KR101452724B1

KR101452724B1 - 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101452724B1
Application number: KR1020140095494A
Authority: KR
Inventors: 박대진; 전용원; 한기주; 박진아
Original assignee: 주식회사 뉴인텍
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2014-10-23

Abstract

본 발명은 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치에 관한 것으로, AC 전원으로부터 공급받는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 정류기(transformer, 10)와; 상기 정류기(10)에서 변환된 직류 전원의 전압을 설정하여 출력하는 전압 제어 컨버터(voltage control converter, 20)와; 상기 전압 제어 컨버터(20)에서 출력된 직류 전원의 리플 전류값, 스위칭 주파수, 전류 파형을 설정하고 출력하는 전류 제어 컨버터(current control converter, 30); 상기 전류 제어 컨버터(30)에 전기적으로 연결되어 상기 전류 제어 컨버터(30)에서 출력된 설정되어 출력된 전류를 충 방전하는 시험 대상 커패시터(40);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치에 관한 것이다.

Description

자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR TESTING RIPPLE CURRENT OF VEHICLE INVERTER CAPACITOR}

본 발명은 커패시터의 시험 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치 및 방법에 관한 것이다.

하이브리드 자동차, 전기 자동차, 수소연료전지 자동차에는 인버터(inveter)용 커패시터가 이용된다. 자동차는 가다 서다를 반복하면 그때마다 스위칭을 통해 발생되는 리플 전류로 충방전을 반복하게 된다.

이러한 동작 조건에서 인버터의 커패시터는 스위칭에 따른 전원의 큰 리플 전류를 흡수하는 것이 핵심 기능 중 하나이다.

인버터용 커패시터는 자동차의 부하나 각종 동작 조건에 따라 시험을 하게 되는데, 자동차의 설계시 그 모터의 동작 등에 따라 리플 전류, 스위칭 주파수, 전류 파형 등을 다양하게 변경하여 시험을 한다.

종래에는 시험 대상 커패시터의 리플 전류 등을 테스트하기 위해 부하를 모터로 이용하였는데, 부하를 모터로 이용하는 경우 시험 전압인 300 Vdc, 450 Vdc, 600 Vdc, 650 Vdc, 750 Vdc와 전력 용량 15 KW, 30 KW, 60 KW, 80 KW, 100 KW, 250 KW를 만족하는 모터를 각각 구비하여야 하고 이를 교체하여 시험하는데 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.

실례로서, 시험 조건을 변경하기 위해 모터를 변경하거나 또는 저항값을 변경하여 부하량과 리플 전류를 설정하는 데에는 5-7시간이 소요되고 있다.

한편, 시험하고자 하는 전압이나 용량을 만족하는 모터를 구입하기가 쉽지 않고 모터 자체가 현재로서는 매우 고가이다. 한편, 차종에 따라 모터 자체가 개발 진행중인 경우도 있으므로, 모터가 없으면 인버터용 커패시터의 테스트조차 할 수 없는 경우도 있다.

그러므로, 자동차 제조사가 요구하는 다양한 리플 전류를 시험하기 위한 동작 조건 설정 방식에 개선이 요구되고 있다. 또한, 이러한 리플 전류 시험의 준비 과정과는 별도로 테스트 시간 역시 상당한 시간이 소요되는데, 기본적으로 상당한 양의 전력 소모가 발생한다.

이와 같이 테스트시에 발생되는 전력 소모를 줄일 수 있는 방안 역시 절실하게 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은, 실제 부하로서 차량용 모터(하이브리드)를 사용하여 리플 전류를 생성시키면서 커패시터의 성능을 테스트하는 것보다 전력 소모를 획기적으로(97% 정도) 감소시킬 수 있는 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치를 제공하기 위함이다.

본 발명은 시험 구성요소에서 실제 모터 또는 모터에 걸리는 부하를 모사하기 위한 저항(R) 구성요소를 없애고, 시험 대상 커패시터에서 방전되는 전력을 에너지 충전용 커패시터 뱅크(50)에 충전한 후, 다시 충전된 전력을 이용하여 시험 대상 커패시터(40) 테스트에 필요한 리플 전류를 생성시킴으로써, 모터 또는 저항에 의해 소모되는 전력없기 때문에, 인덕터 및 커패시터에서 생기는 도통 손실과 반도체 소자의 스위칭 손실이 열 에너지로 변환됨으로써 생기는 부족한 에너지만 상용전원 Input에서 받아들어 시험하므로, 전력 소모를 실제 모터 또는 저항을 사용하였을 때보다 90% 이상 감소시킬수 있는 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치를 제공하기 위함이다.

