[미래를 향한 질주, 전기자동차] 전기자동차용 인버터 기술

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[미래를 향한 질주, 전기자동차] 전기자동차용 인버터 기술

2011년 4월 22일 (금) 16:50:58 | 지면 발행 ( 2011년 3월호 - 전체 보기 )

최근 세계적으로 환경 문제를 극복하고, 화석연료 고갈에 따른 유가 상승 문제를 해결하고자 전기자동차 개발을 경쟁적으로 진행한다. 유럽 · 북미 · 아시아의 모든 글로벌 자동차업체는 전기자동차를 개발 중이며, 일본의 미쓰비시와 닛산은 이미 전기자동차를 양산하기 시작했다. 특히, 닛산의 전기자동차 리프Leaf는 상용화의 핵심 걸림돌 중 하나인 가격 측면에서도 경쟁력을 보유하고 있다. 물론 배터리 성능과 가격에 기인하는 주행 거리의 한계를 극복해야 하고 충전 인프라구축 등 선결 과제가 산재하지만, 기술적으로 전기자동차는 더 이상 미래 차가 아니라는 판단이다. 전기자동차용 일렉트릭 파워 트레인Electric Power Train의 핵심부품은 배터리, 인버터, 모터다. 인버터는 모터를 구동하고 제어하는 장치로 고신뢰성 H/W, 고속 · 고효율 모터 제어 성능, 고출력 밀도(High Power Density), 보호 · 진단 수단의 특성이 있어야 하며, 비이클Vehicle 제어기와 연계해 차량의 구동력을 최적으로 제어해야 한다.

전기자동차용 인버터 기술의 특징
<표 1>은 승용차급을 기준으로 한 전기자동차용 인버터 사양의 예이다. 이 사양은 산업용 인버터에 비해 전기자동차용 인버터가 갖춰야 할 기능과 성능을 함축적으로 보여준다. 50㎾에서 100㎾까지 인버터 출력 범위는 소형 승용차에서 SUV까지 승용차량을 커버한다. 인버터 구동 전원은 DC 200∼400V이며, 이것은 리튬이온 등의 배터리 충전 상태(SOC : State Of Charge)를 고려한 DC 전원 입력범위다. 제어 전원으로 엔진 차량과 같이 12V급 납축전지 배터리를 사용한다.
전기자동차의 일렉트릭 파워 트레인에 있어 구동력은 엔진 대신 모터를 사용하는데, 모터의 구동력을 트랜스미션Transmission으로 휠에 전달한다. 그런데 모터의 토크-속도 최대 능력 곡선은 엔진과
달리 속도에 따라 연속적이기에 전기자동차에 사용하는 트랜스미션은 엔진 차량처럼 다단일 필요가 없으며, 보통 하나의 일정한 고정 감속비를 가진다.
이러한 감속 특징과 차량에서 필요한 속도와 토크특성을 감안해 전기자동차용 인버터는 ∼1만 2000rpm까지 모터를 고속으로 제어하는데, 이는 산업용보다 4배 이상의 범위다. 또한, 전기자동차의 연비 측면에서 가능한 동일한 배터리 에너지로 더욱 먼 거리를 주행해야 하므로, 전기자동차용 인버터는 고효율이 필요하다. 그뿐만 아니라 가혹한 자동차 내환경에서 고신뢰성을 보장해야 한다. 〈표 1〉은 대표적으로 온도 · 진동 · EMC 특성 · 외함 보호등급 측면에서 전기자동차용 인버터가 보장해야 할 기본 사양인데, 이를 달성하려면 회로와 구조 설계가 필요하다. 그 뿐만 아니라 자동차라는 한정된 공간 특성과 고연비 달성 측면에서 전기자동차용 인버터는 고출력 밀도도 필요하다. 덧붙여 자동차는 운전자의 안전이 중요하므로 자동차용 인버터는 자체 · 차량 제어기(VCU)와 연계해 철저한 보호 · 진단 수단을 확보하고 예방적 고장 조치 기능을 갖춰야한다.〈 그림1〉은 고신뢰성과 고출력밀도를 가진 수냉 구조 자동차용 인버터 외관이다.

