Development of BLDC Motor for HEV Engine Cooling and Battery Cooling System

Copyright

2015 KSAE / 135-01 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149

Transactions of KSAE, Vol. 23, No. 2, pp.153-160 (2015)

하이브리드 차량의 엔진 및 배터리 냉각팬 구동용 BLDC모터 개발

이 대 웅^*

한라비스테온공조 연구본부

Development of BLDC Motor for HEV Engine Cooling and Battery Cooling System

Daewoong Lee^*

Research Division, Halla-Visteon Climate Control Corp., 95 Sinil-seoro, Daedeok-gu, Daejeon 306-230, Korea (Received 19 March 2014 / Revised 30 April 2014 / Accepted 25 May 2014)

Abstract : Hybrid Electric Vehicles(HEVs) have seriously come into prevalence recently as car manufacturers and consumers have become more aware of the environmental and economic problems of conventional vehicles. For the alternative power-train and battery cooling systems in HEVs, an effective thermal management system is required, and many automakers are interested in using Brushless DC(BLDC) motors for cooling fans for the overall traction unit's performance and energy saving capability. This paper presents the development status of BLDC motors as major parts of the power-train, i.e. the engine cooling and battery cooling fans of HEVs. A design that uses BLDC motors for the power-train and each battery cooling fan, is successfully implemented through using electro-magnetic analysis, and prototype BLDC motors are examined. As experimental results, the BLDC motors achieved an efficiency of 85% as engine cooling fans and 72% as a battery thermal management fan motor. The electric cogging noise is significantly reduced by changing the skew of the slot pitch angle and optimizing the magnetic shape.

Key words : Power-train cooling system(동력계 냉각시스템), Battery cooling system(배터리 냉각시스템), BLDC motor(BLDC모터), Motor performance(모터 성능), Electro-magnetic analysis(전자기장 해석), Efficiency(효율)

Nomenclature

 : current, A

 : power, W

 : resistance, Ω

 : motor torque, N-m

 : voltage, V

 : efficiency, %

 : angular velocity, rad/sec

Subscripts

 : motor

*

Corresponding author, E-mail: dlee6@hvccglobal.com

 : electronic

 : input

 : output

1. 서 론

운송수단으로써 인류와 함께 해온 자동차 기술은

진보를 거듭함에 따라 여러 기술들을 자동차에 접

목하려는 노력들이 지속되는 가운데, 배럴당 100달

러를 호가하는 유가는 현재 자동차산업이 직면하고

있는 가장 큰 문제점으로 대체에너지(alternative

energy) 개발, 대체 동력계(alternat ive power-train)의

개발에 대한 압박으로 단기적으로는 연비개선과 함

이대웅

께 미래형 자동차 개발의 요구를 촉진시키고 있다.

대체 동력계 기술이 적용된 자동차를 일반적으로 미래형 자동차로 통칭하는데, 이중에서 파워트레인 에 있어서 기존의 엔진과 전기모터 기술을 채용한 하이브리드 자동차가 주목을 받고 있다. 특히 일본 에서 시작된 하이브리드 자동차는 배기규제와 높은 유가를 등에 업고 미국, 유럽, 중국 등 전 세계에서 확산되고 있어 우리나라도도 이러한 추세로부터 결 코 자유롭지가 못한 실정이다.

하이브리드 자동차는 구성요소와 용도에 따라 다 양한 방식으로 구분되나, 크게 두 가지 방식으로 분 류할 수 있다. 대개 직렬(series) 또는 병렬(parallel)하 이브리드로 구분된다. 직렬 및 병렬 하이브리드 차 량은 효율이 높은 내연기관, 전기 구동 모터(electric traction motor), 파워트레인 전용으로 전기 에너지를 저장할 수 있는 니켈수소(Ni-MH) 배터리 등 파워트 레인 시스템의 구성에서는 유사성을 가지고 있다.

