별

특 기

고

Special contribution

92 계장기술

1. 개요

최근Global 환경문제의극복과화석연료고갈에따른유가상승의문제를해

결하기위하여전세계적으로전기자동차개발이경쟁적으로진행되고있다. 유

럽, 북미, 그리고아시아의모든글로벌자동차업체들은전기자동차를개발중이

며, 일본의미쯔비시와닛산은이미전기자동차를양산하기시작하였다. 특히닛

산의전기자동차인Leaf는상용화의핵심걸림돌중하나인가격측면에서도경

쟁력을보유하고있다. 물론Battery의성능과가격에기인하는주행거리의한계

를극복해야하고충전인프라구축등선결과제가산재하지만, 기술적으로전기

자동차는더이상미래차가아니라는판단이다. 배터리와인버터, 그리고모터는

전기자동차용 Electric Power Train의 핵심부품이다. 전기자동차용 인버터는

모터를구동및제어하기위한장치로써, 고신뢰성H/W, 고속/고효율모터제어

성능, High Power Density, 보호/진단수단의특성을가져야하며, Vehicle 제어

기와연계하여차량의구동력을최적으로제어해야한다.

2. 전기자동차용인버터기술의특징

표 1은승용차급을기준으로한전기자동차용인버터사양의예이다. 이러한

사양은 산업용 인버터와비교하여전기자동차용인버터가갖추어야할 기능과

성능을함축적으로보여준다. 50kW부터100kW까지의인버터출력범위는소형

전기자동차용인버터기술

양 천 석 수석연구원 / LS산전㈜ 안양연구소chunsuky@lsis.biz

932011. 10

전기자동차용 인버터 기술

승용차부터 SUV까지의 승용차량을 커버하며, 인버터

구동전원으로는DC 200V ~400V이며, 이것은리튬이

온등의배터리 SOC를감안한DC전원입력범위이다.

제어전원으로는엔진차량과같이12V급납축전지배터

리를사용한다.

전기자동차의 Electric Power Train에있어서구동

력은엔진대신에모터를이용하는데, 모터의구동력을

Transmission을통하여휠에전달한다. 그런데모터의

토크-속도최대능력곡선이엔진과다르게속도에따라

연속적이기 때문에 전기자동차에서 사용하는

Transmission은엔진차량과같이다단일필요가없으

며, 보통일정한하나의고정감속비를갖는다. 이러한

감속특징과차량에서필요한속도및토크특성을감안

하여전기자동차용인버터는~12,000rpm 정도까지모

터를고속제어해야하며, 이는산업용보다4배이상의

범위이다. 또한전기자동차의연비측면에서가능한동

일배터리에너지로보다먼거리를주행할필요가있으

므로, 전기자동차용인버터는고효율특성을가질것이

요구된다. 또한전기자동차용인버터는가혹한자동차

내환경에서고신뢰성을보장해야한다는것이다. 표 1

은대표적으로온도, 진동, EMC 특성및외함보호등급

측면에서전기자동차용인버터가보장해야할기본사

양인데, 이를달성하기위한회로및구조설계가요구

된다. 뿐만아니라자동차라는한정된공간특성과고연

비달성측면에서전기자동차용인버터는높은Power

Density를가질것이요구된다. 덧붙여, 자동차는운전

자의안전이중요하므로자동차용인버터는자체및차

량제어기(VCU)와 연계하여 철저한 보호/진단 수단을

확보하고예방적고장조치기능을가져야한다. 그림 1

은고신뢰성및High Power Density를갖는수냉구조

의자동차용인버터외관이다.

2.1 고신뢰성 회로 기술

전기자동차용인버터가자동차내환경에서고신뢰성

을가지려면인버터의모든부품이Automotive Spec.

을가져야한다. 그림2의전기자동차용인버터전력회

로에서 IGBT 모듈은DC입력전원을모터구동을위한

교류 전원으로 변환하기 위한 전력용반도체 스위치로

써전기자동차용인버터의H/W 신뢰성에가장큰영향

력을끼지는핵심소자이다. 따라서자동차내환경을만

족하는 인버터 구현을 위해 온도/진동/수명 측면에서

Automotive Qualified 특성의IGBT를적용해야한다.

