KR101372282B1 - 하이브리드 차량용 출력 가변형 저전압 컨버터 제어시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

하이브리드 차량용 출력 가변형 저전압 컨버터 제어시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기차 또는 하이브리드 차량용 출력 가변형 컨버터 제어시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 가속성능을 향상시키면서 주행연비를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여 본 발명은, 고전압 배터리와 구동모터발전기 상호간에 전원을 직류-교류로 변환하여 전달하며, 상기 구동모터발전기에 대한 구동부하 정보를 출력하는 고전압 인버터; 상기 고전압 배터리로부터 전원을 공급받아 저전압의 전원을 출력하는 저전압 컨버터; 저전압 배터리의 충전상태를 센싱하는 배터리 센서; 및 상기 고전압 인버터로부터의 상기 구동부하 정보 및 상기 배터리 센서로부터의 상기 저전압 배터리에 대한 충전상태 정보에 따라 상기 저전압 컨버터의 출력을 가변적으로 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 차량용 출력 가변형 저전압 컨버터 제어시스템 및 그 제어방법{LOW DC CONVERTER CONTROL SYSTEM HAVING OUTPUT POWER ADJUSTER FOR HYBRIDE VEHICLE AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 전기차 또는 하이브리드 차량용 고전압배터리에서 전원을 공급받아 저전압 전원을 공급하는 저전압컨버터의 출력을 제어하는 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고전압 인버터의 모터구동부하와 저전압 배터리의 충전상태에 따라 저전압 컨버터의 출력전압을 가변적으로 제어하여, 전기차 또는 하이브리드 차량의 가속성능을 향상시키면서 주행연비를 향상시키는 저전압 컨버터의 제어시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량이란 엔진의 가동·정지에 따른 에너지 손실을 줄이기 위해 엔진의 출력을 전기에 연결하여 발전한 전력을 배터리에 충전해 두고 필요에 따라 모터를 회전시키는 방식의 차량을 말한다.
이는 기존 자동차에 사용되는 내연기관 엔진에 전기 모터를 결합한 형태가 일반적인데, 전기 모터는 차량 내부에 장착된 고전압 배터리로부터 전원을 공급받고, 배터리는 자동차가 움직일 때 다시 충전된다.
하이브리드 차량은 차량의 속도나 주행 상태 등에 따라 엔진과 모터의 힘을 적절하게 제어함으로써 자동차 운행의 효율성을 극대화시킨 것이다.
즉, 자동차가 출발할 때에는 전기 모터로 엔진 시동을 걸고, 도로 주행이나 가속할 때는 엔진이 주동력원이 되고 모터가 보조 동력원이 된다.
또한 감속을 위해 브레이크를 밟으면 차량의 운동에너지가 전기에너지로 변환되어 배터리에 충전되고 차가 멈추면 엔진과 모터가 모두 정지한다. 따라서 차량이 정지할 때나 교통이 혼잡할 때 자동차의 공회전에 따른 에너지 손실 등과 같은 단점을 보완할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 하이브리드 차량의 시스템의 일례를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
종래의 하이브리드 차량은 고전압 인버터(2)에 의해 작동되는 구동모터 발전기(1)가 차량이 가속시에는 구동모터로서 작동하고, 감속시에는 발전기로서 작동되어 고전압전원을 고전압 배터리(3)에 충전한다.
저전압 컨버터(4)는, 고전압 배터리(3)로부터 전원을 공급받아 이를 차량의 저전압부하(차량 전장부하)(5)의 동작을 위한 레벨의 전압(12VDC)으로 변환하여 해당 차량 전장부하(5)에 동작 전원을 공급하고, 저전압 배터리(비상용 배터리)(7)에 충전 전원을 공급한다.
정션박스(6)는 다수의 전자 릴레이, 휴즈 및 전압 센서 등이 내장되어 저전압 컨버터(4) 또는 저전압 배터리(7)로부터의 전력을 각 차량 전장부하(5)들에 제공한다.
그런데 종래의 하이브리드 차량의 경우, 저전압 컨버터(4)에서 출력되는 전압의 크기가 고정되어 있어 차량의 구동부하와 관계없이 상시 동일한 크기의 전압을 출력하게 된다.