하이브리드 자동차의 파워트레인은 내연기관 엔 진의 보조 동력원 또는 대체 동력원으로 전기 모터 가 결합되면서 배터리나 초고용량 커패시터와 같은 에너지 저장 및 발생 장치의 부가가 필수적이다. 이 러한 대용량 2차 배터리는 Ni-MH 배터리에서 리튬 이온(Li-ion) 전지로의 전환 등 점차로 고용량, 고밀 도화로 개발되는 추세여서 차량성능과 직접적인 영 향을 미치는 배터리의 열관리가 매우 중요한 문제 로 등장하고 있다. 또한 엔진과 구동모터의 발열도 적절히 냉각하여 최대의 성능과 연비를 달성하기 위한 연구가 선진국을 중심으로 활발히 진행되고 있다.

이러한 하이브리드 차량의 엔진 냉각시스템은 주 로 대류열전달에 기초한 강제 냉각방식이 대부분이 며, 냉각수가 열교환기(radiator)를 지나면서 전동 모 터에 의해 구동하는 팬으로 냉각된다. 2차 배터리의 냉각방식으로는 수냉식, 공랭식 등이 있으나, 주로 전동 모터를 이용한 공랭식 팬으로 배터리의 발열 을 제어한다. 그러나 배터리 냉각시스템에 DC 전동 모터를 사용할 경우, Ni-MH 배터리가 충전과 방전 을 반복하면서 수소가스가 발생하게 되고, 모터의 회전자와 정류자사이에서 발생하는 불꽃은 자칫 차 량폭발의 위험까지 내포하고 있다. 동력계 냉각시

스템의 경우 적은 소모 전력과, 보다 정교한 냉각시 스템의 제어로 최적의 연비를 달성하고자 BLDC모 터의 개발이 요구되고 있다. Toyota의 경우 이들 동 력계와 배터리 냉각시스템에 사용되는 전동 모터의 변천사를 살펴보면, 초기 개발모델인 Prius에는 동 력계 냉각시스템이나, 배터리 냉각시스템 모두에 DC 전동 모터가 사용되었으나, Camry 및 LS600h에 는 BLDC모터가 사용되고 있다.

BLDC모터를 사용하는 파워트레인과 2차 배터리 냉각시스템의 국내기술 현황을 살펴보면, 엔진과 구동 모터의 효율적 동력 사용을 위한 시스템 제어 기술과 배터리 기술 및 배터리 제어 기술은 어느 정 도 연구 개발이 진행되고 있으나, 이들 동력계 및 배 터리에 대한 열관리 시스템 및 효율적인 제어 기술 은 연구 개발이 미진한 실정이다.

본 연구에서는 엔진 냉각시스템의 냉각팬 구동에 필요한 핵심 부품인 BLDC모터와 2차 배터리 냉각 시스템에 사용되는 소형, 고효율의 BLDC모터의 설 계와 이들 BLDC전동 모터 시작품의 성능 시험결과 에 대한 고찰로 하이브리드 자동차의 동력계 및 배 터리 냉각시스템용 팬 구동 전동 모터 개발기술과 제어 기술, 신뢰성 확보로 선진 업체 개발 수준에 준 하는 국내기술 개발로 국내 하이브리드 자동차 개 발기술에 기여하고자 한다.

2. 실험장치 및 방법

일반적으로 BLDC모터는 구조적 특성의 차이로,

브러시(brush)나 정류자(commutator)가 없는 DC모

터를 의미한다. 구동원리는 일반 DC모터와 동일하

게, 플레밍의 왼손 법칙(Fleming's Left hand rule)에

따라 발생하는 토크(torque)를 이용하는 것은 같지

만, 계자 영구자석(field magnet)이 회전자(rotor) 역

할을 하고, 전기자 권선(armature coil)이 고정자(stator)

로 배치되어 있어 계자 영구자석이 토크 발생 방향

과 반대 방향으로 회전하는 것이 다른 점이다. 여기

서 회전자의 위치검출은 DC모터의 정류자와 같은

역할을 하는 홀소자(hall sensor)를 사용하는 것이 일

반적이다. 대체로 BLDC모터는 브러시 DC모터와

비교하여 속도 제어가 우수하고, 브러시가 없는 구

하이브리드 차량의 엔진 및 배터리 냉각팬 구동용 BLDC모터 개발

조적 특성으로 인하여 내구성에서 우수함을 보인다 고 알려져 있다.