본 발명의 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치는, AC 전원으로부터 공급받는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 정류기(transformer, 10)와;

상기 정류기(10)에서 변환된 직류 전원의 전압을 설정하여 출력하는 전압 제어 컨버터(voltage control converter, 20)와;

상기 전압 제어 컨버터(20)에서 출력된 직류 전원의 리플 전류값, 스위칭 주파수, 전류 파형을 설정하고 출력하는 전류 제어 컨버터(current control converter, 30);

상기 전류 제어 컨버터(30)에 전기적으로 연결되어 상기 전류 제어 컨버터(30)에서 출력된 설정되어 출력된 전류를 충 방전하는 시험 대상 커패시터(40);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전류 제어 컨버터에 셋팅된 전압, 리플 전류 진폭, 스위칭 주파수 따라 시험용 커패시터(40)에 충 방전시킨 에너지를 인덕터를 통해서 에너지 충전용 커패시터 뱅크(50)에 에너지를 저장되고 저장된 에너지를 계속 시험용 커패시터에 충 방전시킨다. 본 발명에 따르는 경우, 실제 부하로서 차량용 모터(하이브리드)를 사용하여 리플 전류를 생성시키면서 커패시터의 성능을 테스트하는 것보다 전력 소모를 획기적으로(97% 정도) 감소시킬 수 있는 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치가 제공됨을 알 수 있었다.

본 발명은 시험 구성요소에서 실제 모터 또는 모터에 걸리는 부하를 모사하기 위한 저항(R) 구성요소를 없애고, 시험 대상 커패시터에서 방전되는 전력을 에너지 충전용 커패시터 뱅크(50)에 충전한 후, 다시 충전된 전력을 이용하여 시험 대상 커패시터(40) 테스트에 필요한 리플 전류를 생성시킴으로써, 모터 또는 저항에 의해 소모되는 전력없기 때문에, 인덕터 및 커패시터에서 생기는 도통 손실과 반도체 소자의 스위칭 손실이 열 에너지로 변환됨으로써 생기는 부족한 에너지만 상용전원 Input에서 받아들어 시험하므로, 전력 소모를 실제 모터 또는 저항을 사용하였을 때보다 약 97% 감소시킬수 있는 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치가 제공됨을 테스트 결과 알 수 있었다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치 상세도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치 회로도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터 테스트용 제1 리플 전류 구성도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터 테스트용 리플 전류 구성도.

이하에서 본 발명의 일실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치 및 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치 구성도, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치 상세도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치 회로도, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터 테스트용 제1 리플 전류 구성도이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터 테스트용 리플 전류 구성도이다.

도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치는, AC 전원으로부터 공급받는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 정류기(transformer, 10)와, 정류기(10)에서 변환된 직류 전원의 전압을 설정하여 출력하는 전압 제어 컨버터(voltage control converter, 20)와, 전압 제어 컨버터(20)에서 출력된 직류 전원의 리플 전류값, 스위칭 주파수, 전류 파형을 설정하고 출력하는 전류 제어 컨버터(current control converter, 30), 전류 제어 컨버터(30)에 전기적으로 연결되어 상기 전류 제어 컨버터(30)에서 설정되어 출력된 전류를 충 방전하는 시험 대상 커패시터(40)를 포함하여 구성된다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치는 전압 제어 컨버터(20)와 전류 제어 컨버터(30)를 연결하는 전기 회로 사이에 에너지 충전용 커패시터 뱅크(50)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 시험 대상 커패시터(40)에서 방전되는 에너지가 다시 순환되어 상기 에너지 충전용 커패시터 뱅크(50)에 충전되는 것이 바람직하다.

도 1 내지 도 3, 특히 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치에 있어서, 전류 제어 컨버터(30)는, 1 ~ 4000 Arms의 리플 전류 진폭값을 가지며, 1 ~ 200 kHz의 스위칭 주파수(리플 전류 주파수)를 가지며, 구형파 또는 사인파(sine wave), 삼각파 전류 파형 중에서 선택된 하나의 전류 파형을 시험 대상 커패시터(40)에 출력하는 것이 바람직하다. 전류의 진폭과 주파수는 실제 자동차용 인버터로 인해 발생할 수 있는 진폭과 주파수 범위이다. 직류 전압은 0.01 ~ 1500Vdc 인 것이 바람직하다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치에 있어서, 전류 제어 컨버터(30)는 단상 또는 3상 인버터(31)를 포함하고, 에너지 충전용 커패시터 뱅크(50)와 상기 인버터(31) 사이에 인덕터(35)가 구비되는 것이 바람직하다.

