[Engine] 알터네이터 (Alternator)와 DC/DC 컨버터

알터네이터는 벨트에 의해서 엔진과 연결되어 있으며, 스타터에 의해서 엔진 시동이 성공하면 엔진은 아이들 스피드를 유지하며, 엔진 벨트에 의해서 알터네이터, 에어컨 컴프레서, 조향 장치를 구동하게 된다.

GDI 엔진

 

알터네이터는 Rotor (회전자), Stator (고정자), Rectifier (정류자), Diode trio, Regulator로 구성되어 있다.

알터네이터 주요 부품

 

• Rotor (회전자) 내부에는 코일이 감겨 있으며, 배터리에서 자계 전원을 공급하게 되면 코일에 전류가 흘러서 자계가 형성되게 된다. 이는 Wound field 모터에서 자석의 역할을 field windings과 field voltage가 대체하듯이, 알터네이터에서도 같은 컨셉으로 작동한다.

알터네이터 Rotor (회전자)

• Stator (고정자) 내부에는 3개의 코일이 120도 간격으로 감겨 있으며, Rotor가 회전하게 되면 120도의 위상을 가지는 3상 AC 전압이 Stator에 유기된다. 

Stator 출력

• Rectifier는 3상 전압을 차량 전장 전원 공급을 위해서 단상 DC 전원으로 변환한다. 일반적으로 100A이상의 대용량 다이오드가 사용되고 있다

단계별 출력 전압

 

100A Alternator rectifier diode

Alternator diode

 

• Diode Trio는 알터네이터가 발전한 후에 Rotor field winding에 DC 전압을 제공한다. 알터네이터 제어용 regulator 반도체는 diode trio의 출력 전압을 이용하여 알터네이터의 속도 및 위상 전압을 감지한다.

ACDelco Alternator Diode Trio

 

Delco Alternator Diode Trio

 

• Voltage regulator는 초기에는 배터리에서 전압을 공급받고, 알터네이터가 발전을 시작하게 되면 Diode trio에 의해서 전압을 공급받는다. Voltage regulator의 목적은 Rotor의 속도나 전기부하의 변화에 관계 없이 Stator 출력전압을 일정하게 유지하기 위해서 electromagnet energizing voltage를 조절하기 위한 것이다. 출력 전압이 너무 큰 경우 발전 전압 상승으로 인해서 다른 제어기를 파손 시킬 수 있다.

Voltage Regulator

 

• 알터네이터용 반도체는 Voltage regulator내부에 위치한다. 아래는 TLE888x 반도체의 블럭다이어그램이다. Diode Trio의 출력 전압이 PH핀에 입력으로 들어와서 반도체 내부에서 속도 감지, 위상 전압 모니터링, Self start wakeup을 수행한다. 이와 함께 배터리 전압을 센싱하고 내부 제어회로 통하여 Field winding을 여자(excitation)시킨다. 이를 통하여 발전 전압 및 전류를 제어한다. 엔진 제어기와 LIN 통신을 통하여 정보를 주고 받는다. 

 

 

EV나 FCEV 차량에서는 알터네이터를 구동할수 있는 엔진이 없고, 큰 고전압 배터리가 있기 때문에 고전압에서 전장용 저전압으로의 변환이 필요하다. DC/DC 컨버터가 그 역할을 수행한다.

DC/DC 컨버터

 

※ 참고 자료

https://www.youtube.com/watch?v=QXlOSRjJT8g

https://www.youtube.com/watch?v=d2Wni_SzBiM

https://www.youtube.com/watch?v=EVPoI5wgZ4o

https://industrial.panasonic.com/ww/ss/technical/ap7