| 연구개발개요 |
1) 연구개발의 배경 및 필요성○ 전 세계적으로 탄소배출에 대한 규제가 강화되고 있으며, 일례로 UN주도로 세계 140여국의 정상들이 모인 제 21차 유엔기후변화협약 당사국총회(‘15.11)에는 기존 기후변화 대응방식이었던 교토의정서(‘97.12)보다 강화된 온실가스 감축계획(합의안)을 발표함 (※ 한국의 경우, 2030년까지 배출전망치 대비 37%의 탄소배출감축안을 발표함)○ 수소연료전지는 기존 에너지 효율이 30%인 내연기관보다 높은 50% 이상의 효율을 갖고 소음이 적어, 다른 신재생 에너지원에 비해 친환경적인 에너지원으로 각광받고 있음○ 수소연료전지는 높은 가격으로 인해 견인전동기 구동을 위한 인버터의 높은 DC 전압을 직접 공급하기 어려우므로, 낮은 전압을 갖는 수소연료전지와 인버터 사이에 승압형 DC-DC 컨버터가 필요함○ [승압형 DC-DC 컨버터 요구사항] 1) 가선 방식의 기존 철도차량과 달리 차량에 탑재 된 수소연료전지로 인해 더욱 제한된 공간과 중량이 요구됨, 2) 온실가스 감축을 위한 수소연료전지 철도차량의 고효율에 적합한 승압형 DC/DC 컨버터가 요구됨, 3) 부하조건에 따른 수소연료전지의 넓은 전압 범위로 인해 넓은 입·출력 이득이 요구됨○ [기존 비절연 승압형 DC-DC 컨버터] 1) 부스트 컨버터는 입력전류가 연속적이고 구조가 매우 간단하여, 느린 동특성과 제한된 공간을 갖는 수소연료전지 철도차량에 적합함, 2) PWM 제어 방식에 의해 넓은 입·출력 이득을 가짐, 3) 하지만 부스트 컨버터는 소자의 영전압/영전류 스위칭을 성취할 수 없어, 턴-온/오프 스위칭 손실과 역회복 손실이 발생함, 4) 특히 200kW급 수소연료전지 기반 철도차량은 높은 전류사양으로, 스위칭 손실과 역회복 손실이 매우 커서 스위칭 주파수를 올리는데 더욱 한계를 가짐, 5) 낮은 스위칭 주파수는 부스트 컨버터에서 가장 큰 부피를 차지하는 리액터와 커패시터의 부피증가를 의미함○ [기존 절연 승압형 DC-DC 컨버터] 1) 단일 단 공진형 LLC 컨버터는 출력 인덕터가 없는 간단한 구조로, 제한된 공간을 갖는 수소연료전지 철도차량에 적합함, 2) 소자의 영전압/영전류 스위칭을 성취할 수 있어, 턴-온/오프 스위칭 손실과 역회복 손실이 거의 없음, 3) 따라서 높은 효율을 유지하며 고주파 구동이 가능하여 공진형 LLC 컨버터에서 가장 큰 부피를 차지하는 변압기와 출력 커패시터의 부피를 크게 저감할 수 있음, 4) 하지만 수소연료전지 철도차량의 추진전력변환장치에 적용 시 ‘높은 전력, 낮은 입력 전압, 높은 출력 전압 사양’으로 인해 아래의 문제점이 발생함 문제점 1] 높은 전력 및 낮은 입력 전압 사양 : 높은 입력 전류로 1차 측 소자의 도통 및 스위칭 손실 증가 문제점 2] 높은 출력 전압 사양 : 2차 측 소자의 높은 전압스트레스로 역회복 손실 증가 문제점 3] 높은 전력 사양 : 전력 사양에 비례하는 높은 Q 인자로 인해 입·출력 전압 이득이 공진 점에서 최대이므로, 전체 입·출력 전압 범위에서 Above 영역으로 동작하여 고효율 설계가 어려움○ 이러한 한계점으로 인해 단일 단 공진형 LLC 컨버터는 철도차량의 