종단 부하 특성을 고려한 HEV 파워 케이블의 차폐 효율 측정 방법 정량화에 대한 연구

Abstract

하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle)는 주요 추진력을 얻기 위해 모터를 사용하며 모터를 구동하기 위해 통상 400V / 150A 이상의 고전압 / 대전류를 사용한다. 사용되는 전압과 전류의 범위가 매우 높기 때문에 고전압 파워 케이블로부터 방사되는 노이즈의 크기가 커지게 되어 통상적인 내연기관 차량의 전장 시스템에서 발생하는 전자기 간섭(Electromagnetic Interference) 문제보다 더 심각한 수준의 전자기 간섭 문제를 유발한다. 하이브리드 차량에서 발생할 수 있는 EMI/EMC 문제를 해석하고 노이즈에 의한 영향을 최소화하기 위해서는 하이브리드 차량용 3상 파워 케이블의 차폐 효율을 정확히 측정하는 것이 필수적이다. 전기자동차용 3상 파워 케이블은 코어를 감싼 쉴드를 통해서 전류가 복귀하는 일반적인 단선 차폐 케이블과 달리 전류가 다른 코어를 통해서 돌아오거나 쉴드로 돌아오더라도 차폐 특성이 다르기 때문에 케이블에 의한 노이즈 방사 특성이 통상적인 케이블의 경우와 달라지게 된다. 하지만 주로 통신 케이블을 대상으로 차폐 효율을 측정하기 위해 제안되었던 기존의 측정 방법들은 대부분 외부의 노이즈원으로부터 케이블 내부로 유입되는 노이즈에 대한 차폐 효율을 측정하는 것을 주목적으로 하고, 단선 케이블을 대상으로 하기 때문에 3상 케이블로부터의 노이즈 방사 환경 해석에 부적합한 한계가 있었다. 이와 같은 한계를 극복하고 하이브리드 차량 환경에서의 방사 노이즈 특성 및 3상 파워 케이블의 차폐 효율을 측정하기 위하여 PHSA (Power Harness Screening Attenuation) 방법이 제안된 바 있다. PHSA 방법은 3상 환경에서 변화하는 전류의 복귀 경로를 고려하여 케이블에서 방사되는 노이즈에 대한 차폐 효율을 측정할 수 있도록 고안되었다. 하지만 실제 차량에 장착된 파워 케이블의 차폐 효율은 케이블의 길이, 두께, 편조 밀도와 같은 케이블 자체의 특성과 종단 부하 임피던스와 같은 부하 특성 및 케이블의 휘어짐, 커넥터 유무와 같은 실차 레이아웃 특성에 의해서 변하게 되며 기존에 제안되었던 PHSA 방법으로는 이와 같은 케이블 특성 및 부하 특성의 영향을 반영하여 케이블의 차폐 효율을 측정하는 것에 한계가 있었다. 따라서 PHSA 방법을 적용하여 하이브리드 차량용 3상 파워 케이블의 노이즈 특성을 해석하기 위해서는 케이블 특성 및 부하 특성에 의한 차폐 효율 변화를 관측하고 이를 바탕으로 실험 방법을 보완할 필요가 있다. 본 논문에서는 하이브리드 차량용 파워 케이블의 차폐 효율을 측정하기 위한 실험 방법인 PHSA 방법의 실험 세팅 항목을 구체화하고 케이블의 차폐 효율에 영향을 미치는 실험인자들을 분석하였다. 또한, PHSA를 적용하여 실험실 환경에서 각 인자의 영향을 측정하고 분석하여 PHSA 방법이 실차 환경에서 가능한 케이블 특성의 변화를 반영하여 하이브리드 실차 환경에서의 노이즈 특성 해석에 적용될 수 있도록 하는 기반을 마련하였다. 전기자동차용 3상 파워케이블은 전류의 복귀 경로가 통신 케이블과 같은 일반적인 차폐 케이블과 다르고 종단 부하인 모터의 임피던스가 50Ω으로 고정되어 있지 않고 모터의 인덕턴스, 캐패시턴스 성분에 의해 동적으로 변화하기 때문에 이를 고려하여 차폐 효율의 변화를 측정하여야 한다. 이를 토대로 본 논문에서 분석된 실험 파라미터는 케이블의 길이, 두께, 휘어진 정도, 종단 부하의 임피던스 변화로, 본 논문에서는 이들 파라미터의 변화에 의한 차폐 효율의 변화 정도와 변화 양상을 이론적으로 분석하고 실험을 통해 확인하여 PHSA 방법의 실험 세팅을 구체화하고 이를 바탕으로 파라미터 변화에 따른 차폐 효율 변화를 예측할 수 있도록 PHSA 실험 항목을 표준화하는 것에 초점을 두었다. 이를 위해 본 논문에서는 이론적 분석을 통해 도출된 이론식과 실험에 의한 측정 결과를 비교하고 통해 표준화된 PHSA 실험 세팅과 다른 파라미터를 가지는 케이블에 대해서도 차폐 효율 값을 보정하여 예측하는 보정식과 보정 파라미터를 도출하였다. 케이블의 길이에 의한 변화는 케이블의 길이가 길어짐에 따라 차단 주파수(cut-off frequency)가 감소하고 해당 주파수에서의 차폐 효율값이 낮아지는 경향을 보임을 확인하였고 이를 보정하기 위한 보정식을 도출하였다. 케이블이 휘어짐에 따른 차폐 효율 변화는 편조 밀도 60% 이상의 쉴드를 사용한 케이블에서 5dB 이내로 크게 변화하지 않는 것을 확인하였다. 케이블 두께에 의한 변화에 대해서는 케이블의 직경과 리셉터 회로인 구리 테이프 폭의 비율을 고정시켜 케이블 직경이 달라지는 것을 반영하여 차폐 효율을 측정할 수 있도록 하였다. 부하 임피던스는 HEV 차량용 3상 모터 임피던스의 동적 영역(dynamic range)을 포괄하는 R-L 영역에서 차폐 효율을 측정하여 이를 바탕으로 부하 임피던스 변화에 의한 차폐 효율 변화를 측정하기 위한 R-L 포인트를 선정하였다. 편조 밀도 변화에 대해서는 단선에 대한 이론식을 보정하여 3상 케이블의 차폐 효율을 8dB 이내로 예측할 수 있도록 하였다.