이 때문에 고전압 배터리(3)에 저전압 전원을 공급하기 위한 전기부하를 발생시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 고전압 인버터의 모터구동부하와 저전압 배터리의 충전상태에 따라 저전압 컨버터의 출력전압을 가변적으로 제어하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 고전압 인버터의 모터구동부하와 저전압 배터리의 충전상태에 따라 저전압 컨버터의 출력전압을 가변적으로 제어함으로써, 전기차 또는 하이브리드 차량의 가속성능을 향상시키면서 주행 연비를 향상시키는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 가변형 저전압 컨버터 제어시스템은, 고전압 배터리와 구동모터발전기 상호간에 전원을 직류-교류로 변환하여 전달하며 상기 구동모터발전기에 대한 구동부하 정보를 출력하는 고전압 인버터, 상기 고전압 배터리와 상기 구동모터발전기 사이에 구비되어 상기 고전압 인버터와 상기 구동모터발전기 사이의 전류 흐름을 감지하여 상기 구동모터발전기에 대한 구동부하 정보를 출력하는 전류 센서, 상기 고전압 배터리로부터 전원을 공급받아 저전압의 전원을 출력하는 저전압 컨버터, 저전압 배터리의 충전상태를 센싱하는 배터리 센서 및 상기 고전압 인버터로부터의 상기 구동부하 정보 및 상기 배터리 센서로부터의 상기 저전압 배터리에 대한 충전상태 정보에 따라 상기 저전압 컨버터의 출력을 가변적으로 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어기는, 상기 저전압 배터리의 충전상태가 기 설정된 레벨보다 높은 상태에서 상기 고전압 인버터의 구동부하가 기 설정된 레벨보다 높은 경우에는 상기 저전압 배터리에서 방전이 발생될 수 있는 수준으로 상기 저전압 컨버터의 출력을 낮추는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어기는, 상기 고전압 인버터의 구동부하가 기 설정된 레벨보다 낮아지거나 상기 구동모터발전기에서 발전이 이루어지는 경우, 상기 저전압 배터리의 방전이 중단되거나 상기 저전압 배터리가 충전될 수 있는 수준으로 상기 저전압 컨버터의 출력을 높이는 것을 특징으로 한다.
또한 제어기는, 상기 저전압 배터리의 충전상태가 기 설정된 레벨보다 낮으면 상기 고전압 인버터의 구동부하가 기 설정된 레벨보다 높더라도 상기 저전압 배터리가 충전 상태를 유지하도록 상기 저전압 컨버터의 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력 가변형 저전압 컨버터 제어방법은, 전압 배터리의 충전상태를 확인하는 단계, 차량의 구동모터를 동작시키기 위한 고전압 인버터의 구동부하를 확인하는 단계 및 상기 충전상태에 대한 정보 및 상기 구동부하에 대한 정보에 따라 저전압 컨버터의 출력을 가변적으로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 구동부하를 확인하는 단계는, 전류 센서를 이용하여 상기 구동모터와 상기 고전압 인버터 간의 전류 흐름을 감지함으로써 상기 구동부하를 확인하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 고전압 인버터의 모터구동부하와 저전압 배터리의 충전상태에 따라 저전압 컨버터의 출력전압을 가변적으로 제어함으로써, 전기차 또는 하이브리드 차량의 가속성능을 향상시키면서 주행연비를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전기차 또는 하이브리드 차량의 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력 가변형 저전압 컨버터 제어시스템을 포함하는 하이브리드 차량의 시스템 구성을 나타낸 구성도.
도 2b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 출력 가변형 저전압 컨버터 제어시스템을 포함하는 하이브리드 차량의 시스템 구성을 나타낸 구성도.
도 3은 차량의 가속 및 감속시 전원의 흐름을 나타내는 도면.
도 4는 차량의 운행상태에 따라 저전압 컨버터와 고전압 인버터의 출력상태 및 고전압 배터리와 저전압 배터리의 충전상태의 변화를 보여주는 도면.
도 5는 저전압 배터리(7)의 충전상태에 따른 저전압 컨버터(20)의 출력을 예시한 도면.
도 6은 등속 운행시 배터리 과충전에 의한 고전압 배터리(3)의 부하와 가속 운행시 저전압 배터리(7)의 방전을 이용한 고전압 배터리(3)의 부하를 비교한 도면.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 설명의 편의를 위해 종래 기술과 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력 가변형 저전압 컨버터 제어시스템을 포함하는 하이브리드 차량의 시스템 구성을 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 출력 가변형 저전압 컨버터 제어시스템은, 고전압 인버터(10), 저전압 컨버터(20), 배터리 센서(30) 및 제어기(40)를 포함한다.
고전압 인버터(10)는, 고전압 배터리(3)와 구동모터발전기(1) 사이에 개재되어 고전압 배터리(3)와 구동모터발전기(1) 상호간에 전원을 직류-교류 변환하여 전달한다.