Infineon의자동차용IGBT 모듈의주요특징은다음

과같다.

•Low Power Loss Technology

•TC rugged Al203 DBC

출력[kW] 50kW~100kW

과부하내량 200% / 2분

입력 전원 Battery

입력 전압 DC 240~400V

제어전원 Battery DC 12V

외함 보호 등급 IP65 이상

운전속도 ~12000rpm

냉각 방식 강제 수냉

냉각조건 8 LPM, 65℃

동작온도 -40℃~+85℃

진동조건 ~5g

EMC 단품/차량 조건만족

수명 완성차 업체별

출력정격

입력정격

표 1. 승용급 전기자동차용 인버터 사양의 예

그림 1. 수냉구조의 자동차용 인버터 외관

Special contribution특·별·기·고

94 계장기술

•Enhanced Wire Bonding

•DBC Soldering Using Ball Bump

•Flat Copper Base Plate

•High Reliability

전기자동차용인버터의 DC-link Capacitor는 입력

전원이DC이므로전압평활이아니라전류ripple을감

당하는 것이 핵심기능이다. 그런데 Ripple 전류와

Capacitor의 ESR 성분에의한손실로써 Capacitor의

온도가상승하게되며, Capacitor의수명은온도에영

향을받는다. 따라서 전기자동차용인버터

의 DC-link Capacitor는 전해 Capacitor

를 사용하는산업용인버터와다르게고전

류 Ripple/저손실/장수명 확보를 위해

Film Capacitor를적용한다. 또한동일재

질의 Film Capacitor라 하더라도 병렬로

구성된 Cell의 전기적 결선구조에 따라 등

가ESR이달라지는만큼내부회로의최적

구조설계를위한Know-how가요구된다.

한편Film Capacitor는 Fuse 기능을갖도록작은격자

로패턴화되어증착되고, 단위영역에서전류balancing

문제라든가의이유로소손되면, 해당영역을회로에서

절연시키는Self-Healing 기능을가진다.

그밖에모터제어를위한전류센서와인버터의제어

회로에사용되는모든부품은Automotive Qualified특

성을 가져야 한다. 이를 위해 AEC-Q100 및 AEC-

Q200 인증부품을적용해야한다.

그림 2. 전기자동차용 인버터의 Power 회로

그림 3. 전기자동차용 인버터의 IGBT 모듈

EV InverterEV Relay

MainBattery

CANDiagnosisBox

보조 Battary(12V or 24V)

Vehicle Control Unit

CAN

Inverter Drive & Control Circuit(32 Bit DSP)

FilmCap.

IGBT Module

CT

CT

온도 F/B

속도 F/B

Wheel감속기

EVMotor

M

952011. 10

전기자동차용 인버터 기술

2.2 최적 구조설계 기술

■ High Power Density 구조

차량의경량화및소형화는내연기관뿐만아니라전

기자동차에서도연비저감효과를위해필수적으로수

행되어야하는과제이다. 전기자동차용인버터의경우

도체적및중량최적화를통해High power density를

실현할필요가있다. 이를 위해서는각부품들을공간

효율성이극대화될수있도록배치해야하며, 부품 간

의절연거리, 전자파특성, 최소Power path 등이동시

에 고려되어야 한다. 또한, 내진성 및 냉각 성능 역시

Lay-out 설계에 있어 중요 설계 인자이며, 다양한

Trade-off 관계에있는이러한설계인자들의최적화

를통해High power density를확보할수있다. 그림

6은 100kW급인버터의기능별 Package와각부품의

형상에 대해 나타낸다. 보여지는 바와 같이 Function

별 모듈화를 통해 부품의 체적을 감소시키고, 구조를

단순화하여 조립성 향상을 도모하였다. 이러한

Package 설계는 설계 초기단계에서부터 검토되어야

하며, 전체적인 Concept 설계 완료시부품별신뢰성

확보를위한최적설계가수반된다.