HEV(Hybrid Electric Vehicle) uses a 3-phase motor to get its propulsion power, and it needs high voltage and large current to drive motor, usually over 400V / 150A. Since the range of voltage and current as its main power source is quite high, level of noise radiated from high voltage power cable goes high and EMI problem in HEV becomes more serious than in a conventional internal combustion vehicle. To analyze possible EMI/EMC problems in HEV and to minimize the influence of noise, it is necessary to measure the shield effectiveness of 3-phase power cable for HEV. For 3-phase power cable of electric vehicle, characteristic of noise radiation is different from convectional single wire shielded cable in which current returns through shield because current comes back through another core or shield characteristic differs even though current comes back through shield around core conductor. But previous methods designed to measure the shield effectiveness of communication cable are mostly focused to measure shield effectiveness against noise which flows into the cable from noise source outside and they were designed for single wire cable, so they are inadequate for analysis noise radiation from 3-phase power cable. To overcome this limitation and make it possible to measure shield effectiveness of 3-phase power cable and analyze characteristic of noise radiation in HEV environment, PHSA (Power Harness Screening Attenuation) method was suggested in previous research. PHSA method was designed in consideration of alternating return path of current in 3-phase environment so that it can measure shield effectiveness against noise radiated from 3-phase power cable. But shield effectiveness of power cable mounted on real vehicle can be changed by the characteristic of cable itself like length, thickness, braid density and by layout parameter like cable bending, existence of in-line connector and it is affected by the load characteristic like impedance of termination load. So PHSA method has its own limitation in measuring shield effectiveness of power cable considering all the actual characteristics of cable and load. Therefore we should improve PHSA method on the ground of measurement variation of shield effectiveness by characteristic of cable and load to apply PHSA method and analyze noise characteristic of HEV 3-phase power cable. In this thesis, effect of termination load impedance and another test setting parameters on shield effectiveness was analyzed. Also the influence of each parameter was measured and analyzed applying PHSA in laboratory environment to establish a foundation that PHSA can be applied to analyze noise characteristic of real HEV environment considering possible change in cable characteristic. For 3-phase power cable, since return path for current is different from conventional shielded cable such as communication cable and impedance of motor, which is termination load, varies by capacitance and inductance dynamically, not fixed as 50 Ohms(Ω), variation of shield effectiveness should be measured in consideration of these aspects. On this ground, influence of dynamic change in each impedance component was examined by measuring shield effectiveness on R-L-C range which can cover the dynamic range of 3-phase motor impedance for HEV and R-L test point was selected to estimate the change of shield effectiveness in real 3-phase environment. And influence of cable characteristic and layout like length, thickness, bending and bending was also examined. Change in shield effectiveness according to length variation was decrease in cut-off frequency and shield effectiveness at cut-off frequency. Bending effect was not significant for the cables with braid density over 60% and variation of shield effectiveness was within 5dB. For effect of cable thickness, the ratio of cable diameter and the width of copper tape, which is receptor circuit, was fixed so that PHSA setting can measure shield effectiveness reflecting the change in cable diameter.