KR0127288B1 - 전기 자동차의 전기시스템 - Google Patents

전기 자동차의 전기시스템

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KR0127288B1
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시게노리 기노시다
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나가자도 요시히고
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Abstract

본 발명은 대용량과 큰 충전시스템을 사용하지않고 용이하게 충전될 수 있는 2차전지를 가능하게하는 전기 자동차의 전기시스템에 관한 것이다.
전기 시스템은 충전중에 배전망상의 전력의 보전을 유지할 수 있다.
2차전지를 충전할 때, 인버터를 교류모터로 연결하는 스위치가 개방된 다음, 외부배전망으로부터의 교류전압이 인버터의 교류측에 공급된다.
인버터는 제어회로의 제어하에 교류전압을 직류전압으로 정류함으로써 2차전지가 직류전압으로 충전되도록 한다.
또 다른 예에서, 교류모터의 권선들은 3-극접촉기의 절환작용에 의하여 배전망과 인버터사이에 연결될 수 있음으로써 권선들이 교류 리액터들로서 작용하도록 한다.

Description

전기 자동차의 전기시스템
본 발명은 전원으로서 2차전지를 구비한 전기 자동차의 전기시스템에 관한 것이다.
제1도는 그 전원으로서 2차전지를 가지는 종래의 전기 자동차의 구동시스템을 표시한다.
전기차량의 바퀴들은 독립적을 교류모터에 의해 별도로 구동된다.
이 도면에서, 참조번호 (1)은 2차전지를 표시하며, (2)는 주스위치, (31) 및 (32)는 퓨즈, (41) 및 (42)는 재생기능을 가지는 전력변환기로서의 3상인버터, (51) 및 (52)는 교류모터, (61) 및 (62)는 인버터들(41 및 42)과 교류모터들(51 및 52)을 각각 연결하는 연결와이어들, (71) 및 (72)는 감속기어들, 그리고 (81) 및 (82)는 바퀴들이다.
교류모터들(51 및 52)의 회전은 감속기어들(71 및 72)에 의하여 감속되어서 바퀴들(81 및 82)로 전달된다.
제2도는 하나의 교류모터에 의하여 동시에 두개의 바퀴를 구동하는 구동시스템을 표시한다. 이 도면에서, 참조번호 (3)은 퓨즈를 표시하며, (4)는 인버터, (5)는 교류모터, (6)은 연결와이어들, (7)은 감속기어, 그리고 (9)는 차동기어를 표시한다. 기타 부품들은 제1도의 것들과 동일하다.
제1 및 제2도의 구동시스템들에서, 인버터들(41,42 및 4)의 각각은 2차전지(1)의 직류전력을 교류전력으로 변환하여 교류모터들(51,52 및 5)의 회전력 및 토오크들을 제어하도록 한다.
전기차량은 모터작용모드에서, 2차전지(1)의 전력은 인버터들에 의하여 전환된 직류-대-교류이며, 인버터들로부터 모터들로 공급되어, 바퀴들을 구동한다.
이와 반대로, 재생브레이크작용 모드에서, 브레이크작용은 인버터들에 의하여 교류를 직류로 정류함으로써 수행되며 전기차량의 동적 에너지는 바퀴들, 모터들 및 인버터를 통하여 2차전지(1)로 직류전력으로서 재생되도록 한다.
제3도는 전기차량의 인버터들로서 채용된 3상 트랜지스터 인버터를 표시한다.
제2도의 구동시스템에 사용된 인버터(4)는 아래의 설명에 기재되어 있지만, 제1도의 구동시스템의 인버터들(41 및 42)도 똑같다.
제3도에서, 참조번호 (401)은 트랜지스터들을 표시하며,(402)는 다이오드들을 표시하고, 그들의 각각은 트랜지스터들(401)의 각 하나와 역-병렬로 연결되어있다.
3상 인버터의 주회로는 6개의 스위칭소자를 가지며 그들의 각각은 트랜지스터(401)와 다이오드(402)를 구비한다.
참조번호(403)은 2차전지(1)의 전류를 원활하게 하기위한 커패시터를 표시한다.
제5A~5D도 및 제6A~6D도는 전기차량을 구동하는 동안의 인버터의 입력 및 출력 전류들 및 전압들의 파형들을 표시한다.