■강성해석

초기Concept 설계에서일정부분이결정된후, 앞서

언급한바와같이제품의신뢰성를위해제품내의단품

들에대한Variant study를수행한다. 이를통해부품

그림 4. 전기자동차용 인버터의 Film Capacitor

C(multiple) Capaditance vs. ripple current

0 5 10 15 20 25 -50 -25 0 25 50 75 100Ripple current [Arms] Temp. [℃]

수배의정전용량필요

Tanδ[%] Tanδvs. temperature

Red : Al electrolyticGreen : PP filmBlue : PET film

Red : Al electrolyticGreen : PP film

6

5

4

3

2

1

0

1000

100

10

1

0.1

그림 5. Capacitor 종류에 따른 ripple 전류 및 손실 특성

별진동, 강성, 경량화를확보할수있다. 그림7은PCB

간의차폐성능을위한차폐판의모델별내진성능을

해석을통해수행한결과이며, 동등 수준의중량과고

정부에서형상에대한설계변경을통해내진성을확보

한경우이다. 차폐판뿐만아니라기타부품들도동일

한과정을거쳐설계되며, 실증적test와병행하여제품

의신뢰성을확보하고있다.

Special contribution특·별·기·고

96 계장기술

그림 6. 최적구조를 갖는 전기자동차용 인버터

그림 7. 인버터 차폐판의 내진성능 해석결과

Mode 1

Mode 2

Mode 3

Mode 4

Mode 5

Mode 6

■Variant Study- General Design Guide : Higher than 150Hz [ref. GM request]

Current Design Variant 1(with ribs)

Variant 2(press mi’g boss)

Variant 3(press mi’g boss / add.

bosses)

Variant 2(press mi’g boss / add.bosses with ribs)

전기자동차용 인버터 기술

972011. 10

■열유동 해석

냉각구조의경우, 인버터의고출력으로인한발열로

부품의수명및오작동을줄이기위해설계시필수적으

로 고려되어야 하는 사항이다. 특히 차량용 인버터의

전력용반도체의경우, 효율적인냉각구조를구현하는

것은매우중요하며, 최대65°C 이상의부동액inlet 환

경에서도정상적으로동작할수있도록수냉식냉각구

조를채택하고있다. 이를위해서는열유동해석을통해

인버터의 온도분포, 냉각수의 유동 등에 대한 예측이

필수적으로 수행되어야 한다. 그림 8은 전기자동차용

인버터에 장착된 전력용반도체의 냉각성능 확보를 위

한Cooling system의열유동성능해석결과이다.

2.3 고속/고효율 EV전동기 제어 기술

■ EV 유도 전동기 고속/고정밀 토크 제어기술

변속기를사용하지않는전기자동차의경우폭넓은

속도로주행을하기위해서는고속전동기제어기술이

필요하다. 또한 가속페달의입력에따라정확히토크

를발생해야한다. 이에 기존의수식에기반한제어로

는토크제어정밀도를만족할수없어참조표를사용하

여토크제어를수행한다. 그림 9및그림 10과같이토

크지령및현재속도에따른전류지령을참조표를사

용하여 생성하고, 이 지령에 의해 전류제어를 수행한

다. 이와같은방법으로오차범위±5% 이내로토크제

어를수행할수있다.

그림 8. 수냉구조를 갖는 인버터의 열유동성능 해석결과

그림 9. 전기자동차용 인버터의 모터제어 블록도

Te*

Te*

Vdq*

Lm

τr

Lm

τr

Te*

ωr

ωrωr

ωr

id*

iq*

iq*

id*

id*

id*

자속제어시

슬립계산

전류제어기

■ EV 유도 전동기 고효율 제어 기술

전기자동차는배터리의에너지만으로운전을하며,

배터리의용량은제한되므로고효율운전이필요하다.

기존의유도전동기제어방법은 d축전류를일정하게

제어하고, q축전류를변화하여토크를변경하였다. 이

러한방법은같은토크를발생하기위하여더큰전류를

필요로하는경우가대부분이므로손실이증가하게된

다. 임의의토크를발생하기위하여d축전류의크기를

변화하면서 가장 작은 전류 크기를 인가하는 MTPA

(Maximum Torque Per Ampere) 운전을 하면, 전류

크기에따른손실을줄일수있다. 이때 d축전류에따

른Lm의포화또한고려한다.

