최근 세계 자동차 기술 개발의 방향은 지구 온난화 가속화, 온실가스 감축, 유가 상승으로 인한 연비절감 기술에 집중되고 있다. 특히 상용차는 전체 자동차 점유율에 비해 높은 수송 효율을 차지하는 교통수단으로 국가 물류 산업의 중심 역할을 하고 있다. 또한 도시 건설이나 도로, 교량, 항만 등 사회 간접 자본을 지원하는 산업 분야로 전체 수송 분야에서 큰 비중을 차지하고 있기도 하다. 연평균 주행거리가 승용차에 비해 3.4배로 유류 소모나 CO2 배출량이 커서 친환경 기술 개발 및 에너지 효율 향상의 필요성이 점차 증대되고 있다. 과거 단순한 운송 수단으로만 인식되던 상용차는 제2의 거주공간으로서의 인식이 확산되고 있다. 이에 따라 단순히 기본 성능만을 중시하던 종래의 상용차 개발 방향 역시 안전성, 쾌적성, 편의성에 무게를 두는 방향으로 전환되고 있다.
자동차의 공조 시스템은 탑승자의 기호에 따라 차량의 실내 온도를 일정한 상태로 유지시켜주는 기능을 하는 핵심 시스템으로 자동차 쾌적성 향상 측면에서 그 중요성이 매우 크다 할 수 있다. 일반적인 차량용 에어컨 시스템은 엔진의 가동(주행 또는 공회전)에 의해 발생된 에너지를 통해 사용자가 원하는 차량 실내온도를 일정하게 유지해주는 장치를 말한다. 이러한 에어컨 시스템의 작동을 위해서는 엔진동력 일부가 사용되어야 하기 때문에 자동차의 연비와 큰 관련성 있다. 특히 하절기 작업 대기시나 차량 내 야간취침 등이 빈번한 상용차량의 경우 운전자의 운행습관에 따라 에어컨의 이용률이 크게 좌우된다. 따라서 하절기 에어컨 사용량이 많은 상용차의 경우 냉방을 위해 빈번하게 대형엔진이 작동되어 연료 소비와 배기가스 배출량 증가하여 대기환경오염을 유발하고 있다. 이외에도 Euro-3 규제에 따라 출시되는 차량은 5분 이상 공회전 발생 시 엔진이 자동으로 멈추는 제어시스템의 장착이 의무화되어 있다. 때문에 화물트럭, 고속버스 등과 같은 상용차의 정차 시 냉방 문제는 반드시 해결해야 할 문제이다.
본 논문에서는 상용차의 정차 시 냉방 문제를 해결하기 위해서 상용차를 위한 무시동(Non-starting) 에어컨 압축기 구동용 전력변환기를 제안하였다. 제안된 시스템은 크게 DC/DC 컨버터 파트와 3상 DC/AC 인버터 파트로 구성되어야만 한다. 차량의 무시동 상태에서도 동작이 가능한 에어컨 시스템을 위해서는 전동식 압축기와 200V 이상의 전압에서 구동하는 3상 인버터가 요구된다. 하지만 상용차량의 경우 24V 배터리 기반의 직류시스템으로만 기본 구성되어 있다. 때문에 무시동 에어컨 압축기 시스템을 적용하기 위해서는 24V의 저압의 배터리를 10배 이상 승압이 가능한 컨버터가 필수적이라 할 수 있다. 무시동 에어컨 압축기 시스템의 컨버터 파트에 경우 저전압 특성과 함께 고효율, 고전력밀도 등이 요구된다. 때문에 전력변환스시템에서는 고주파 스위칭에 의한 손실 저감 등의 장점이 있는 공진형 컨버터가 적합하다. 이 같은 조건을 만족하기 위해 본 논문에서는 하프브리지 구조에 전압 배압(Voltage doubler)회로와 고주파 변압기로 구성된 직렬 공진형 DC/DC 컨버터를 구성하였다. 구성된 컨버터는 추가적인 공진탱크 없이 변압기 누설 인덕턴스와 전압 배압회로의 커패시터를 공진에 이용하였다. 이로써 ZCS(Zero Current Switching) 동작이 가능하게 되었고, 100A 이상의 높은 전류가 흐르는 DC/DC 컨버터 변압기 1차측의 스위칭 손실을 감소하도록 설계가 가능하였다. 또한 공진회로에서 필요한 인덕턴스 성분은 변압기 누설 인덕턴스로 대체함으로서 전체 시스템 사이즈 및 비용을 감소하였다. 결과적으로 종전의 기계식 압축기가 적용된 차량과 달리 무시동 기간에도 별도의 연료 소비가 없기 때문에 하절기 연료 및 배출가스의 저감 효과를 가져왔다. 제안된 전력변환기는 향후 24V의 낮은 전압의 전원 조건에서 고효율을 보장하고 저압의 인버터 모듈 사용이 가능한 유사 에어컨 압축기 구동의 전력변환기로 적합할 것으로 기대된다.