도 1 내지 도 3, 특히 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치에 있어서, 전류 제어 컨버터(30)는, 1 ~ 20 KHz의 스위칭 주파수(리플 전류 주파수)를 가지며 제1 진폭을 갖는 제1 리플 전류(최대리플전류)를 제1 시간구간(T1, 1~ 5초) 동안 출력한 후, 동일한 주파수를 가지면 상기 제1 진폭보다 작은 제2 진폭을 갖는 제2 리플 전류(연속리플전류)를 제2 시간구간 동안 출력하여, 초기 차량 출발시에 모터에 걸리는 부하를 모사하는 것이 바람직하다. 제1 리플 전류(최대리플전류) 및 제2 리플 전류(연속리플전류) 출력을 순차대로 반복되는 것이 바람직하다.

이렇게 하는 경우, 자동차가 Stop and Go하는 방식으로 주행하므로 스위칭 주파수가 실린 상태에서 스타트시 최대의 리플전류로 수초시간 동안에 충 방전하고 자동차 주행시 연속 출력으로 주행하는 패턴으로 시험할 수 있도록 구현할 수 있다. 즉, 전기자동차가 스타트시 최대출력, 커패시터에서는 최대 리플전류로 충 방전하고 전기 자동차가 스타트되면 연속출력 커패시터에서는 연속출력 리플전류로 충 방전되는 시험 패턴를 개발하여 전기자동차의 구동하는 원리를 최대한 근접하여 시험할 수 있었다.

도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치 및 방법은, 정류기(transformer, 10)가 AC 전원으로부터 공급받는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 단계(S10)와, 전압 제어 컨버터(voltage control converter, 20)가 상기 정류기(10)에서 변환된 직류 전원의 전압을 설정하여 출력하는 단계(S20)와, 상기 전류 제어 컨버터(30)가 상기 전압 제어 컨버터(20)에서 출력된 직류 전원의 리플 전류값, 스위칭 주파수, 전류 파형을 설정하고 출력하는 단계(S30)와, 상기 전류 제어 컨버터(30)에 전기적으로 연결된 시험 대상 커패시터(40)에 상기 전류 제어 컨버터(current control converter, 30)에서 설정되어 출력된 전류가 공급되는 단계(S40)와, 시험 대상 커패시터(40)에서 충 방전되는 에너지가 다시 순환되어 상기 전압 제어 컨버터(20)와 전류 제어 컨버터(30)를 연결하는 전기 회로 사이에 구비된 에너지 충전용 커패시터 뱅크(50)에 충전되는 단계(S50);를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

<실시예>

정류기(transformer, 10)는 상용전압(220, 380, 440Vac)을 받아 DC 전압으로 정류장치 내장한다. 커패시터 리플전류 150Arms, 16KHz, 450Vdc 조건으로 시험시 기존 방법(하이브리드 모터 또는 저항사용)은 137KW가 소모되데 반하여 본 발명은 약 3.5KW 전력 이 소모되어 전력소모가 약 97.4% 감소되었다.

표 1은 24시간 운전 365일 가동시 전력 소모량 비교 테이블이다.

기존 시험 방법으로 시험시 소비전력/년	본 발명 시험기로 시험시 소비전력/년
1,200,120 KWh	30,660 KWh

부하를 모터로 시험시 전압 300, 450, 600, 650, 750, 800Vdc 및 용량, 15, 30, 60, 80, 100, 250KW에 따른 고객의 하이브리드, 전기차동차, 수소연료전지 자동차에 사용하는 모터를 구입할 필요가 없어지는 효과가 있다. 고객의 다양한 리플전류에 따른 모터를 구입하기가 매우 어려워서 모터와 유사하게 리액터 0.3mH와 저항으로 15, 30, 60, 80, 100, 250KW, 커패시터 시험전압 300, 450, 600, 650, 750Vdc 등 조건으로 시험시 모터를 변경 또는 저항 시험조건을 맞추어서 시험하는데 약 5분 이내에 시험이 가능하여 많은 시간을 절약할 수 있었다. 값을 변경하여 시험시 5~7시간 셋팅하는 시간을 절약할 수 있었고 2항의 개발 시험기로 커패시터 시험시 모터 고장으로 시험 중단된는 문제점 등이 개선되었다.

여기서, 반도체 스위칭소자 IGBT가 스위칭시 열이 매우 많이 발생하므로 공냉긱 및 수냉식에 따라 냉각 효율 차이가 많이 발생하고 리플전류 시험기 시험할 수 있는 전류 및 주파수도 큰 차이가 발생할 수 있다. 스위칭소자 IGBT 냉각은 공냉식 및 수냉식의 구조일 수 있다.