즉, 고전압 인터버(10)는, 고전압 배터리(3)로부터의 직류 전압을 3상 교류전압으로 변환하여 구동모터발전기(1)에 제공하고, 구동모터발전기(1)에서 발전된 교류전압을 직류전압으로 변환하여 고전압 배터리(3)에 충전시킨다.
특히, 본 발명에서의 고전압 인버터(10)는, 차량 운행에 따른 구동부하에 대한 정보를 차량 내부의 통신망(CAN 통신라인)을 통해 제어기(40)에 전달한다.
저전압 컨버터(20)는, 고전압 배터리(3)로부터 전원을 공급받아 이를 전조등, 제동등, 방향 지시등, 엔진 시동 모터 등과 같은 차량의 저전압부하(차량 전장부하)(5)의 동작을 위한 저전압의 전원으로 변환하여 차량 전장부하(5)에 공급하고 저전압 배터리(7)에 충전 전원을 공급한다.
이때, 본 발명의 저전압 컨버터(20)는 제어기(40)의 제어에 따라 출력되는 전원의 전압 레벨이 가변 된다.
즉, 종래의 저전압 컨버터는 상시 일정한 크기의 전압을 갖는 전원을 출력하였으나 본 발명에 따른 저전압 컨버터(20)는 제어기(30)의 제어에 따라 출력 전원의 전압레벨이 가변된다는데 그 특징이 있다.
배터리 센서(30)는 저전압 배터리(7)의 제반적인 상태를 센싱하여 제어기(40)에 제공한다. 특히, 배터리 센서(30)는 저전압 배터리(7)의 충전상태(SOC: State Of Charge)를 센싱하여 그 정보를 제어기(40)에 제공한다.
제어기(40)는, 고전압 인버터(10)로부터의 구동부하에 대한 정보와 배터리 센서(30)로부터의 저전압 배터리(7)의 충전상태에 대한 정보에 따라 저전압 컨버터(20)의 출력전압을 선택적으로 제어한다.
이에 의해 저전압 배터리(7)의 충전과 방전을 제어함으로써 저전압 배터리(7)의 과충전을 방지하고 고전압 배터리(3)의 전기부하를 감소시켜준다.
즉, 제어기(40)는 저전압 배터리(7)의 충전상태가 기 설정된 일정레벨보다 높은 상태에서 구동모터(1)를 동작시키기 위한 고전압 인버터(10)의 구동부하가 기 설정된 레벨보다 높은 경우에는, 저전압 컨버터(20)의 출력전압을 낮추어 저전압 배터리(7)에 충전된 전원이 저전압부하(5)에 공급되도록 한다.
또한 상기 제어기(40)는, 고전압 인버터(10)의 구동부하가 낮아지거나 제동에 의해 모터발전이 이루어지는 경우에는, 저전압 컨버터(20)의 출력전압을 높게 하여 저전압 배터리(7)의 방전을 중단시키거나 모터발전에 의해 생성된 전원으로 저전압 배터리(7)를 충전시킨다.
또한 제어기(40)는, 저전압 배터리(7)의 충전상태가 낮은 경우에는 고전압 인버터(10)의 구동부하가 높아도 저전압 컨버터(20)의 출력을 낮추지 않고 일정 수준으로 유지시켜 저전압 배터리(7)의 충전상태를 유지시킨다.
도 2b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 출력 가변형 저전압 컨버터 제어시스템을 포함하는 하이브리드 차량의 시스템 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2b는 도 2a에서와 달리, 구동모터발전기(1)와 고전압 인버터(2) 사이에 전류 센서(50)가 구비된다.
즉, 본 실시 예에서는 전류 센서(50)가 고전압 인버터(2)와 구동모터발전기(1) 사이의 전류 흐름을 센싱하여 구동모터발전기(1)에 대한 구동부하 정보를 제어기(40)에 전달한다는데 그 특징이 있다.
도 3은 차량의 가속 및 감속시 전원의 흐름을 나타낸 도면이다.
차량이 가속시에는 고전압 배터리(3)의 전원을 이용하여 구동모터발전기(1)를 구동시키기 위해 인버터의 구동부하가 높아지게 된다.
따라서 제어기(40)는, 저전압 배터리(7)의 충전상태가 충분히 높은 상태에서 고전압 인버터(10) 또는 전류 센서(50)로부터 구동부하 높다는 정보가 수신되면 저전압 컨버터(20)의 출력을 낮춘다.