Recently, the direction of automotive technology development is concentrated on the reduction of the greenhouse gases accelerating global warming, as well as fuel efficiency improvement against rising oil prices. In particular, as a means of transportation with high transport efficiency compared to its vehicle market share, commercial vehicles are playing a key role in the national logistics industry. In addition, they also play an important role in all transportation sectors, supporting social overhead capital including urban construction, roads, bridges, harbors, etc. Consequently, their annual average mileage is 3.4 times that of passenger cars, with significant oil consumption or CO2 emission, which increases the need to develop eco-friendly technologies and increase energy efficiency. Commercial vehicles, which were recognized as a simple means of transportation in the past, have also become widely recognized as a second living space with the addition of space for the driver to sleep . Accordingly, existing commercial vehicle development is experiencing a change of direction from performance to the direction in which importance is placed on safety, comfort and convenience.
The air conditioning system of a vehicle is a core component that maintains its interior temperature at a comfortable level according to the preference of passengers, and is of great significance in the aspect of increased comfort. In general, vehicle air conditioning systems refer to a unit that maintains a vehicle’s room temperature as desired by its driver using the energy generated by engine operation (driving or idling). Since the operation of such air conditioning systems utilize part of the engine’s driving force, it has s significant relation to the vehicle’s fuel efficiency. In particular, in the case of commercial vehicles, the utilization rate of an air conditioning system depends greatly on the driving habits of a driver when waiting for work during the summer season or when a driver frequently sleeps in the vehicle at night. Consequently, commercial vehicles which use air conditioners frequently and for long periods during the summer season need to have their large engines operating frequently, thereby causing environmental pollution due to excessive fuel consumption and exhaust gas. In addition, it is required that new vehicles must meet the Euro III Emission regulation and be equipped with a control system that automatically stops the engine when the vehicle remains idling for more than 5 minutes. Therefore, the problem regarding air conditioning (cooling) of commercial vehicles, including cargo vehicles and express buses, must be solved.
This paper proposes a power converter for a non-starting air conditioner compressor for commercial vehicles in order to solve the problem of air conditioning (cooling) of a commercial vehicle when it remains stopped. The proposed system consists of a DC/DC converter and a 3 phase DC/AC inverter. In order for the air conditioning system to be operative in the non-starting state of the vehicle, an electrically driven compressor and 3 phase inverter operated at 200V and higher are required. However, in the case of a commercial vehicle, it is composed of a 24V battery-based DC system only. Therefore, in order to supply a non-starting air conditioner compressor system, a converter that can increase the voltage of the 24V battery by more than 10 times is indispensible.
In the case of a converter for a non-starting air conditioner system, it requires high efficiency and high power density along with low voltage (24V) and high current characteristics. Therefore, a resonant type converter with an advantage of reduced loss due to high frequency switching is suitable for a power converter. In order to meet such conditions, this paper configured a L-C resonant type DC/DC converter with a half-bridge structure, consisting of a voltage doubler circuit and high frequency transformer. For the configured converter, the transformer leakage inductance and capacitor of the voltage doubler circuit are used for resonance without using an additional resonant tank. This enabled zero current switching (ZCS) to be available and also allows the converter to be designed in such a way that the switching loss at the primary side of the DC/DC converter transformer through which a current higher than 100A flows. In addition, the entire size and cost of the system were reduced by replacing the inductance component necessary for the resonant circuit with the transformer leakage inductance. As a result, unlike vehicles to which an existing mechanical compressor is applied, it can be seen that fuel consumption and exhaust gas emissions were reduced because no fuel was consumed separately during non-starting period.
It is expected that the proposed power converter will ensure high efficiency under 24V low power supply conditions and be suitable for the power converter for similar air conditioner compressors for which a low withstanding voltage inverter module can be used.