대용량 추진전력변환장치에 적용되기 어려우므로, 현재 낮은 효율을 갖는 부스트 컨버터가 주로 적용되고 있는 실정임2) (제안)병렬입력-직렬출력 구조의 고효율·경량화 다중 LLC 공진형 컨버터의 개념○ 병렬입력 구조: 높은 전력 및 낮은 입력 전압 사양으로 인한 높은 입력 전류를 ‘다중 병렬입력 구조’에 의해 단일 모듈이 감당하는 입력 전류 감소 → 1차 측 소자의 도통 및 스위칭 손실 감소 (※ 대용량 단일 단 공진형 LLC 컨버터의 ‘문제점 1’ 해결)○ 직렬출력 구조: 높은 출력 전압 사양으로 인한 2차 측 소자의 높은 전압스트레스를 ‘다중 직렬출력 구조’에 의해 2차 측 소자의 전압스트레스 감소 → 역회복 특성이 우수한 낮은 내압의 소자 선정을 통해 역회복 손실 감소 (※ 대용량 단일 단 공진형 LLC 컨버터의 ‘문제점 2’ 해결)○ 다중모듈 구조: ‘다중모듈 구조’에 의해 단일 모듈이 감당하는 전력 감소 → 전력 사양에 비례하는 낮은 Q인자로 인해 Below 영역으로 동작하여 고효율 설계가 가능 (※ 대용량 단일 단 공진형 LLC 컨버터의 ‘문제점 3’ 해결)○ 주파수·시비율 혼합 제어: 제안하는 병렬입력-직렬출력 구조의 다중 LLC 공진형 컨버터는 단일 모듈이 여러 개로 구성 된 다중 모듈 구조이므로, 제작 공정 시 모듈 당 소자 간 편차가 발생하고 이는 단일 모듈의 입·출력 전압 이득, 소자의 전압·전류 스트레스 등에 불평형을 초래하여 효율을 저감시킴- 모듈 당 소자 간 편차로 인한 모듈 간 입·출력 전압 이득, 소자의 전압·전류 스트레스 등 불평형 현상을 해결하기 위해 위상천이-시비율 제어를 수행함 (주파수 제어: LLC 공진형 컨버터의 전압/전류 제어 수행)
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| 최종목표 |
○ [연구개발 목표] 수소연료전지-배터리 하이브리드 철도차량용 병렬입력-직렬출력 구조의 고효율(97% 이상)·경량화 다중 LLC 공진형 컨버터 개발 1) 실제모델(200kW급)기반 병렬입력-직렬출력 구조의 다중 LLC 공진형 컨버터의 고효율·경량화 최적화설계 기술 개발 ※ 목표 효율: 97%, 목표 부피: 부스트 컨버터 설계 대비 20% 절감 2) 병렬입력-직렬출력 구조를 갖는 다중 LLC 컨버터의 모듈 간 평형을 위한 주파수·시비율 혼합 제어 기술 개발 ※ 모듈 당 목표 출력 오차: 5% 이내 만족 3) ‘설계 및 제어 기술 검증’을 위한 10kW급 축소형 시제품 제작 및 성능 검증 ※ 목표 효율: 97%, 목표 부피: 부스트 컨버터 설계 대비 20% 절감, 모듈 당 목표 출력 오차: 5% 이내 만족
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| 연구내용 및 범위 |
