비용 최적화된 저전압 인버터를 위한 모듈식 설계 접근법

전기 자전거, 스쿠터, 스케이트보드, 삼륜 자동 인력거와 같은 마이크로 모빌리티 애플리케이션에는 일반적으로 저전압 인버터가 장착되어 있습니다. 일반적으로 이러한 애플리케이션은 200W~2 kW 수준의 전력을 필요로 합니다.

기타 LV 인버터 시스템 애플리케이션에는 무선 전동 공구, 휴대용 정원 도구, 잔디 깎기 및 기타 응용 솔루션, 비용 최적화된 저전압 인버터를 모듈식 설계 접근 방식(G. Valente & A. Johnston), 백색 가전, 자동차 보조 장치등이 포함됩니다. 인버터의 요건은 특정 응용 프로그램에 따라 명확하게 달라지지만, 저전압, 저전력 인버터의 경우 흔히 비용 절감이 우선시됩니다.

이는 다른 요건과 전반적인 설계 솔루션에 영향을 미칩니다. 까다로운 비용 제약을 충족하기 위해 저전압 시스템을 기반으로 하는 인버터는 흔히 6단계 정류 방법(사다리꼴 제어라고도 함)으로 제어되는 브러시리스 DC(BLDC) 모터를 채택합니다(여기서 살펴보게 될 것입니다).

탐구된 다양한 저전압 인버터 애플리케이션 중에서 마이크로 모빌리티 부문은 모듈식 인버터 설계의 주요 사례 연구로 선택되었습니다. 이는 이러한 애플리케이션이 백색 가전과 같은 다른 일반 애플리케이션에 비해 높은 신뢰성, 안전성 및 성능을 요구하기 때문입니다. 또한, 전기 마이크로 모빌리티는 자동차 운전을 대체하는 편리하고 저렴한 대안을 제공함으로써 도로상의 자동차 수를 줄이고 교통량과 오염을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

전기 마이크로 모빌리티의 또 다른 장점은 일반적인 접근성입니다. 이러한 교통 수단은 작고 가벼우며 본질적으로 더 저렴하고 사용 및 보관이 용이합니다. 대중 교통 수단으로 쉽게 사용할 수 있고 작은 아파트나 사무실에 보관할 수 있어 다른 옵션보다 매우 효율적이고 지속 가능한 매력적인 출퇴근 옵션을 제공합니다. 마이크로 모빌리티는 자동차를 이용할 수 없거나 주차가 제한된 지역에 거주하는 사람들에게 매력적인 옵션입니다. 고가의 충전 인프라 비용이 드는 하이브리드 또는 배터리 전기 자동차와 달리 전기 마이크로 모빌리티는 기존 인프라의 표준 전기 콘센트를 통해 충전할 수 있으며, 물리적 크기와 재료 함량으로 인해 전체 비용이 훨씬 저렴합니다. 최종 사용자는 자동차 운행 비용의 일부만으로 이를 이용할 수 있습니다.

마이크로 모빌리티용 인버터 설계

당사는 전반적인 성능을 향상하고 맞춤형 애플리케이션별 솔루션의 니즈를 줄이기 위해 모델 기반 시스템 엔지니어링 접근 방식을 채택했습니다. 이 접근 방식은 기존의 시스템 엔지니어링 방법과 프로세스, 고급 모델 기반 설계 및 분석을 구현하여 설계 솔루션을 더 잘 제어하고 최적화했습니다. 목표는 앞서 설명한 바와 같이 이론적으로 다양한 애플리케이션에서 재사용할 수 있는 객체 지향 설계 솔루션에 도달하는 것이었습니다.

표준 전자 설계 작업 워크플로를 보완하기 위해 채택된 시스템 엔지니어링 방법에 대한 요약은 그림 1을 참조하십시오.

그림 1. 전자 설계 워크플로를 보완하기 위해 채택된 시스템 엔지니어링 방법에 대한 요약.

