)의 입력전압이 흔들려도 3.3V 전압을 유지하게 되면서 제어전원 및 보조장치를
위한 보조전원용 전력변환장치의 출력이 지속적 되는 것을 확인하였다.
그림. 10. 3.3V CPU SMPS circuit diagram of DC/AC inverter
그림. 11. Capacitor in 3.3V CPU SMPS circuit diagram of DC/AC inverter
그림 12는 제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치(DC/AC 인버터)의 출력정지 현상을 3.3V CPU 전원을 개선한 후 출력이 정상적으로 나오는지를
동일한 시험조건으로 시험한 파형이다. 제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치(DC/AC 인버터)의 시험조건은 추진동력장치의 부하가 최대인
부하상태에서 순간 무부하로 운전하여 주전원공급장치인 배터리의 전압을 상승시킨 경우이다. 제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치의 출력이
입력전압의 순간적인 변동이 발생하여도 출력 정지 없이 교류 출력을 발생한 시험이다.
그림. 12. Voltage fluctuation test waveform of power conversion devices for control
power and auxiliary devices (after Improvement)
그림 13은 추진동력부하의 감소에 의해서 입력전압이 순간적으로 약 4msec동안 △170V(약 42.5V/msec)까지 상승하여도 제어전원 및 보조장치를 위한
보조전원용 전력변환장치(DC/AC 인버터)의 정현파 교류 출력(주파수와 전압)이 정상 동작하는 것을 보여 주는 시험 파형이다.
그림. 13. Voltage fluctuation test long waveform of power conversion devices for control
power and auxiliary devices (after improvement)
참고문헌(4)의 ‘전기자동차용 DC/DC 컨버터의 입력전압 변동에 따른 출력시험방법(한국자동차공학회 단체표준 KSAE-0047)’에 의하면, 제어전원 및 보조장치를
위한 보조전원용 전력변환장치의 전압변동시험을 위해서 주전원공급장치의 출력 전압을 ±2V/msec 내에서 제어할 수 있어야 한다는 의미는 전기자동차의
경우 주전원공급장치의 용량이 수십 kWh의 배터리가 탑재되어 있기 때문으로 보이며, 전기선박의 경우에는 수 MWh의 배터리가 탑재되기 때문에 배터리
용량의 차이와 추진전동기 및 인버터의 용량차이로 전압변동률이 다르다고 볼 수 있다. 전기자동차의 경우에는 수 V/msec 내에서 전압변동률이 발생하고,
전기선박의 경우에는 약 수십 V/msec의 변화가 발생한다고 할 수 있다.
3. 결 론
전기자동차 및 전기선박의 주전원공급장치는 일반적으로 배터리, 발전기 및 연료전지 등의 조합으로 구성되어 지며, 구동을 위한 동력장치로는 전동기와 드라이브(컨버터와
인버터 결합)가 사용된다. 또한, 전기동력 기반 구동장치 외에도 별도로 제어전원 및 보조장치용 전원 공급이 추가로 요구되며, 이를 위해 전력변환장치(인버터,
컨버터)를 사용한다. 제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치는 배터리, 발전기 및 연료전지 등 주전원공급장치로부터 전력을 공급받아 원하는
전력변환을 수행하는데, 주전원공급장치의 전압은 추진동력장치인 전동기 및 드라이브의 사용조건에 따라 변하게 된다. 따라서, 제어전원이나 보조장치에 전원을
공급하는 전력변환장치의 입력전압이 허용 전압 범위내에서 전압변동이 발생하여도 전력변환장치는 출력정지를 일으키지 않아야 한다. 따라서, 본 논문에서
제어전원 및 보조장치를 위한 보조전원용 전력변환장치의 안정적인 출력을 확인하기 위한 시험평가 및 분석한 결과를 제시하였다.
References
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2008, Power Translator for Driving Hybrid Electric Vehicles, Journal of the Electrical
and Electronics Association, Vol. 13, No. 6, pp. 420-429
Chul-Soo Kim, August 2009, Green Car Industry Trends, Journal of the Electrical and
Electronics Association, Vol. 14, No. 4, pp. 19-22
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Korean Society of Electrical Engineers ‘Biographical World’, Vol. 67, No. 6, pp. 24-31
Dec 19, 2019, Power Test Method for DC/DC Converter for Electric Vehicles According
to Input Voltage Variation, Korean Society of Auto- motive Engineers Group Standard
KSAE-0047
ISO/PAS 19295, Electrically propelled road vehicles - Specifi- cation of voltage
sub-classes for voltage class B.
ISO 21498, Electrically propelled road vehicles - Electrical tests for voltage class
B components
저자소개
He is a Ph.D. student in the Department of Defense at Kwangwoon University and currently
works for the Korea Submarine Project Group (Navy Captain) of the Defense Acquisition
Program Administration
E-mail : 2975qaz30@gmail.com
He is a professor of robotics at Kwangwoon University.
E-mail : yhchoi@kw.ac.kr