전동 모터 설계의 기본은 토크와 역기전력 설계 값은 찾아내는 것이고, 이들 토크 상수 

와 역기전 력 상수 

는 실효값(root mean square)으로 아래의 식 (1)과 (2)와 같이 나타낼 수 있다.



_{ }



 (1)



_{ }



 (2)

이러한 BLDC모터는 구조와 구동 방식에 따라 분 류되고, 사용 용도에 따라 여러 가지로 나눠지는데, 본 연구의 동력계와 배터리 냉각용 팬에 사용된 BLDC모터는 모두 Outer rotor방식이다.

위 두 식을 에너지 변환식에 대입해보면 그 값이 서로 같음을 알 수 있고, 역기전력은 모터의 기하학 적, 전기적 설계변수에 따라 전산해석 방법으로 전 자기장의 분포를 구함으로서 알 수 있다.

이렇게 구해진 역기전력 상수를 이용하여 식 (3) 과 (4)와 같이 전압과 토크 방정식을 계산하여 목표 로 하는 성능의 모터를 설계 할 수 있다.

  

⋅ 

 

⋅ (3)

  

⋅ 

_{ }





 ^{  }

⋅  (4)

2.1.1 엔진 냉각팬 BLDC모터

엔진 냉각용 팬에 사용되는 BLDC모터는 일반적 으로 널리 사용되는 Single outer rotor방식의 단점인 저 토크 및 효율을 개선하기 위하여, 고정자 권선을 중심으로 계자 영구자석을 이중으로 배치시킨 Double outer rotor방식 구조를 적용하였다. 주어진 공간을 최대한 활용하고자, 세그먼트 코어(segment core)를 적용한, Double outer rotor방식은 고 토크 영 역에서 우수한 역기전력 특성을 가지기 때문에 모 터의 효율이 우수하고, 소음에 유리한 구조로 알려 져 있다. 그러나 이중 영구자석 구조로 인하여 전자 기장 해석을 위한 모델링 수립이 어렵고, 모터의 중 량 면에서 다소 무거운 단점이 있다. Fig. 1에 엔진 냉각팬에 사용되는 BLDC모터의 사진과 설계 사양

(a) Photo of BLDC motor

Motor type Double rotor

Rated voltage DC 12V

Rated rotational speed 4,000 rpm

Magnet material Ferrite magnet

Material of core S60, 0.5t

Height of stacking core 24 mm

(b) Specification

Fig. 1 Design of engine cooling fan BLDC motor

에 대하여 나타내었다. 모터는 하나의 팬으로 엔진 을 냉각하는 기준으로 설계되었다.

Fig. 2는 엔진 냉각용 팬에 사용된 BLDC모터의 역기전력 해석결과를 보여주고 있다. 해석은 3차원 전자기장 해석 상용코드인 J-MAC을 이용하여 해석 하였으며, 여러 가지의 설계 변수를 변경하면서 역 기전력을 해석을 수행하였다. Fig. 2(a)와 (b)를 비교 해 보면, 계단모양의 파형에서 고정자(stator)의 스 큐(skew)를 0.5 슬롯 피치(slot pitch)로 변경하면 정 현파에 가까워지는 것을 알 수 있다. 정현파 제어 방 식을 적용한 것은 모터 소음의 최소화와 고출력 밀 도의 모터를 고려하여 구동방식(BLAC)을 선정하 였다. 이는 역기전력 해석 결과로 볼 때 효율 및 전 자기적 소음이 우수할 것으로 보여 진다.

Fig. 3은 고정자의 스큐(skew)각도가 코깅 토크 (cogging torque)에 미치는 영향을 해석한 결과이다.