일반적으로, 전기차량을 구동하기위한 인버터들은 산업에서 널리 사용되는 교류모터들을 구동하기 위하여 채용되는 인버터와 같은 PWM제어를 채용한다.
제3도의 인버터(4)도 역시 PWM제어를 사용한다.
제4도는 모터작용 모드에서의 파형들을 표시하는 제5A~5D도의 전압들 및 전류들을 표시하며, 제6A~6D도는 재생브레이크작용 모드에서의 파형을 표시한다.
제5A~5D도 및 제6A~6D도로부터 알 수 있는 바와 같이, 인버터(4)의 교류측전압(VM)은 2차전지(1)의 전압(VB)상에서 PWM 제어를 수행함으로써 획득된 파형을 가진다. 이 파형은 모터작용 모드와 재생브레이크작용 모드 양자에서 유사하다.
전압(VM)의 파형에서 표시된 점선곡선은 PWM 제어의 기본파를 표시한다. PWM제어는 기본파가 사인파로 되는 것과 같은 제어를 수행한다.
인버터(4)의 교류측 전류(iM)는 사인 기본파 위에 고조파전류가 겹친 파형을 가진다.
제5A~5D도 및 제6A~6D도에 도시된 파형들은 이 경우에 있어서 역률이 1.0임을 표시한다.
이 도면들에 표시된 바와 같이, 재생브레이크작용 모드에서의 전류(iM)의 위상은 재생동작이 수행되도록 모터작용 모드에서의 그것과 반대이다.
인버터(4)의 직류쪽에서의 전류(iB)도 역시 재생브레이크작용 모드에서 역으로 된다.
전기차량의 2차전지에 저장된 에너지는 한정되기 때문에 때때로 충전되어야하며, 전기차량을 사용함에 있어 이것은 필수적이다.
환언하면, 2차전지의 충전과 충전시스템은 전기차량을 사용하는데 있어서 필수적이다.
제7도는 종래의 충전시스템을 표시한다.
이 도면에서, 참조번호(100)은 제2도에서와 동일요소들을 구비하는 전기차량을 표시한다.
제7도에서, 참조번호 (300)은 직류쪽에서 충전케이블들(400)을 통하여 충전용 접속기(200)에, 그리고 교류쪽에서 케이블들(700)을 통하여 접속기(600)에 연결되는 충전시스템을 표시한다.
충전용 접속기(200)는 2차전지(1)에 접속되며, 접속기(600)는 배전망(500)에 접속된다.
2차전지(1)를 충전할 때는, 전기차량(100)내의 주스위치(2)가 개방되고, 2차전지(1)는 배전망(500)으로부터 공급되는 교류전력을 정류하는 충전시스템(300)으로부터 공급되는 직류전원으로 충전된다.
제8도는 종래의 충전시스템(300)을 표시한다.
제8도에서 참조번호(301)은 시스템의 교류측의 스위치를 표시하며, (302)는 필요한대로 설치된 전압강하 변압기이고, (303)은 교류전압을 직류전압으로 정류하는 다이오드들로 만들어진 정류기이고, (304)는 충전전류를 제어하기위한 쵸퍼이고, (305)는 충전전류를 원활하게 하기 위한 리액터이고, (306)은 퓨즈이다.
충전시스템(300)은 통상적으로 충전을 위하여 충분한 시간을 취하도록 허용될 때 이외에는 2차전지(1)를 급속히 충전하도록 요구된다.
따라서, 충전시스템의 용량은 적어도 전기차량의 교류모터를 구동하기위한 인버터의 그것과 동등하여야 한다.
이와 같이, 충전시스템은 대용량을 가져야하고 다이오드 정류기(303)와 같은 전력변환기를 구비하여야 하기 때문에, 충전시스템의 치수가 커지게되고, 충전작용에는 넓은 공간이 필요하다.
제9도는 전기차량(100)의 충전동작을 표시한다.
전기차량이 시간과 공간의 제한 없이 달릴 수 있도록 내연기관을 가지는 자동차들을 위한 휘발유 주유소들과 같이 각종 현장에서 제9도에 도시된 것과 같은 충전 스테이션들을 설치하는 것이 필수적이다.
그러나, 종래의 충전시스템에 있어서는, 충전시스템(300)이 거대하고 고가이기 때문에, 많은 장소에 설치하기 어렵고, 이것은 전기자동차들을 보급하는데 있어 문제가 된다.