고신뢰성 회로 기술
전기자동차용 인버터가 자동차 내환경에서 고신뢰성을 가지려면, 먼저 인버터의 모든 부품이 오토모티브 스펙Automotive Spec을 가져야 한다. 〈그림 2〉의 전기자동차용 인버터 전력 회로에서 IGBT모듈은 DC 입력 전원을 모터 구동을 위한 교류 전원으로 변환하기 위한 전력용 반도체 스위치로, 전기자동차용 인버터의 H/W 신뢰성에 큰 영향력을 끼치는 핵심 소자다. 따라서 자동차 내환경을 만족하는 인버터 구현을 위해 온도 · 진동 · 수명 측면에서 오토모티브 퀄리피드Automotive Qualified 특성의 IGBT를 적용해야 한다. 인피니언Infineon 자동차용 IGBT 모듈의 주요 특징은 등이다

• Low Power Loss Technology
• TC rugged Al203 DBC
• Enhanced Wire Bonding
• DBC Soldering Using Ball Bump
• Flat Copper Base Plate
• High Reliability

[그림 2] 전기자동차용 인버터의 Power 회로

전기자동차용 인버터의 DC-link 커패시터Capacitor는 입력 전원이 DC이므로 전압 평활이 아니라 전류 리플Ripple을 감당하는 것이 핵심기능이다. 그런데 리플 전류와 커패시터의 ESR성분에 의한 손실로써 커패시터온도가 상승한다. 또한, 커패시터의 수명은 온도에 영향을 받는다.
따라서 전기자동차용 인버터의 DC-link 커패시터는 전해 커패시터를 사용하는 산업용 인버터와 다르게 고전류 리플 · 저손실 · 장수명 확보를 위해 필름 커패시터Film Capacitor를 적용한다. 또한, 동일 재질의 필름 커패시터라 하더라도 병렬로 구성된 셀Cell의 전기적 결선 구조에 따라 등가ESR이 달라지는 만큼 내부 회로의 최적 구조 설계를 위한 노하우가 필요하다. 한편 필름 커패시터는 퓨즈Fuse 기능을 갖도록 작은 격자로 패턴화돼 증착되고, 단위 영역에서 전류 밸런싱Balancing 문제 등의 이유로 소손되면, 해당 영역을 회로에서 절연시키는 셀프 힐링Self-Healing 기능을 가진다.

그 밖에 모터를 제어하는 전류 센서와 인버터 제어 회로에 사용하는 모든 부품도 오토모티브 퀄리피드Automotive Qualified 특성을 가져야 한다. 이를 위해 미국자동차전자부품협회 AEC-Q100와 AEC-Q200 인증 부품을 적용해야 한다.

최적 구조 설계 기술
고출력 밀도 구조 차량의 경량화와 소형화는 내연기관뿐만 아니라 전기자동차에서도 연비 감소 효과를 위한 필수 과제다. 전기자동차용 인버터도 체적과 중량최적화를 통해 고출력 밀도를 실현해야 한다. 이를 위해 공간 효율성을 극대화하도록 각 부품을 배치하며, 부품 간 절연 거리 · 전자파 특성 · 최소 파워 패드Power path 등을 동시에 고려해야 한다. 또한, 내진성과 냉각 성능 역시 레이아웃Lay-out 설계에 중요한 인자이며, 다양한 트레이드 오프Trade-off 관계에 있는, 이러한 설계 인자들의 최적화를 통해 고출력 밀도를 확보할 수 있다.〈 그림6〉은100㎾급 인버터의 기능별 패키지와 각 부품의 형상을 나타낸다. 보이는 바와 같이 기능별 모듈화를 통해 부품의 체적을 줄이고, 구조를 단순화해 조립성 향상을 도모했다. 이러한 패키지 설계는 설계 초기 단계에 검토해야 하며, 전체적인 콘셉트Concept 설계 완료 시 부품별 신뢰성 확보를 위한 최적 설계를 수반한다.

강성 해석 초기 콘셉트 설계에서 일정 부분을 결정한 후, 앞서 언급한 바와 같이 제품의 신뢰성를 위해 제품내 단품들에 대한 바리안트 스터디Variant study를 수행한다. 이를 통해 부품별 진동 · 강성 · 경량화를 확보한다. 〈그림 7〉은 PCB 간 차폐 성능을 위한 차폐판의 모델별 내진 성능 해석을 통해 수행한 결과이며, 동등 수준의 중량과 고정부에서 형상에 대한 설계 변경으로 내진성을 확보한 경우다. 차폐판뿐만 아니라 기타 부품들도 설계 시 동일한 과정을 거치며, 실증적 테스트와 병행해 제품의 신뢰성을 확보하고 있다

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열유동 해석 냉각 구조의 경우, 인버터의 고출력으로 말미암은 발열로 부품의 수명과 오작동을 줄이기 위해 설계 시 반드시 고려할 사항이다. 특히, 차량용 인버터의 전력용 반도체는 효율적인 냉각 구조 구현이 매우 중요하다. 최대 65℃ 이상의 부동액 인렛Inlet 환경에서도 정상적으로 동작하도록 수냉식 냉각 구조를 채택한다. 이를 위해 열유동 해석을 통해 인버터의 온도 분포와 냉각수의 유동 등에 대한 예측을 반드시 수행해야 한다. 〈그림 8〉은 전기자동차용 인버터에 장착한 전력용 반도체의 냉각 성능을 확보하기 위한 쿨링시스템Cooling system의 열유동 성능해석 결과다.