Fig. 3의 (b)와 같이 0.5 슬롯 피치의 스큐일 때 코깅 토크는 0 Nm이 되는 것을 알 수 있다. 0.5 슬롯 스큐 는 한 슬롯의 절반의 각을 비튼 것으로, 해석결과 고 정자를 0.5 슬롯 피치로 스큐 하였을 때 전자기적 소 음은 최소화가 될 것으로 예상된다.

2.1.2 배터리 냉각팬 BLDC모터

하이브리드차량의 화물실 공간(luggage room)에

Daewoong Lee

(a) Before improve BLDC motor (a) Before improve BLDC motor

(b) After improve BLDC motor (b) After improve BLDC motor

Fig. 2 BEMF analysis results of engine cooling fan BLDC motor (N=3000 rpm)

Fig. 3 Cogging torque analysis results of engine cooling fan BLDC motor

위치하는 고용량 배터리는 차량의 시동과 동시에 계속 작동 되어야하며 배터리의 효율적인 열관리는 차량의 수명연장과 연비로까지 영향을 미친다. 배 터리 냉각팬에 사용되는 BLDC모터는 배터리가 작 동하는 동안 계속 작동되어야 하므로 우수한 신뢰 성이 있어야한다. 또한 엔진 냉각용 팬에사용되는 BLDC모터에 비하여 기동 토크가 작고, 소형화가 필요하므로 구조가 간단한 Single rotor 방식으로 설 계하였다. 배터리 냉각팬 BLDC모터의 사양과 형상 에 대하여 Fig. 4에 나타내었다.

배터리 냉각팬 BLDC모터의 경우에도, 역기전력 을 해석하여 성능과 전자기적 소음에 영향을 미치 는 설계변수들을 최적화 하였다. Fig. 5에 배터리 냉 각팬 BLDC모터의 역기전력 해석결과를 나타내었다.

해석은 3차원 전자기장 해석 상용코드인 Maxwell을 이용하여 수행되었으며, 성능최적화와 진동감소를

(a) Photo of BLDC motor

Motor type Single rotor BLDC

Rated voltage DC 12V

Rated rotational speed 4,000 rpm

Magnet material Ferrite magnet

Material of core S60, 0.5t

Height of stacking core 22 mm

(b) Specification

Fig. 4 Design of battery cooling fan BLDC motor

Development of BLDC Motor for HEV Engine Cooling and Battery Cooling System

Table 1 Design parameters of engine cooling fan and battery cooling fan BLDC motor

Engine cooling fan BLDC motor Battery cooling fan BLDC motor

Model-A Model-B Model-A Model-B

Coil specification φ1.6, 20 turn φ1.6, 26 turn φ1.0, 15 turn φ0.95, 13 turn

Slot number of stator 15 15 15 15

Pole number of magnet 10 10 8 8

Lead angle 15° 10° 0° 5°

Fig. 5 BEMF analysis results of battery cooling fan BLDC motor

위하여 역기전력이 정현파에 가깝게 구현되도록 해 석하였다.

배터리 냉각팬 BLDC모터는 차량의 화물실 공간 에 위치하기 때문에 뒷좌석의 탑승객이 쉽게 소음 을 감지할 수 있다. 따라서 코깅 토크를 저감하고자 영구자석 외경과 내경 중심점간의 거리 차이(offset) 를 서로 다르게 설계하였다.

Fig. 6은 계자 영구자석의 외경과 내경의 중심점 까지의 거리(offset) 차이가 각각 0, 5, 10일 때 코깅 토크에 미치는 영향을 해석하였다. 영구자석의 외 경과 내경 중심점의 거리 차이가 크면 클수록 코깅 토크도 커지는 것을 알 수 있다.

해석결과로 볼 때 계자 영구자석의 외경과 내경 의 중심점은 서로 일치하는 것이 소음측면에서 가 장 우수함을 알 수 있었다.

2.2 성능 시험 장치 및 방법

일반적으로 전동 모터의 성능은 전기적 입력에 대한 기계적 출력의 비로 표현된다. 본 연구에서는 역기전력과 전자기해석 결과를 기초로 설계된 BLDC 모터를 제작하여 성능을 시험하였다.