필요한 확장성은 요건 캡처 연습을 통해 공식화되었으며, 이는 본질적으로 아키텍처 수준과 하위 수준의 기술 및 구성 요소 선택 모두에서 강력한 설계 단서를 제공했습니다. 요건 검증은 필요한 기능과 해당 기능을 원하는 성능으로 제공할 수 있는 기술을 고려하고 여러 차례 반복되었으며, 시스템의 경계를 더 잘 정의하기 위해 개념적 시스템 솔루션을 탐색하는 과정도 포함되었습니다.

디자인의 모듈성은 인버터를 다양한 기능 블록으로 나눔으로써 달성되었으며, 이는 그림 2에서 시스템 경계 인터페이스와 주요 기능 블록 상호 연결이 표시된 것처럼 기능 모델링 및 N2 분석 결과에 직접적인 영향을 받았습니다.

주요 인버터 시스템 요건은 표 1을 참조하십시오. 또한, 인버터는 3상 모터 와인딩 및 수동 냉각 전력 단계를 가정하여 설계되었으며, 이는 소산되어야 하는 열이 상대적으로 낮고 시스템 비용과 복잡성이 최대한 줄여야 하는 마이크로 모빌리티 애플리케이션에서 흔히 볼 수 있습니다.

그림 2. 기능적 인터페이스 및 주요 기능 블록이 정의된 인버터 시스템 경계 다이어그램(간소화).

그 다음 개별 기능 블록에 대한 요건이 시스템 수준 요건에서 파생되고 분해되었습니다. 그림 2에 제시된 고급 기능 블록 다이어그램은 애플리케이션을 고려하여 개별 블록의 기능과 요건을 신중하게 도출한다면 모든 저전압 및 저전력 인버터에 사용할 수 있습니다.

상세한 분석을 통한 코드 개발 및 설계 최적화

 요건을 검증하고, 의도된 솔루션의 성능과 주요 구성 요소의 성능을 철저히 조사하며, 제조가 시작되기 전에 제안된 솔루션이 요건에 완전히 부합하는지 확인하기 위해 인버터 설계에 대한 다양한 모델링 및 분석 시뮬레이션이 수행되었습니다.

헥사곤 MI에서 제공하는 광범위한 소프트웨어 제품군을 사용하여 여러 시뮬레이션이 실행되었으며, 이에 대한 자세한 내용은 추가 간행물 시리즈를 참조하십시오. 표 2는 수행된 분석 및 이러한 실행의 주요 동기에 대한 개요를 제공합니다.

시뮬레이션 분석 도구 및 설명	시뮬레이션 도구 스냅샷
Elements: 6단계 정류 및 사다리꼴 모터 제어 알고리즘이 구현되고 모델 인 더 루프(MIL) 검증이 테스트되는 Modelica 기반 시스템 레벨 1D BLDC 모터 제어 모델링.
PICLS: 다양한 구성 요소 레이아웃을 빠르게 평가하여 PCB의 열 분포를 최적화할 수 있는 신속한 2차원 열 분석.
거치대:   설계된 PCB의 온도 분포로 채택된 냉각 방법(예: 이 사례 연구에서의 수동 냉각)을 정확하게 예측할 수 있는 고충실도 3D CFD 분석.
거치대/scSTREAM 및 Nastran: scSTREAM로 착수한 열 시뮬레이션으로 Nastran에서 구조적 시뮬레이션을 구동하여 전력 사이클이 적용될 때 솔더 접합 내구성을 평가하는 결합된 열-구조 분석.
CAE 피로: 주파수 및 시간 기반 부하가 적용되어 인버터 제품의 예상 신뢰성과 수명을 평가하고 잠재적인 근본 원인이 되는 파괴 모드를 예측(및 검증)하는 장기 피로 파괴와 내구성 분석.
Marc: Marc: 전류로 인한 줄 손실, 열적 열력 소산, 그리고 서로 다른 재료 간의 열팽창 계수 불일치로 인해 유발되는 기계적 응력 간의 결합을 평가하고 더 잘 이해하고 인버터의 신뢰성을 최적화하고 수명을 늘릴 수 있는 비선형 및 다물리학 시뮬레이션.

표 2 : 수행된 모델 기반 설계 및 분석의 요약.

