1.1. 연구의 필요성

최근 전기자동차(Electric Vehicle, EV)의 보급 확대와 함께 주행 효율 향상 및 에너지 활용률 증대를 위한 다양한 구동 기술이 연구되고 있다. 특히 회생제동(Regenerative Braking)은 차량 감속 시 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리에 재충전함으로써 주행거리를 향상시킬 수 있는 핵심 기술이다. 회생제동 성능은 전동기가 발생할 수 있는 회생 토크와 직접적인 관련이 있으며, 회생 가능한 에너지의 양은 전동기 구조와 제어 방식에 의해 결정된다^{[1, 2]}.

최근 영구자석 사용량 저감과 희토류 자원 의존성 감소를 위해 계자권선형 동기전동기(Wound-Field Synchronous Motor, WFSM)에 대한 관심이 증가하고 있다^{[3, 4]}. WFSM은 계자 전류를 통해 공극 자속을 능동적으로 제어할 수 있으므로 운전 조건에 따라 자속을 조절할 수 있으며, 이를 통해 효율 향상 및 확장된 운전 영역 확보가 가능하다. 특히 회생제동 시 계자 전류를 증가시키면 공극 자속이 증가하여 더 큰 회생 토크를 발생시킬 수 있으므로 회생에너지 회수량 향상에 유리하다.

그러나 계자 전류 증가에 따른 공극 자속 증가는 전동기의 역기전력을 증가시키며, 고정 DC-link 저압 기반의 인버터 구동 시스템에서는 전압 포화 현상을 유발할 수 있다. 이러한 전압 포화는 전류 왜곡, 토크 리플 증가 및 고조파 성분 증가로 이어지며, 결과적으로 회생제동 성능 및 구동 품질 저하의 원인이 된다. 따라서 회생 토크 향상을 위한 계자 전류 증가와 전류 품질 유지를 동시에 만족할 수 있는 제어 기법이 필요하다.

최근 전기자동차의 상품성 평가 요소 중 하나로 NVH (Noise, Vibration, Harshness) 성능의 중요성이 지속적으로 증가하고 있다. 내연기관 차량과 달리 전기자동차는 구동계 이외의 소음원이 상대적으로 적기 때문에 전동기와 인버터에서 발생하는 전자기적 진동 및 소음이 차량 정숙성에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 전동기 구동계의 토크 리플 저감은 단순한 제어 성능 향상을 넘어 차량의 승차감 및 상품성 향상을 위한 중요한 기술적 요구사항으로 인식되고 있다.

전압형 PWM 인버터를 사용하는 전동기 구동 시스템에서는 데드타임 및 전력반도체 소자의 전압강하에 의해 전류 왜곡이 발생하게 된다. 이러한 전류 왜곡은 고주파 전류 성분을 유발하며, 결과적으로 전자기 토크의 리플 성분을 증가시킨다. 발생된 토크 리플은 모터 하우징, 감속기 및 구동축 계통의 기계적 진동을 증가시키고, 차량 실내로 전달되어 NVH 성능 저하의 원인이 된다.

기존 연구에서는 전동기 속도에 따라 DC-link 전압을 가변하여 인버터 전압 이용률을 향상시키고 전류 왜곡을 저감하는 방법이 제안되었다. 그러나 대부분의 연구는 구동 운전에 초점을 두고 있으며, 회생제동 시 계자 전류 증가에 따른 회생 에너지 향상 효과와 전류 왜곡 저감을 동시에 고려한 연구는 부족한 실정이다.

Fig. 1은 계자 전류 증가에 따른 회생제동 특성과 적응형 DC-link 전압 제어의 필요성을 개념적으로 나타낸 것이다. 계자 전류가 증가하면 공극 자속이 증가하여 회생 토크 및 회생 에너지 회수량이 향상된다. 반면 공극 자속 증가에 따라 전동기의 역기전력도 증가하게 되며, 전동기 전 운전 영역을 고려하여 설정된 고정 DC-link 전압 조건에서는 낮은 속도 영역에서도 불필요하게 높은 DC-link 전압이 인가될 수 있다. 이러한 경우 데드타임에 의해 발생하는 전압 왜곡 성분이 증가하여 전류 왜곡 및 토크 리플을 유발할 수 있다^{[5- 8]}. 따라서 회생제동 성능 향상과 전류 품질 개선을 동시에 달성하기 위해서는 운전 상태에 따라 DC-link 전압을 적응적으로 조절할 필요가 있다. 본 논문에서는 계자 전류 증가에 따른 회생 에너지 향상 효과를 유지하면서 전류 왜곡을 최소화하기 위하여 적응형 DC-link 전압 제어 기법을 제안한다.