또한, 충전시스템(300)은 배전망(500)에 접속될 정류부하를 가지기 때문에, 배전망(500)상에 고조파들을 유기시키고, 또는 역률을 감소시킨다.
이것은 배전망상의 전력품질이 열화되는 문제를 야기시킨다.
그러므로, 본 발명의 목적은 거대하고 고가의 시스템을 사용하지않고 간단한 장치를 배전망과 같은 교류전력 공급원에 접속하기만 함으로써 그의 2차전지를 충전할 수 있는 전기 자동차의 전기시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 충전중에 배전망상에서 전력의 보전을 유지할 수 있는 전기시스템을 제공하는 것이다.
제1도는 종래의 전기 자동차의 구동시스템을 표시하는 블록도.
제2도는 또다른 종래의 전기 자동차의 구동시스템을 표시하는 블록도.
제3도는 3상 트랜지스터 인버터의 주회를 표시하는 회로도.
제4도는 제2도에 표시한 구동시스템의 주 부분을 표시하는 블록도.
제5A~5D도는 인버터가 모터작용 모드로 작동될 때 제3도에 도시된 바와 같은 인버터의 입·출력 전압·전류의 파형도.
제6A~6D도는 인버터가 재생 브레이크작용 모드로 작동될 때 제3도에 도시된 바와 같은 인버터의 입·출력 전압·전류들의 파형도.
제7도는 종래의 충전 시스템의 장치를 표시하는 블록도.
제8도는 또다른 종래의 충전 시스템의 장치를 표시하는 블록도.
제10도는 본 발명에 의한 전기 자동차의 전기시스템의 제 1 실시예의 장치를 표시하는 블록도.
제11A~11E도는 충전중의 제10도의 전기시스템의 전압 및 전류들의 파형도.
제12도는 본 발명에 의한 전기 자동차의 전기시스템의 제 2 실시예의 장치를 표시하는 블록도.
제13도는 본 발명에 의한 전기 자동차의 전기시스템의 제 3 실시예의 주부분을 표시하는 블록도.
제14도는 본 발명에 의한 전기 자동차의 전기시스템의 제 4 실시예의 장치를 표시하는 블록도.
제15도는 교류모터가 제14도에 도시된 제 4 실시예의 바퀴들을 구동할 때의 교류모터의 권선들의 연결을 표시하는 블록도.
제16도는 2차전지가 제14도에 도시된 제 4 실시예의 권선들을 통하여 충전될 때의 교류모터의 권선들의 연결을 표시하는 블록도.
제17도는 본 발명의 제 5 실시예의 주부분을 표시하는 블록도.
제18도는 교류모터가 제17도에 도시된 제 5 실시예의 바퀴들을 구동할 때의 교류모터의 권선들의 연결을 표시하는 블록도.
제19도는 2차전지가 제17도에 도시된 제 5 실시예의 권선들을 통하여 충전될 때의 교류모터의 권선들의 연결을 표시하는 블록도.
제20도는 2차전지의 충전중에 제14도 및 제17도에 도시된 제 4 및 제 5 실시예들의 등가회로도.
제21도는 제20도에 표시된 등가회로의 여러가지 부분들의 전압들 및 전류들을 표시하는 도면.
제22도는 유도모터가 교류모터로서 채용되었을 때의 2차전지를 충전시킬 때의 등가회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 전기차량 4 : 인버터
62 : 교류연결와이어 60 : 스위치
63 : 모터연결와이어 64 : 연결와이어
210,610 : 교류접속기 500 : 3상배전망
1 : 2차전지 710 : 교류 리액터
410 : 충전케이블 5 : 교류모터.
본 발명의 제 1 실시예에 의하면, 하나 이상의 바퀴를 구동하기 위한 교류모터와 직류전력을 공급하기 위한 2차전지와 2차전지로부터 공급되는 직류전력을 교류모터에 공급될 교류전력으로 변환하는 전력변환수단과 전력변환수단은 직류전력이 2차전지에 재생되도록 교류전력을 직류전력으로 정류하는 재생기능을 가지며, 2차전지의 충전중에 전력변환수단과 교류모터 사이의 연결을 절단하는 수단과 충전중에 전력변환수단의 교류측에 교류전압을 공급하는 수단등을 구비하고, 전력변환수단은 충전중에 교류측에 공급되는 교류전압을 직류전압으로 정류함으로써 2차전지가 직류전압으로 충전되도록하는 전기자동차의 전기시스템이 제공된다.