전자 설계 자동화(EDA)

EDA 소프트웨어는 회로도 캡처와 최종 PCB 레이아웃을 수행했습니다. 그림 3은 앞서 언급된 논리 아키텍처에 맞춰진 제안된 인버터 설계의 회로도 캡처에 대한 상위 수준 요약을 보여줍니다. 여기서 기능 블록의 회로도는 EDA 소프트웨어에 의해 관리되는 특정 하위 시스템으로 구성되어 있습니다.

그림 3. 인버터 아키텍처 요소의 회로도 캡처를 보여주는 EDA의 요약.

그림 4는 최종 PCB 레이아웃을 보여줍니다. 여기서 구리로 채워진 영역은 구성 요소들과 주요 라우팅이 더 잘 보이도록 숨겨져 있으며, 앞서 언급한 다중 물리 시뮬레이션에 사용된 밀집된 최종 PCB 어셈블리가 3D 뷰로 지원됩니다.

그림 4. 최종 인버터 설계: (a) PCB 레이아웃 및 (b) 밀집된 PCB 어셈블리 3D 뷰.

인버터 신속 프로토타이핑 및 테스팅

하드웨어 인 루프(HIL) 테스팅은 신속하게 제작된 프로토타이핑에서 수행되어 요건 대비 제안된 설계를 검증하고 개발된 모델을 검증하며, 이에 따라 인버터 솔루션의 고유한 디지털 트윈이 공식화되었습니다.

프로토타입 PCB 어셈블리는 헥사곤의 Applied Solutions Group 시설에서 수행되었습니다. 그림 5는 수작업, 픽앤플레이스 및 자동 오븐 납땜 및 검사 기법을 혼합 사용한 로컬 PCB 어셈블리의 스냅샷을 보여줍니다.

모터 제어 알고리즘은 Modelica 기반의 1D 시뮬레이션 도구인 Elements(표 2 참조)를 사용하여 모델 기반 설계 및 분석을 통해 개발되었으며, 이후 CCS(Code Composer Studio), Texas Instruments IDE에서 지원하는 소스 코드로 변환되어 대상 마이크로 컨트롤러의 플래시 메모리에 기록됩니다. 그 다음 인버터는 그림 5(b)에서 묘사된 것처럼 규격품으로 바로 구매할 수 있는 BLDC 모터를 사용하여 Applied Solutions Group의 시설에서 단순 회전 및 부하 장치로 테스트되었습니다.

 

그림 5. (a) 신속한 프로토타입 PCB 어셈블리 공정 및 b) 초기 시운전과 교정 테스트 설정.

요약 및 결론

시스템 엔지니어링을 기반으로 하고 모델 기반 설계를 통해 최적화된 제안된 설계 접근 방식 덕분에 전기 마이크로 모빌리티 애플리케이션의 신뢰성 및 무결성 요구 사항에 적합한 확장 가능하고 비용 최적화된 저전압 인버터가 가능해졌습니다. 모듈식 접근 방식 덕분에 인버터를 구성하는 개별 논리 블록을 수정하여 다양한 애플리케이션의 요건에 부합하도록 설계를 쉽게 조정 가능하면서도, 아키텍처나 더 높거나 낮은 전력 애플리케이션 또는 자동차 변속 액추에이터, 상업용 전동 공구 또는 가정용 기기와 같은 대체 애플리케이션 등의 인터페이스를 변경할 필요가 없습니다.

제조된 인버터 프로토타입은 모든 초기 설계 요건을 충족했으며, 이는 '처음부터 올바른' 솔루션을 달성하기 위해 수행된 광범위한 다물리학 시뮬레이션 분석 덕분에 가능했으며, 열 성능과 함께 충격, 진동, 내구성 분석을 수행하여 인버터가 신뢰성과 수명 목표를 달성할 수 있도록 보장할 수 있었습니다. 헥사곤 MI 소프트웨어 제품군을 사용하여 구현된 시뮬레이션 워크플로에 대한 자세한 설명과 결과는 적절한 시기에 추가 간행물 시리즈를 통해 발표할 예정입니다.