본 논문에서는 WFSM 기반 전기자동차 구동 시스템을 대상으로 계자 전류 증가를 이용한 회생 토크 향상 기법과 적응형 DC-link 전압 제어 기법을 제안한다. 제안하는 방법은 전동기의 속도 및 계자 전류에 의해 결정되는 전압 요구량을 실시간으로 반영하여 DC-link 전압을 조절함으로써 인버터 전압 여유를 확보하고, 회생제동 시 전류 왜곡 및 토크 리플을 저감한다. 또한 계자 전류 증가에 따른 회생 에너지 향상 효과를 정량적으로 분석하고, 정속도 및 일정 부하 토크 조건에서 전류 THD를 비교하여 제안한 기법의 유효성을 검증한다.

Fig. 1. Effect of field current on the drive system

3.1. 시스템 구성

Fig. 2는 본 논문에서 제안하는 WFSM 기반 회생제동 시스템의 전체 구성도를 나타낸다^{[9, 10]}.

시스템은 배터리, 양방향 DC-DC 컨버터, 3상 PWM 인버터 및 WFSM 계자 제어 인버터로 구성되며, 회생제동 시 발생하는 전력을 배터리로 회수할 수 있도록 설계하였다. 양방향 DC-DC 컨버터는 회생제동 운전 상태에 따라 Buck 및 Boost 동작을 수행하며, DC-link 전압을 적응적으로 제어하는 역할을 담당한다^{[11, 12]}.

회생제동 운전 시 WFSM은 발전기 모드로 동작하며 발생된 전력을 DC-link로 전달한다. 이때 양방향 DC-DC 컨버터는 회생 전력을 배터리로 전달하는 동작을 수행하며, 동시에 운전 상태에 따라 DC-link 전압을 조절한다. 따라서 회생 전력 회수와 적응형 DC-link 전압 제어를 동시에 수행할 수 있다.

3.2. 적응형 DC-link 제어 및 계자 전류 기반 회생제동 제어

회생제동 운전 시 차량 감속 요구량에 따라 목표 회생 토크가 생성된다. 생성된 목표 회생 토크를 만족하기 위하여 계자 전류 지령을 증가시키며, 증가된 계자 전류는 공극 자속을 증가시켜 회생 토크 향상에 기여한다. 그러나 계자 전류 증가에 따른 유기전압 상승은 인버터의 전압 요구량을 증가시키므로, 계자 전류 변화에 대응한 적응형 DC-link 전압 제어가 필요하다.

따라서 계자 전류 증가에 따른 유기전압 변화를 실시간으로 계산하여 DC-link 전압 지령 생성에 반영한다.

전동기의 속도에 의한 전압제한 범위와 DC-link 전압과의 관계는 다음과 같다. SVPWM 기법을 사용하는 전압형 PWM 인버터로 구동되는 전동기의 출력은 인버터가 출력할 수 있는 최대 전압 범위에 의해 제한된다. 그때의 최대 전압 범위는 식 (6), 식 (7)과 같이 정의된다.

식 (7)을 d-축과 q-축 전류에 관한 유기전압의 제한으로 나타내면 식 (8)과 같다.

본 논문에서는 전동기의 운전 상태에 따라 필요한 최소 DC-link 전압만을 공급하는 적응형 DC-link 전압 제어를 적용하였다.

전동기의 출력 전압은 회전자 속도와 계자 쇄교자속에 의해 결정된다. 따라서 전동기 운전 상태에 따라 요구되는 최소 DC-link 전압 또한 변화하게 된다. 본 논문에서는 전동기의 d-q 축 전압 방정식을 이용하여 순간 전압 요구량을 계산하고, 이를 기반으로 DC-link 전압 지령을 식 (9)와 같이 생성하였다.

제안한 방식은 전동기의 속도와 계자 전류 변화에 따라 필요한 최소 DC-link 전압만을 공급함으로써 저속 영역에서 불필요하게 높은 DC-link 전압이 인가되는 것을 방지한다. 따라서 데드타임에 의해 발생하는 전압 왜곡 성분을 감소시킬 수 있으며, 결과적으로 전류 THD 및 토크 리플 저감 효과를 얻을 수 있다.

4.1. 속도제어 기반 운전 시 적응형 DC-link 전압 제어 특성

Fig. 3은 속도 변화에 따른 DC-link 전압, 상전류 및 토크 응답을 나타낸다. 전동기 속도가 증가하는 구간에서는 속도 추종을 위해 양의 토크가 발생하며, 이에 따라 q-축 전류와 상전류가 증가한다. 반면 속도지령이 감소하는 구간에서는 음의 토크가 발생하고, 이때 회생 전력이 발생한다.

Fig. 3. Responses of DC-link voltage, current and torque to speed variation

양방향 DC-DC 컨버터는 회생제동 운전 상태에 따라 Buck 및 Boost 동작을 수행하며, DC-link 전압을 적응적으로 제어하는 역할을 담당한다^{[11, 12]}.

