EV 전비 향상을 위한 권선 절환 구동 모터의 주운전점 시스템 효율을 고려한 최적화 :Optimization of traction motor with winding changeover considering system efficiency at main operating points to improve fuel economy of electric vehicles

우석원

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자료유형: 학위논문

저자정보: 우석원 (한양대학교, 한양대학교 대학원)

지도교수: 임명섭

발행연도: 2022

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이용수90

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

EV 전비 향상을 위한 권선 절환 구동 모터의 주운전점 시스템 효율을 고려한 최적화

우석원 미래자동차공 2022.01 학위논문

2021

EV 연비 향상을 위한 구동용 IPMSM의 주운전점 효율을 고려한 최적 설계

우석원 , 차경수 , 진준우 외 1명 한국자동차공학회 춘계학술대회 2021.06 학술대회자료

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최근 자동차 부품의 전장화와 환경 오염 규제로 인해 기존의 화석 연료를 사용하여 구동하는 내연 기관 자동차에서 전기를 사용하여 구동하는 전기 자동차 (EV : Electric Vehicle)와 같은 친환경 자동차로 패러다임이 변하고 있다. 이와 같은 현상 따라, 경량화 및 높은 전비 등 더 좋은 성능을 내기 위하여 EV와 관련된 다양한 연구들이 수행되고 있다. 그 중에서도, EV의 1회 충전 주행 거리의 한계로 인해, 전비 향상을 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다. EV의 전비 향상을 위해서는 구동 모터 및 인버터와 같은 actuating 시스템의 효율을 높여야 한다.
구동 모터의 효율을 높이기 위해서 다양한 권선 제조 기술, 모터 설계 기법, 그리고 인버터-모터 권선 절환 토폴로지 등이 제안되었다. 이 중에서 권선 절환 토폴로지를 사용하면, 모터의 도면을 변경하지 않고 모터의 효율 및 EV의 전비를 향상시킬 수 있기 때문에, Open-End Winding (OEW)-Wye, Series-Single 및 Series-Parallel 등 다양한 권선 절환 토폴로지에 관한 연구들이 많이 수행되고 있다. 이러한 대부분의 권선 절환 토폴로지 관련 연구들은 인버터의 효율 보다는 주로 모터의 효율 향상에 초점을 맞추었다. 그러나, EV의 전비를 정확하게 예측하기 위해서는 구동 모터의 효율 뿐만 아니라 인버터의 효율도 고려할 필요가 있다. 그래서, 본 논문에서는 OEW-Wye 권선 절환 방법과 Series-Parallel 권선 절환 방법을 결합한 새로운 OEW-Wye + Series-Parallel 권선 절환 토폴로지의 인버터-모터 시스템 효율 향상 및 이에 따른 EV의 전비 향상에 관하여 연구하고자 한다.
본 논문에서 제안된 권선 절환 토폴로지를 사용하면 Wye-Parallel, Wye-Series, OEW-Parallel, OEW-Series와 같은 다양한 운전 모드의 선택에 따라서 구동 모터의 토크 및 출력 밀도, 그리고 상당 직렬 턴수의 변화가 발생한다. 그래서 EV를 구동 시키는데 필요한 모터의 목표 토크 및 출력 밀도 사양을 만족하면서, 높은 인버터-모터 시스템 효율을 발생시킬 수 있는 적절한 상당 직렬 턴수 및 적층 길이를 결정해야한다. 본 논문에서는, EV 전비 향상을 위한 구동 모터의 최적화를 빠르게 수행할 수 있는 방법인 주운전점 시스템 효율을 고려한 최적화 기법을 이용하여, 적절한 상당 직렬 턴수 및 적층 길이를 결정하였다. 공정한 비교를 위해서, 일반적인 3상 2-level Wye 결선 토폴로지에 대해서도 동일한 최적화 기법을 적용하여 높은 인버터-모터 시스템 효율을 발생시킬 수 있는 적절한 상당 직렬 턴수 및 적층 길이를 결정하였다. 최종적으로, 2개의 토폴로지 별로 결정된 최적화 모델의 시스템 효율 및 EV의 전비를 비교하여, 제안된 권선 절환 토폴로지의 우수성을 확인하였다.