고속 · 고효율 EV 전동기 제어 기술
EV 유도 전동기 고속 · 고정밀 토크 제어 기술 변속기를 사용하지 않는 전기자동차의 경우, 폭넓은 속도로 주행하려면 고속 전동기 제어 기술이 필요하다. 또한, 가속 페달의 입력에 따라 정확히 토크를 발생해야 한다. 이에 기존 수식에 기반을 둔 제어로는 토크 제어 정밀도를 만족할 수 없어 참조표를 사용해 토크 제어를 수행한다.〈 그림9〉,〈 그림10〉과 같이 토크 지령과 현재 속도에 따른 전류 지령을 참조표를 사용해 생성하고, 이 지령에 의해 전류 제어를 수행한다. 이와 같은 방법으로 오차 범위 ±5% 이내로 토크 제어를 수행할 수 있다.

[그림 9] 전기자동차용 인버터의 모터 제어 블록도

[그림 10] 인버터의 벡터 제어를 위한 전류 지령 참조표

EV 유도 전동기 고효율 제어 기술 전기자동차는 배터리 에너지만으로 운전하며, 배터리 용량은 제한되므로 고효율 운전이 필요하다. 기존 유도 전동기 제어 방법은 d축 전류를 일정하게 제어하고 q축 전류를 변화해 토크를 변경했다. 이러한 방법은 대부분 같은 토크를 발생하기 위해 더 큰 전류가 필요하므로 손실이 증가한다. 임의의 토크를 발생하기 위해 d축 전류의 크기를 변화하면서 가장 작은 전류 크기를 인가하는 MTPA(Maximum Torque Per Ampere) 운전을 하면, 전류 크기에 따른 손실을 줄일 수 있다. 이때 d축 전류에 따른 Lm의 포화도 고려한다. 또한, 고속 운전 시 제한된 전압 내에서 가능한 큰 토크가 발생하도록 MTPV(Maximum Torque Per Voltage) 운전한다. 이처럼 전동기 제정수의 변동을 고려한 MTPA와 MTPV운전으로 전동기의 제어 효율을 높일 수 있다.

[그림 12] OBD-II에 의한 전기자동차용 인버터 진단 통신 기능

진단 통신과 보호 기술
전기자동차의 주행 안정성 확보는 매우 중요한 이슈다. 따라서 전기자동차의 구동력을 제어하는 인버터는 운전 상태의 모니터링, 예방적 고장 진단 그리고 비상시 보호 수단을 반드시 갖춰야 한다.
OBD(On Board Diagnostics)는 엔진 자동차의 배가스에 직접적으로 영향을 끼치는 파워 트레인Power Train 부품에 대한 자기 진단과 보호 대책에 관한 스탠다드Standard이나, 전기자동차의 일렉트릭 파워 트레인Electric Power Train 부품에도 동일하게 적용한다. 〈그림 12〉는 OBD-II 스탠다드에 의한 전기자동차용 인버터의 진단 통신 기능이다. 전기자동차용 인버터는 CAN 기반의 진단 통신 기능을 내장하고 GDS 장비를 통해 인버터 상태 진단, 고장 이력 데이터 전송, S/W 업데이트 등의 기능을 수행해야 한다. 진단 모드 수행 시 고장 내용에 대한 정보는 DTC(Diagnostic Trouble Code) 규격으로 정해져 있다.
전기자동차용 인버터 구현 시 DTC로 정의된 각각의 고장 진단 기능을 구현하는 방법, 즉 고장 검출 회로와 고장 진단 S/W 알고리즘이 노하우이며, 제품의 신뢰성 제고를 위해 중요한 사항 중 하나다. 이를 위해 전기자동차용 인버터는 DSP 기반의 제어 회로 · 전압 · 전류 · 온도 센싱 회로 · 연산 회로 그리고 보호 회로를 내장하고, CAN통신 기반의 OBD 진단 알고리즘을 통해 운전 주기(Driving Cycle)마다 전기자동차용 인버터의 물리적 · 전기적 고장을 감지해 판단하고 조치해야 한다.
이를 통해 일렉트릭 파워 트레인 시스템과 인버터를 보호할 수 있으며 전기자동차의 안전성을 확보할 수 있다.

인버터에 내장된 보호 기능의 예
• 구동 전원 과전압/저전압
• 인버터 출력 과전류
• 인버터 과온
• 전동기 과온
• IGBT Arm-short
• 제어 전원 과전압/저전압
• 과부하 시 Derating
• 전류 센서, 속도 센서 등 센서류 고장
• CAN 통신 오류
• 출력 케이블 단선 외.