(a) Magnet offset = 10mm

(b) Magnet offset = 5mm

(c) Magnet offset = 0mm

Fig. 6 Cogging torque analysis results of battery cooling fan BLDC motor

이대웅

Fig. 7 Schematic diagram of BLDC motor performance apparatus

Fig. 7은 엔진 냉각팬 및 배터리 냉각팬으로 설계 된 BLDC모터 시제품의 성능시험에 사용된 실험장 치의 개략도이다. 시험 대상인 모터 축(shaft)에 연결 된 다이나모메터(dynamometer)에 부가되는 토크와 각속도를 측정하여 분석기와 데이터 수집 장치를 거쳐 컴퓨터에 저장되며, 전기적 입력 값 역시 동시 에 측정 분석됨으로써 모터의 효율을 실시간으로 측정하게 된다. 여기서 전기적 입력 값은 BLDC모 터의 구동을 위해 공급되는 전압과 전류를 측정하 고, 모터 축에서 발생하는 기계적 출력은 다이나모 메터에서 토크와 각속도를 측정하여 계산하게 된다.

BLDC모터의 성능지표는 식 (5)와 같이 효율로 정의되며, 전기적 입력인 전력에 대한 기계적 출력 인 모터 회전속도와 토크의 비로 나타난다.



  



  

⋅ 

 ⋅

(5)

여기서, 전기적 입력

와 

는 BLDC모터 에 공급되는 전압과 전류이다.

해석결과를 바탕으로 제작된 엔진 냉각팬 및 배 터리 냉각팬 BLDC모터의 사양은 Table 1에 나타나 있다. 주요 설계 변수는 권선의 선경과 감는 횟수, 고정자의 슬롯수, 영구자석의 극수를 변경하였고, 인덕턴스에 의한 전류 지연을 보상하기 위하여 리 드 각을 변경한 전동 모터를 제작하여 성능과 소음 을 상호 비교하였다.

3. 시험결과 고찰

Fig. 8에 엔진 냉각팬 BLDC모터의 소음 시험결과 를 나타내었다. 모터 상단에서 300 mm 떨어진 위치

Fig. 8 Noise results of engine cooling fan BLDC motor

Fig. 9 Performance results of engine cooling fan BLDC motor

에 마이크로폰을 설치하여 소음을 측정하였고, 암 소음은 37.4 dB이었다. 시험결과를 보면 전 운전영 역에서 회전수는 크게 변하지 않았으나, Model-B BLDC모터가 Model-A 대비 약 3 dB 정도 소음이 낮 게 나타났다. 이는 해석결과에서 살펴보았듯이 고 정자의 스큐를 0.5 슬롯피치로 변경한 영향으로 판 단된다.

Fig. 9는 Model-A와 Model-B 엔진 냉각팬 BLDC 모터의 회전수와 소모전류, 효율을 각 작동 토크별 로 비교한 것이다. Model-B BLDC모터가 회전수나 소모전류는 Model-A와 비슷하지만, 전반적으로 효 율이 약간 우수하게 나타나고 있다. 엔진 냉각팬의 예상 작동 토크인 0.8 ~ 1.2 Nm에서 Model-B는 85%

이상의 효율과 4,050 rpm 회전수이다. 효율은 전동

모터에 제어기가 일체로 제작되어 있기 때문에 제

어기를 포함한 효율이다. 또한 Phase 역기전력 계수

하이브리드 차량의 엔진 및 배터리 냉각팬 구동용 BLDC모터 개발

Fig. 10 Noise results of battery cooling fan BLDC motor

Fig. 11 Performance results of battery cooling fan BLDC motor

를 측정한 결과 0.0011 V/rmp/ph 로 해석결과와 비 교하여 타당한 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 10은 배터리 냉각팬에 사용된 BLDC모터의 소음 시험 결과를 보여주고 있다. 마이크로폰은 모 터에서 상단으로 300 mm 지점에 위치하며, 암소음 은 37.4 dB이다. Model-B BLDC모터가 Model-A대 비 전 운전영역에서 소음이 우수하게 나타났으며 최대 12 dB까지 소음이 감소하였다.