Recently, due to the electrification of vehicle components and environmental pollution regulations, the paradigm has been changed from an internal combustion engine vehicle operated by using fossil fuels to an eco-friendly vehicle such as electric vehicles (EVs) operated by using electricity. According to this phenomenon, various studies related to EVs have been conducted to achieve better performance such as weight reduction and high fuel economy, etc. Among them, studies about improving the fuel economy are being actively conducted to increase the mileage. To improve the fuel economy of EVs, it is necessary to increase the efficiency of the actuating system such as inverter and traction motor.
Various winding manufacturing technologies, motor design techniques, and winding changeover topology for the inverter and motor have been proposed to increase the efficiency of the traction motor. Among them, winding changeover topology can make the efficiency of the motor and the fuel economy of EVs improved without changing the drawing of the motor. Thus, studies about various winding changeover topologies such as Open-End Winding (OEW)-Wye, Series-Single, and Series-Parallel have been conducted. Most of the studies about winding changeover topology mainly focuses on improving the efficiency of the motor rather than the efficiency of the inverter. However, in order to accurately predict the fuel economy of EVs, it is necessary to consider not only the efficiency of the traction motor but also the efficiency of the inverter. Therefore, the purpose of this paper is to study about the improvement of the inverter-motor system efficiency and the improvement of the fuel economy accordingly for a new OEW-Wye + Series-Parallel winding changeover topology which combines the OEW-Wye and Series-Parallel winding connection change methods.
The proposed winding changeover topology in this paper changes the torque and power density of the traction motor and changes the series turns per phase depending on the selection of various operating modes such as Wye-Parallel, Wye-Series, OEW-Parallel, and OEW-Series. Thus, appropriate series turns per phase and stack length should be determined to generate high inverter-motor system efficiency, satisfying the target torque and power density specifications of the traction motor required to operate EVs. In this paper, appropriate series turns per phase and stack length are determined by using the optimization technique considering the system efficiency at main operating points which is a method to rapidly perform the optimization of the traction motor to improve the fuel economy of EVs. For fair comparison, the same optimization technique is applied to the conventional 3-phase 2-level Wye-connection topology to determine the appropriate series turns per phase and stack length to generate high inverter-motor system efficiency. Finally, the system efficiency of the optimization models determined for two topologies and the fuel economy of EVs are compared to confirm the superiority of the proposed winding changeover topology in this paper.

#자동차공학

제1장 서론 1
1.1. 연구 배경 1
1.2. 연구 목적 5
1.3. 논문 구성 8
제2장 구동 모터의 주운전점 결정 방법 10
2.1. 차량의 종방향 동역학 방정식 12
2.2. EV simulation 14
2.3. 에너지 소비율을 고려한 구동 모터의 주운전점 결정 방법 20
제3장 인버터-모터 시스템 효율 24
3.1. IPMSM의 d, q축 모델 24
3.2. IPMSM의 최대 출력 제어 31
3.3. 구동 모터의 손실 36
3.3.1. 전기자 권선의 상저항 및 동손 37
3.3.2. 고정자 및 회전자의 철손 39
3.4. 인버터의 손실 40
3.4.1. 인버터의 전도 손실 41
3.4.2. 인버터의 스위칭 손실 44
3.4.3. 인버터의 전체 손실 45
3.5. 인버터-모터 시스템 효율 45
제4장 권선 절환 토폴로지 49
4.1. 전자계 FEA를 수행할 Base model 50
4.2. OEW-Wye + Series-Parallel 권선 절환 토폴로지 51
4.2.1. OEW-Wye 권선 절환 토폴로지 51
4.2.2. Serie-Parallel 권선 절환 토폴로지 57
4.2.3. OEW-Wye + Serie-Parallel 권선 절환 토폴로지 63
제5장 구동 모터의 최적화 67
5.1. 최적화를 수행할 Base model 68
5.2. 최적화 과정 71
5.3. 최적화 결과 78
제6장 결론 85
Reference 87
영문 요지 92
감사의 글 95

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