또한고속운전시제한된전압내에서가능한큰토

크를발생할수있도록MTPV(Maximum Torque Per

Special contribution특·별·기·고

98 계장기술

(a) d축 전류지령 참조표 (b) q축 전류지령 참조표

그림 10. 인버터의 벡터제어를 위한 전류지령 참조표

그림 11. 전기자동차용 인버터의 벡터제어

Te* Te

*

ωrωr

id* iq

*

(c) Lm 포화 고려 MTPA 제어 (d) 전압제한 MTPV 제어

(a) d축 전류 일정 제어 (b)전류 최소화 MTPA 제어

Te

Te _ w / _ L m s a t

Vs,max@LowSqd

Vs,max@High Sqd

Te _ w / o _ L m s a t

Te1

Te2

Te1

T

45。

45。 45。

e2

Is1

Is

Is2

Is1

Is2

idse

idse

ids_ratee

iqse

iqse

idse

iqse

idse

iqse

전기자동차용 인버터 기술

992011. 10

Voltage) 운전을한다. 이와같이전동기제정수의변동

을고려한MTPA 및 MTPV 운전을통하여전동기제

어효율을높일수있다.

2.4. 진단통신 및 보호 기술

전기자동차의주행안정성확보는매우중요한이슈

이다. 따라서전기자동차의구동력을제어하는인버터

는 운전상태의 모니터링, 예방적 고장진단, 그리고 비

상시 보호수단이 필수적으로 요구된다. OBD(On

Board Diagnostics)는 엔진자동차의배가스에직접적

영향을끼치는Power Train 부품에대한자기진단및

보호대책에 관한 표준(Standard)이며, 전기자동차의

Electric Power Train 부품에도동일하게적용된다. 그

림 12는OBD-II Standard에의한전기자동차용인버

터의진단통신기능이다. 전기자동차용인버터는CAN

기반의진단통신기능을내장하고GDS 장비를통해인

버터상태진단, 고장이력Data 전송, S/W 업데이트등

의기능을수행할수있어야한다. 진단모드수행시고

장내용에대한정보는DTC(Diagnostic Trouble Code)

규격으로정해져있다.

전기자동차용인버터구현시에는DTC로정의된각

각의고장진단기능을구현하는방법, 즉고장검출회로

와고장진단S/W 알고리즘이Know-how이며, 제품의

신뢰성제고를위해중요한사항중하나이다. 이를위

해전기자동차용인버터는DSP 기반의제어회로와전

압, 전류및온도센싱회로, 연산회로, 그리고보호회로

를내장하고, CAN 통신기반의OBD 진단알고리즘을

통해 Driving Cycle마다 전기자동차용인버터의물리

그림 12. OBD-II에 의한 전기자동차용 인버터의 진단통신 기능

표 2. SAE J2012 Diagnostic Trouble Code의 예

BATTERY

PRA(PDV) PCU Moror

Info.

ChargeDC DC Converter

OBD-II Connector(16-pin female)

SAE J1962[Diagnostic Connector]

ISO 15765[Diagnostic on CAN]

<GDS>SAE J1978

[OBD-II SCAN Tool]

Ground

Diagnostic and CommunicationManagement Function()

Data Transmission Function()

Stored Data TransmissionFunction()

Input/Output Control Function()

Upload/Download Function()

Power

Trip

DTC Number

P0A3C

P0A3D

P0A3E

P0A3F

P0A40

P0A41

P0A42

DTC Naming

Drive Motor “A”Inverter Over Temperature

Drive Motor “B”Inverter Over Temperature

Generator Inverter Over Temperature

Drive Motor “A”Position Sensor Circuit

Drive Motor “A”Position Sensor Circuit Range/Performance

Drive Motor “A”Position Sensor Circuit Low

Drive Motor “A”Position Sensor Circuit High

적및전기적고장을감지, 판단및조치해야한다. 이를

통해Electric Power Train 시스템과인버터를보호할

수있으며전기자동차의Safety를확보할수있다.