디자인 밸리데이션
전기자동차의 주행 퍼포먼스Performance와 고신뢰성 확보는 매우 중요한 이슈다. 따라서 전기자동차의 핵심 부품인 인버터는 엄격한 기준의 단품 시험과 실차 시험을 통해 디자인 밸리데이션Design Validation을 실시한다. 단품 측면의 고속 · 고효율 제어 성능 시험은 전기자동차 환경을 모사한 모터 다이너모Motor dynamo에서 실시한다. 전속도 영역에서 모터링과 회생 시 모두 모터 토크 제어 정확도가 오차 범위 ±5% 이내로 들어와야 한다. 또한, 가혹한 자동차 내환경의 온도 · 진동 · 보호등급 등 신뢰성 검증 시험을 통해 설계의 정합성을 확인하고 시험 기준을 완벽히 통과해야 한다. 수명 가속 시험을 통해 내구성도 확인한다.
전기자동차에 있어 EMC 기준은 엔진 자동차와 동일하다. 그런데 인버터는 대전류 · 고전압을 스위칭으로 전력을 변환하는 장치이므로 EMS도 문제지만 높은 EMI 발생을 피할 수 없다. 따라서 전기자동차용 인버터는 필터 · 차폐 · 접지 수단을 강구해야 하며, PCB 설계도 EMC를 저감하도록 다층 기판으로 제작하고 제어 전원과 그라운드 패턴Ground Pattern을 설계해야 한다.

전기자동차용 인버터 모터 제어 성능 검증 항목 예
• SOC 한계 내 모든 전압과 속도 영역에서 출력 성능 시험
• T-N 능력 곡선 모든 영역에서 토크 제어 정밀도 성능 검증
• 효율 성능 검증
• 보호 기능 검증 외.

EV 인버터 신뢰성 성능 검증 시험 항목 예
• 한계 동작 온도 시험
• 한계 동작 진동 시험
• 온도 · 진동 복합 시험
• 방진 · 방수 성능 시험
• 내전압 및 절연 시험
• 제어 전원 특성 시험
• 부하 사이클 운전 시험
• EMC 성능 시험
• HALT 시험 외.

실차 적용과 개발 사례
전기자동차용 인버터에 대한 단품 측면의 디자인밸리데이션을 완료하면, 실차 장착 시험을 실시한다.
전기자동차의 VCU(Vehicle Control Unit)가 CAN통신 수단에 의해 일렉트릭 파워 트레인의 각 부품들과 전체 차량 시스템을 제어하며, 다양한 운전 조건별 전기자동차의 구동 · 정지 · 보호 동작 성능 시험을 실시한다. 전기자동차 실차 시험 시 배터리 SOC를 포함해 운전 제어와 환경 측면에서 최악의 운전조건에 따른 시험 기준으로 전기자동차용 인버터 성능을 검증한다. 또한, 차량 진단과 성능 업그레이드Upgrade를 위한 진단 통신 OBD 기능의 검증과 실차 환경의 EMC 성능 검증을 부품별로 진행한다. 이를 통해 실차환경의 인버터 목표 성능을 확보한다.
국내 최초 전기자동차인 블루온의 인버터는 모터제어를 통해 50㎾의 Power, 11500rpm의 속도, 167Nm의 토크를 출력한다. 블루온 전기자동차는 고정 감속비를 갖는 트랜스미션을 통해 휠을 구동하며, 최고 속도 130㎞/h와 제로백 13.1초의 뛰어난 성능을 구현했다.

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전기자동차용 인버터를 구현하는 기술은 신기술이 아니라 차별화된 기술이다. 산업용 인버터와 비교했을 때, 모든 요소 기술 측면에서 브레이크 스루Break-through를 필요로 한다. 즉, 전기적 하드웨어 설계 기술, 기계적 구조 설계와 냉각 기술, 모터의 고속 · 고효율 제어 기술, 고장 진단 · 보호 기술, 차량 시스템과의 통신 기술, EMC 특성 확보 등 모든 요소 기술 영역에서 어렵고 높은 수준을 만족해야 한다. 더불어 이러한 높은 퀄리티를 유지하면서도 전기자동차의 본격 상용화를 위해 큰 폭의 비용저감도 필요하다. 이를 위해 핵심 부품과 연계한 구조 설계 최적화 등의 노력도 기울여야 하며, 새로운 파워 토폴로지Power Topology도 개발할 필요가 있다. 최근에는 인버터로만 접근하지 않고, 온-보드 차저On-Board Charger와 연계한 일렉트릭 파워트레인 전체 시스템 측면에서 신뢰성을 올리고 비용도 저감하는 새로운 인버터 구현 아이디어들을 시도하고 있다.

글 양천석<LS산전㈜ 수석연구원>