회생제동 운전 시 WFSM은 발전기 모드로 동작하며 발생된 전력을 DC-link로 전달한다. 이때 양방향 DC-DC 컨버터는 회생 전력을 배터리로 전달하는 동작을 수행하며, 동시에 운전 상태에 따라 DC-link 전압을 조절한다. 따라서 회생 전력 회수와 적응형 DC-link 전압 제어를 동시에 수행할 수 있다.

4.2. 계자 전류에 따른 회생 토크 및 회생 에너지 비교

Fig. 4와 Fig. 5는 동일한 속도 지령 및 감속 조건에서 계자 전류 변화에 따른 회생 토크, 회생 전력 및 누적 회생 에너지를 비교한 결과이다. 계자 전류가 증가하면 계자 쇄교자속이 증가하므로 동일한 감속 조건에서 더 큰 회생 토크를 발생시킬 수 있으며, 결과적으로 회생 전력과 누적 회생 에너지가 증가한다. 제안 방식은 계자 전류 증가를 통해 회생 토크를 향상시키고, 적응형 DC-link 전압 제어를 통해 전압 포화를 방지함으로써 배터리로 회수되는 에너지를 증가시킨다. 따라서 제안한 계자 전류 및 DC-link 전압 연계 제어는 전기 자동차의 주행거리 향상에 기여할 수 있다. 계자 전류가 증가함에 따라 계자 쇄교자속이 증가하고, 동일한 q-축 전류 조건에서도 더 큰 회생 토크가 발생함을 확인하였다. 이는 WFSM의 계자 전류 제어 특성을 활용하면 회생제동 성능을 향상시킬 수 있음을 의미한다.

Fig. 4. Regenerative braking characteristics at a field current of average 6 A

Fig. 5. Regenerative braking characteristics at a field current of average 8 A

Table 3은 회생 시 평균 계자 전류에 따른 회생 에너지를 비교한 결과이다. 계자 전류를 6 A에서 8 A로 증가시켰을 때 누적 회생 에너지는 약 33.3% 증가하였다. 이는 계자 쇄교자속 증가에 의해 동일한 감속 조건에서도 더 큰 회생 토크를 발생시킬 수 있기 때문이다.

4.3. 상전류 파형 및 전류 품질 비교

전류 THD 비교는 속도 및 토크 변화의 영향을 배제하기 위하여 정속도 및 일정 부하토크 조건에서 수행하였다. 이는 회생제동 과도구간에서 THD를 비교할 경우 운전점 변화의 영향이 포함될 수 있기 때문이다. Fig. 6은 회생제동 운전 시 고정 DC-link 전압 제어와 제안 방식의 상전류 THD를 비교한 그림이다. 고정 DC-link 제어와 적응형 DC-link 제어 결과 THD는 각각 평균 3.67%, 평균 1.96% 이다. Fig. 7과 Fig. 8은 같은 조건의 상전류 파형을 비교한 실험 결과이다. 고정 DC-link 전압 제어에서는 전류 파형에 고조파 성분이 포함되어 왜곡된 형태로 나타난다. 반면 제안 방식은 계자 전류 증가에 따른 유기전압 상승을 고려하여 DC-link 전압을 적응적으로 제어하므로 상전류 파형이 보다 정현파에 가까워진다. 이는 제안 방식이 회생제동 성능을 향상시키는 동시에 전류 품질을 개선할 수 있음을 의미한다.

Fig. 6. Comparison of phase current THD during regenerative braking

Fig. 7. 3-ph current waveforms with fixed DC-link voltage control

Fig. 8. 3-ph current waveforms with variable DC-link voltage control

4.4. 토크 리플 분석

Fig. 9와 Fig. 10은 고정 DC-link 전압 제어와 제안 방식의 토크 리플을 비교한 결과이다. 고정 DC-link 전압 제어에서는 전류 왜곡에 의해 토크 리플이 증가하였으나, 제안 방식에서는 전류 왜곡이 감소함에 따라 토크 리플이 저감되었다. 제안 방식 적용 시 토크 리플은 1.8Nm에서 0.98Nm로 감소하여 약 45.6% 저감 효과를 확인하였다. 토크 리플 감소는 전동기 및 구동축 계통의 진동 저감과 관련되므로, 제안 방식은 전기자동차 구동계의 NVH 개선 가능성을 제공할 수 있다. 다만 본 논문에서는 진동 및 소음의 직접 측정은 수행하지 않았으며, NVH 개선 가능성은 전류 품질 및 토크 리플 감소 결과를 바탕으로 정성적으로 검토하였다.

Fig. 9. Torque ripple waveforms with fixed DC-link voltage control

Fig. 10. Torque ripple waveforms with variable DC-link voltage control