본 발명은 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명됐지만, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위에 의하여 정하여지는 것으로 본 발명과 균등 범위에 속하는 다양한 수정 및 변형을 포함할 것이다.

아래의 특허청구범위에 기재된 도면부호는 단순히 발명의 이해를 보조하기 위한 것으로 권리범위의 해석에 영향을 미치지 아니함을 밝히며 기재된 도면부호에 의해 권리범위가 좁게 해석되어서는 안될 것이다.

10 : 정류기
20 : 전압 제어 컨버터
30 : 전류 제어 컨버터
40 : 시험 대상 커패시터
50 : 에너지 충전용 커패시터 뱅크

Claims

AC 전원으로부터 공급받는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 정류기(transformer, 10)와;
상기 정류기(10)에서 변환된 직류 전원의 전압을 설정하여 출력하는 전압 제어 컨버터(voltage control converter, 20)와;
상기 전압 제어 컨버터(20)에서 출력된 직류 전원의 리플 전류값, 스위칭 주파수, 전류 파형을 설정하고 출력하는 전류 제어 컨버터(current control converter, 30);
상기 전류 제어 컨버터(30)에 전기적으로 연결되어 상기 전류 제어 컨버터(30)에서 설정되어 출력된 전류를 충 방전하는 시험 대상 커패시터(40);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치.
제1항에 있어서,
상기 전압 제어 컨버터(20)와 전류 제어 컨버터(30)를 연결하는 전기 회로 사이에
에너지 충전용 커패시터 뱅크(50)가 더 구비되어,
상기 시험 대상 커패시터(40)에서 방전되는 에너지가 다시 순환되어 상기 에너지 충전용 커패시터 뱅크(50)에 충전되는 것을 특징으로 하는 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치.
제2항에 있어서, 상기 전류 제어 컨버터(30)는,
1 ~ 4000 Arms의 리플 전류 진폭값을 가지며, 1 ~ 200 kHz의 스위칭 주파수(리플 전류 주파수)를 가지며, 구형파 또는 사인파(sine wave), 삼각파 전류 파형 중에서 선택된 하나의 전류 파형을 시험 대상 커패시터(40)에 출력하는 것을 특징으로 하는 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치.
제3항에 있어서,
상기 전류 제어 컨버터(30)는 단상 또는 3상 인버터(31)를 포함하고,
에너지 충전용 커패시터 뱅크(50)와 상기 인버터(31) 사이에 인덕터(35)가 구비되는 것을 특징으로 하는 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치.
제2항에 있어서, 상기 전류 제어 컨버터(30)는,
1 ~ 20 KHz의 스위칭 주파수(리플 전류 주파수)를 가지며 제1 진폭을 갖는 제1 리플 전류(최대리플전류)를 제1 시간구간(T1) 동안 출력한 후,
동일한 주파수를 가지면 상기 제1 진폭보다 작은 제2 진폭을 갖는 제2 리플 전류(연속리플전류)를 제2 시간구간(T2) 동안 출력하고,
상기 제1 리플 전류(최대리플전류) 및 제2 리플 전류(연속리플전류) 출력을 순차대로 반복하여,
초기 차량 출발시에 모터에 걸리는 부하를 모사하는 것을 특징으로 하는 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 장치.
정류기(transformer, 10)가 AC 전원으로부터 공급받는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 단계(S10)와;
전압 제어 컨버터(voltage control converter, 20)가 상기 정류기(10)에서 변환된 직류 전원의 전압을 설정하여 출력하는 단계(S20)와;
전류 제어 컨버터(30)가 상기 전압 제어 컨버터(20)에서 출력된 직류 전원의 리플 전류값, 스위칭 주파수, 전류 파형을 설정하고 출력하는 단계(S30)와;
상기 전류 제어 컨버터(30)에 전기적으로 연결된 시험 대상 커패시터(40)에 상기 전류 제어 컨버터(current control converter, 30)에서 설정되어 출력된 전류가 공급되는 단계(S40)와;
상기 시험 대상 커패시터(40)에서 충 방전되는 에너지가 다시 순환되어 상기 전압 제어 컨버터(20)와 전류 제어 컨버터(30)를 연결하는 전기 회로 사이에 구비된 에너지 충전용 커패시터 뱅크(50)에 충전되는 단계(S50);
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차 인버터용 커패시터의 리플 전류 시험 방법.