Fig. 11은 배터리 냉각팬에 사용된 BLDC모터의 회전수와 소모전류, 효율을 각 작동 토크별로 비교 하였다. Model-B와 Model-A는 소모전류는 서로 유 사하나 Model-B가 Model-A 대비 0.15 Nm 토크 이후 에는 효율이 더 우수하게 나타나고 있다. 배터리 냉 각팬 BLDC모터에도 제어기가 일체로 부착되어 있 으므로 효율은 제어기를 포함한 효율로 계산되었

다. Model-B의 효율은 최대 76%정도이고, 이때 회 전수는 3,990 rpm, 소모전류는 10 A이다. Model-A의 최대 효율은 0.15 Nm 토크에서 효율은 70.5%, 회전 수는 4230 rpm, 소모전류는 8.7 A이다.

4. 결 론

하이브리드 자동차에 사용되는 엔진 냉각팬 및 배터리 냉각팬 BLDC모터에 대하여 효율향상과 전 자기적 소음 저감을 위하여 해석을 수행 하였고, 해 석결과를 바탕으로 시제품을 제작하여 소음 및 성 능 시험을 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 각 BLDC모터의 성능을 만족하기 위하여 전자기 장 해석을 수행하였고 코깅 토크를 저감할 수 있 는 설계변수들을 도출하였다.

2) 엔진 냉각팬 BLDC모터는 Model-B가 소음 및 성 능이 우수하게 나타났으며, 토크가 0.8~1.2 Nm 에서 효율은 85%, 회전수는 4,050 rpm, 소음은 Duty 80%에서 76.3 dB 로 나타났다.

3) 배터리 냉각팬 BLDC모터는 Model-B가 성능과 소음이 우수하게 평가되었으며, 토크 0.25 Nm 에 서 효율은 76%, 회전수는 3,990 rpm, 소음은 Duty 80%에서 54.4 dB로 나타났다.

이상의 결과에서 엔진 냉각팬 및 배터리 냉각팬 구동용 BLDC모터를 해석하여 소음과 성능에 영향 을 미치는 설계변수들을 찾아내고 전동 모터를 제 작하여 소음과 성능시험을 하여 엔진 냉각과 배터 리 냉각에 우수한 전동 모터를 선정하였다.

References

1) M. S. Kwon, “Development Status and Trends of Environmental Friendly Vehicles,” KSAE HEV and FCEV Workshop, pp.1-11, 2007.

2) C. Kim, “Development Status and Trends of Hyundai Motors Hybrid Vehicles,” KSAE Symposium of Electric Vehicles Workshop, KSAE05-L0022, 2005.

3) M. Murray, “GM Hybrid Propulsion Strategy,”

International Workshop of HEV, Hanyang University, 2007.

4) P. Peter, “Development of Li-Ion Battery Systems for HEV Applications at MAGNA STEYR,”

Daewoong Lee

EVS23, 2007.

5) D. Blake, I. Postlethwaite, D. Barker, M.

Hannewald and C. Whelans, “Thermal Manage- ment of a Hybrid Vehicle,” 8th Vehicle Thermal Management Symposium, C640/048, 2007.

6) H. Satoh, S. Akutsu, T. Miyamura and H.

Shinoki, “Development of Traction Motor for Fuel Cell Vehicle,” SAE 2004-01-0567, 2004.

7) D. Kwon, D. Lee, Y. Jee and C. Park, “Deve- lopemnt of BLDC Motor for HEV Power-train

and Battery Cooling System,” KSAE 30th Anni- versary Conference Proceedings, KSAE08-S0341, pp.2071-2076, 2008.

8) D. Hanselman, Brushless Permanent Magnet Motor Design, 2nd Edn., Magna Physics Publi- shing Motorsoft Division of Fisher Electric Technology, 2004.

9) R. Hendershot and T. Miller, “Design of Brush- less Permanent-magnet Motors,” Magna Physics Publisning and Clarendon Press, Oxford, 1994.