■인버터에 내장된 보호기능의 예

•구동전원과전압/저전압

•인버터출력과전류

•인버터과온

•전동기과온

•IGBT Arm-short

•제어전원과전압/저전압

•과부하시Derating

•전류센서, 속도센서등센서류고장

•CAN 통신오류

•출력Cable 단선외

3. Design Validation

전기자동차의주행Performance와고신뢰성확보는

매우중요한이슈이다. 따라서전기자동차의핵심부품

인인버터는엄격한기준의단품시험및실차시험을통

해 Desigh Validation을 실시한다. 단품측면의 고속/

고효율 제어성능 시험은 전기자동차 환경을 모사한

Motor 다이나모에서실시한다. 전속도영역에서모터

링및회생시모두모터토크제어Accuracy가오차범

위±5% 이내로들어와야한다. 또한가혹한자동차내

환경의온도, 진동, 보호등급등신뢰성검증시험을통

해설계의정합성을확인하고시험기준을완벽히통과

해야한다. 또한수명가속시험을통해내구성을확인한

다. 전기자동차에 있어서 EMC 기준은 엔진자동차와

동일하다. 그런데인버터는대전류/고전압을스위칭하

여전력변환을하는장치이므로EMS도문제지만높은

EMI 발생을피할수없다. 따라서전기자동차용인버터

는필터, 차폐및접지수단을강구해야하며, PCB 설계

도 EMC를 저감할 수 있도록 다층기판으로제작되고,

제어전원과Ground Pattern을설계해야한다.

■ 전기자동차용 인버터 모터제어 성능검증

항목의 예

•SOC 한계내전전압및전속도영역에서출력

성능시험

•T-N 능력곡선전영역에서토크제어정밀도성

능검증

•효율성능검증

•보호기능검증외

그림 13. 전기자동차용 인버터의 다이나모 시험

■ EV 인버터 신뢰성 성능검증시험 항목의 예

•한계동작온도시험

•한계동작진동시험

•온도/진동복합시험

•방진/방수성능시험

•내전압및절연시험

•제어전원특성시험

•부하사이클운전시험

•EMC 성능시험

•HALT 시험외

Special contribution특·별·기·고

100 계장기술

전기자동차용 인버터 기술

1012011. 10

4. 실차적용및개발사례

전기자동차용 인버터에 대한 단품측면의 Design

Validation이 완료되면, 실차장착시험을 실시한다. 전

기자동차의VCU(Vehicle Control Unit)가 CAN 통신

수단에의해Electric Power Train의각부품들과전체

차량System을제어하게되며, 다양한운전조건별전

기자동차의구동, 정지 및보호동작성능시험을실시

한다. 전기자동차실차시험시Battery SOC를포함하

여, 운전제어및환경측면에서최악의운전조건에따른

시험기준으로전기자동차용인버터성능을검증한다. 또

한차량진단및성능향상을위한진단통신OBD 기능의

검증과실차환경의EMC 성능향상을부품별로진행한

다. 이를통해실차환경의인버터목표성능을확보한다.

국내 최초의 전기자동차인 블루온의 인버터는 모터

제어를 통해 50kW의 Power, 11500rpm의 속도,

167Nm의토크를출력한다. 블루온전기자동차는고정

감속비를 갖는 Transmission을 통해 휠을 구동하며,

최고속도 130km/h와 제로백 13.1초의 뛰어난 성능을

구현하였다.

5. 맺음말

전기자동차용 인버터를 구현하기 위한 기술은 신기

술이아니라차별화된기술이다. 산업용인버터와비교

하였을때, 모든요소기술측면에서Break-through가

요구된다. 즉전기적Hardware 설계기술, 기계적구조

설계및냉각기술, 모터의고속/고효율제어기술, 고장

진단/보호기술, 차량system과의통신기술, EMC 특성

확보등모든요소기술영역에서어렵고높은수준을만

족해야한다. 더불어이러한높은Quality를 유지하면

서도전기자동차의본격상용화를위해서큰폭의Cost

저감도필요하다. 이를위해핵심부품과연계한구조설

계최적화등의노력도기울여야하며, 새로운 Power

Topology도개발할필요가있다. 최근에는인버터로써

만 접근하지 않고, On-Board Charger와 연계한

Electric Power Train 전체시스템측면에서신뢰성을

올리고Cost도저감하는새로운인버터구현아이디어

들이시도되고있다.그림 15. 블루온 전기자동차 및 인버터

그림 14. 전기자동차용 인버터의 내환경 시험 예

(a) EMC 시험 (b) 온도/진동복합시험 (c) 방진/방수시험