저전압 컨버터(20)의 출력이 낮아짐으로써 저전압 배터리(7)에 충전되었던 전원이 방전되어 정션박스(6)를 통해 차량의 저전압부하(5)에 공급된다.
즉, 차량이 가속시에는 저전압 배터리(7)의 전원을 이용하여 차량의 저전압부하(5)에 동작전원을 공급함으로써 고전압 배터리(3)의 전기부하를 줄여준다.
반면에, 차량이 감속시에는 구동모터발전기(1)가 발전기로서 동작하게 되어 발전기(1)에서 생성된 교류전원이 고전압 인버터(10)에 의해 직류전원으로 변환되어 고전압 배터리(3) 측으로 전송된다.
이에 따라, 인버터(10)의 구동부하가 현저히 낮아지게 되며, 제어기(40)는 저전압 컨버터(20)의 출력을 높여 발전기(1)에 생성된 전원을 이용하여 저전압 배터리(7)도 함께 충전되도록 한다.
도 4는 차량의 운행상태에 따라 저전압 컨버터(20)와 고전압 인버터(10)의 출력상태 및 고전압 배터리(3)와 저전압 배터리(7)의 충전상태의 변화를 보여주는 도면이다.
차량이 속도를 높여 가속을 하게 되면, 구동모터발전기(1)를 구동시키기 위해 고전압 배터리(3)가 방전되고 고전압 배터리(3)로부터의 전원을 이용하여 구동모터발전기(1)를 동작시키는 고전압 인버터(10)의 구동부하가 높아지게 된다.
이때 제어기(40)는, 고전압 인터버(10) 또는 전류 센서(50)로부터의 구동부하 정보를 통해 구동모터발전기(1)를 구동시키기 위한 구동부하가 높아졌다는 사실을 알게 되고, 이에 따라 저전압 컨버터(20)의 출력을 낮게 하여 저전압 배터리(7)에 충전된 전원이 저전압부하(5)에 공급되도록 함으로써 고전압 배터리(3)의 전기부하를 줄여준다.
한편 차량이 가속을 멈추고 등속으로 운행하게 되면, 고전압 인버터(10)의 구동부하가 낮아지게 된다.
이때 제어기(40)는, 고전압 인터버(10) 또는 전류 센서(50)로부터의 구동부하 정보를 통해 모터(1)를 구동시키기 위한 구동부하가 일정수준으로 낮아졌다는 사실을 알게 되고, 이에 따라 저전압 컨버터(20)의 출력을 높여줌으로써 저전압 배터리(7)의 방전을 중단시키고, 저전압 컨버터(20)의 출력전원을 이용하여 저전압부하(5)에 동작전원을 공급한다.
이처럼 제어기(40)는 차량의 가속 또는 등속 동작에 따라 구동부하가 변화하게 되면 그에 맞게 저전압 컨버터(20)의 출력을 가변적으로 제어하여 고전압 배터리(3)의 전기부하를 조절한다.
다음으로 차량이 제동을 위해 속도를 줄여 감속을 하게 되면, 구동모터발전기(1)는 발전기로서 동작하여 교류전원을 생성하게 된다.
이러한 제동발전이 이루어지는 경우, 고전압 인버터(10)는 차량의 가속 또는 등속시와는 반대로 발전기(1)로부터의 교류전원을 직류전원으로 변환하여 출력한다.
이때 제동발전에 의해 고전압 인터버(10)에서 출력되는 전원은 고전압 배터리(3)를 충전시키고 저전압 컨버터(20)에 제공된다. 그리고, 고전압 인터버(10)는 제동발전이 이루어지고 있다는 정보(구동부하 정보)를 내부 통신망을 통해 제어기(40)에 전달한다.
이에 따라, 제어기(40)는 저전압 컨버터(20)의 출력을 등속시 보다 훨씬 높임으로써 저전압 컨버터(20)의 출력전원을 이용하여 저전압 배터리(7)를 충전시킨다.
즉, 제동발전에 의해 생성된 전원을 이용하여 고전압 배터리(3) 뿐만 아니라 저전압 배터리(7)를 충전시키게 되는 것이다.
본 발명에서는 이처럼 차량의 가속, 등속 또는 감속에 따라 고전압 인버터(10)의 구동부하가 변화하게 되면, 그에 맞게 저전압 컨버터(20)의 출력을 가변적으로 제어하여 저전압 배터리(7)의 충전과 방전을 제어함으로써 고전압 배터리(3)의 전기부하를 경감시켜 준다.