1) 다중 LLC 공진형 컨버터의 최적설계기술 개발 및 고효율/경량화 성능 검증 (※ 목표 효율: 97%, 목표 부피: 부스트 컨버터 설계 대비 20% 절감) ？ 대용량 승압형 DC-DC 컨버터 및 설계 관련 선행연구 사례조사 ？ ‘병렬입력-출력직렬 구조 다중 LLC 공진형 컨버터’의 이론적 분석 - 동작원리, 입·출력 전압 이득, 소자별 전압·전류 스트레스, 소자별 손실 등 이론적 분석 - 시뮬레이션을 통한 이론적 분석 검증 ？ 200kW급 실제모델기반 다중 LLC 공진형 컨버터의 최적설계기술 연구 - 모듈개수 및 구동주파수별 부품단위 기본·상세 설계 및 시뮬레이션 검증 - 모듈개수 및 구동주파수별 효율 및 부피 비교를 통한 최적 모듈개수 및 구동주파수 선정 - 200kW급 실제모델기반 다중 LLC 공진형 컨버터의 주요부품(스위치, 자성체, 커패시터 등) 상세 설계 및 손실 분석 ？ 200kW급 실제모델기반 기존/제안 컨버터의 효율 및 부피 비교 - 상세 설계 기반 200kW급 기존/제안 컨버터의 효율 및 부피 비교 ？ 1차 연도 200kW급 최적설계기술 연구기반 10kW급 축소형 기존/제안 컨버터의 상세 설계 - 10kW급 축소형 다중 LLC 공진형 컨버터의 주요부품(스위치, 자성체, 커패시터 등) 상세 설계 - 10kW급 축소형 부스트 컨버터의 주요부품(스위치, 자성체, 커패시터 등) 상세 설계(비교군) ？ 다중 LLC 공진형 컨버터의 제작·성능검증 - 상세 설계 기반 10kW급 축소형 기존/제안 컨버터 주요부품(스위치, 자성체, 방열판, 구조물 등) 단위 제작 - 시제품 제작을 위한 주요부품 조립 ？ 10kW급 축소형 다중 LLC 컨버터의 설계 검증 시험을 통한 효율 및 부피 비교 - 10kW급 축소형 시험환경(입력소스, 부하, 효율측정기 등) 구축 - 10kW급 축소형 기존/제안 컨버터의 성능 평가 항목 도출 - 육안검사를 통한 제작시제품간 부피 비교·분석 - 효율측정을 통한 제작시제품간 효율 비교·분석 - 이론적 분석 기반 ‘예측 효율과 실제 측정 효율’ 간의 오차율 분석 - 축소형 제안 시제품 성능 평가 후 설계 기법 보완 사항 도출2) 다중 LLC 공진형 컨버터의 주파수/시비율 혼합 제어기술 개발 및 '모듈 간 평형' 성능 검증 (※ 모듈 당 목표 출력 오차: 5% 이내 만족) ？ 소자편차에 따른 소자별 스트레스 및 모듈당 효율 차이 분석 ？ 소자편차에 따른 소자별 스트레스 및 모듈당 효율 차이 개선을 위한 제어기술 개발 - 소자별 스트레스 및 모듈당 효율 차이 개선을 위한 주파수/시비율 혼합 제어 - 소자편차에 따른 모듈당 출력 전압 평형 제어 - 모듈별 위상 제어를 통한 입·출력 전류 리플 저감 제어 ？ 시뮬레이션을 통한 (제안)제어 성능 검증 - 정전압 제어 알고리즘 개발 - 정전류 제어 알고리즘 개발 - 다중 LLC 공진형 컨버터용 PSIM 시뮬레이션 구축 ？ 다중 LLC 공진형 컨버터의 제어기 설계 - 전류·전압 센싱부 필터 주파수, 이득, 절연을 고려한 부품 선정 및 회로 설계 - 고성능 제어 기술 구현을 위한 MCU 선정 및 주변 회로 설계 ？ 다중 LLC 공진형 컨버터의 제어기 제작·성능검증 - 10kW급 축소형 다중 LLC 공진형 컨버터 제어기 제작 - 10kW급 축소형 다중 LLC 공진형 컨버터의 입·출력 이득, 전압·전류 리플, 정적·동적 성능 검증 - (제안)제어기술 적용을 통한 소자편차에 따른 소자별 스트레스 및 모듈당 효율 차이 개선효과 검증
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