도 5는 저전압 배터리(7)의 충전상태에 따른 저전압 컨버터(20)의 출력을 예시한 도면이다.
제어기(40)는, 배터리 센서(30)로부터 배터리의 충전상태에 대한 정보를 제공받아 저전압 배터리(7)의 충전상태가 높은 경우에는 저전압 컨버터(20)의 출력을 낮추어, 저전압 배터리(7)에 대한 충전이 이루어지지 않도록 하거나 조금만 이루어지도록 함으로써 저전압 배터리(7)의 충전부하를 줄여준다.
또한 제어기(40)는, 저전압 배터리(7)의 충전상태가 낮은 경우에는 인버터(10)의 구동부하가 다소 높더라도 저전압 컨버터(20)의 출력을 높여 저전압 배터리(7)를 충전시킨다.
도 6은 등속 운행시 배터리 과충전에 의한 고전압 배터리(3)의 부하와 가속 운행시 저전압 배터리(7)의 방전을 이용한 고전압 배터리(3)의 부하를 비교한 도면이다.
종래에는 저전압 컨버터가 항시 동일한 전압을 출력하였기 때문에 차량이 등속 운행을 하던지 가속 운행을 하던지 상관없이 항상 높은 부하가 걸렸던 반면에, 본 발명에서는 차량이 가속 운행시에는 저전압 컨버터의 출력을 낮춰 저전압 배터리(7)의 전원이 저전압부하(5)에 공급되도록 하여 고전압 배터리(3)의 구동부하를 덜어주고 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면 고전압 배터리(3)와 저전압 배터리(7)가 부하를 서로 분담하게 된다.
이처럼 본 발명은 모터(1) 구동을 위한 구동부하와 저전압 배터리(7)의 충전상태에 따라 저전압 컨버터(20)의 출력을 제어하여 저전압 배터리(7)를 선택적으로 충전 또는 방전시켜 고전압 전원의 전기부하를 감소시킬 수 있다.
또한 회생되는 전기에너지를 이용하여 저전압 배터리(7)를 충전시키는 차량의 구동부하 관리를 통해 가속 성능을 향상시키고 주행 연비를 향상시킬 수 있게 된다.
이상은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이며 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니한다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 고전압 인버터 20 : 저전압 컨버터
30 : 배터리 센서 40 : 제어기
50 : 전류 센서

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 고전압 배터리와 구동모터발전기 상호간에 전원을 직류-교류로 변환하여 전달하며 상기 구동모터발전기에 대한 구동부하 정보를 출력하는 고전압 인버터;
    상기 고전압 배터리와 상기 구동모터발전기 사이에 구비되어 상기 고전압 인버터와 상기 구동모터발전기 사이의 전류 흐름을 감지하여 상기 구동모터발전기에 대한 구동부하 정보를 출력하는 전류 센서;
    상기 고전압 배터리로부터 전원을 공급받아 저전압의 전원을 출력하는 저전압 컨버터;
    저전압 배터리의 충전상태를 센싱하는 배터리 센서; 및
    상기 고전압 인버터로부터의 상기 구동부하 정보 및 상기 배터리 센서로부터의 상기 저전압 배터리에 대한 충전상태 정보에 따라 상기 저전압 컨버터의 출력을 가변적으로 제어하는 제어기를 포함하여 이루어지는 출력 가변형 저전압 컨버터 제어시스템에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 저전압 배터리의 충전상태가 기 설정된 레벨보다 높은 상태에서 상기 고전압 인버터의 구동부하가 기 설정된 레벨보다 높은 경우, 상기 저전압 배터리에서 방전이 발생될 수 있는 수준으로 상기 저전압 컨버터의 출력을 낮추는 것을 특징으로 하는 출력 가변형 저전압 컨버터 제어시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 고전압 인버터의 구동부하가 기 설정된 레벨보다 낮아지거나 상기 구동모터발전기에서 발전이 이루어지는 경우, 상기 저전압 배터리의 방전이 중단되거나 상기 저전압 배터리가 충전될 수 있는 수준으로 상기 저전압 컨버터의 출력을 높이는 것을 특징으로 하는 출력 가변형 저전압 컨버터 제어시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 저전압 배터리의 충전상태가 기 설정된 레벨보다 낮으면, 상기 고전압 인버터의 구동부하가 기 설정된 레벨보다 높더라도 상기 저전압 배터리가 충전 상태를 유지하도록 상기 저전압 컨버터의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 출력 가변형 저전압 컨버터 제어시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
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