여기에서, 전력변환수단은 2차전지의 충전중에 PWM제어를 수행하는 인버터일 수 있다.
교류모터, 전력변환수단, 단절수단 및 공급수단은 3상일 수 있다.
교류모터와 전력변환수단은 3상으로 될 수 있는 반면에 절단수단과 공급수단은 단상일 수 있다.
전기 자동차의 전기시스템은 공급수단과 전력변환수단 사이에 설치된 리액터를 더 구비할 수 있다.
전기 자동차의 전기시스템은 공급수단과 전력변환수단 사이에 삽입된 전압강하 변압기를 더 구비할 수 있다.
전압강하 변압기의 출력전압의 첨두치는 2차전지에 공급되는 직류전압보다 낮게 설정될 수 있다.
전기 자동차의 전기시스템은 공급수단과 전력변환수단 사이에 삽입되는 퓨즈를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 의하면, 하나 이상의 바퀴를 구동하기 위한 교류모터와 직류전력을 공급하기 위한 2차전지와 2차전지로부터 공급되는 직류전력을 교류모터에 공급될 교류전력으로 변환하는 전력변환수단과 전력변환수단은 직류전원이 2차전지에 재생되도록 교류전력을 직류전력으로 정류하는 재생기능을 가지며, 충전중에 전력변환수단의 교류측으로 직류전압을 공급하는 수단과 충전중에 권선들이 공급수단과 전력변환수단 사이에 삽입되는 식으로 직류모터의 권선들을 접속하는 수단 등을 구비하고, 전력변환수단은 2차전지가 직류전압에 의하여 충전되도록 충전중에 교류측에 공급되는 교류전압을 직류전압으로 정류하는 전기 자동차의 전기시스템이 제공된다.
여기에서, 전력변환수단은 충전중에 권선들이 공급수단과 전력변환수단 사이에 삽입되어, 바퀴들의 구동중에 정상적인 모터권선 구조를 취하는 식으로 교류모터의 권선들을 절환하는 스위치를 구비할 수 있다.
교류모터는 3상일 수 있으며, 교류모터의 권선들은 바퀴들의 구동중에 스타-결선(Y결선)될 수 있다.
교류모터는 3상일 수 있으며, 교류모터의 권선들은 바퀴들의 구동중에 델타-결선될 수 있다.
전기 자동차의 전기시스템은 2차전지의 충전을 시작할 때 자동적으로 스위치를 동작시키는 수단을 더 구비할 수 있다.
전력변환시스템은 2차전지의 충전중에 PWM 제어를 수행하는 인버터일 수 있다.
교류모터, 전력변환수단, 연결용수단 및 공급수단은 3상일 수 있다.
교류모터와 전력변환수단은 3상일 수 있으며, 반면에 연결용수단과 공급용수단은 단상일 수 있다.
전기 자동차의 전기시스템은 공급용수단과 전력변환수단 사이에 삽입되는 전압강하 변압기를 더 구비할 수 있다.
전압강하 변압기의 출력전압의 첨두치는 2차전지에 공급되는 직류전압보다 더 낮게 설정될 수 있다.
전기 자동차의 전기시스템은 공급수단과 전력변환수단 사이에 삽입되는 퓨즈를 더 구비할 수 있다.
전기 자동차의 전기시스템은 전기차량의 바퀴들을 브레이크 하기위한 브레이크를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 의하면, 인버터와 같은 전력변환수단은 2차전지의 충전중에 교류모터로부터 접속이 단절되며, 배전망과 같은 전력공급수단은 전력변환수단의 교류측에 접속된다.
전력변환수단은 교류-대-직류 변환이 수행되는 종래의 재생브레이크작용 모드에서와 같이 동작함으로써 2차전지가 직류전력으로 충전되도록한다.
이와 같이, 다이오드정류기와 같은 정류기, 쵸퍼 등을 결합한 거대하지 않은 충전장치가 소요되기 때문에, 염가이면서, 소형이고, 공간절약형 전기시스템이 실현될 수 있다.
또한, 충전중에 수행되는 PWM 제어는 고조파들과 왜곡을 감소시킬 것이며, 1.0의 역률로 동작을 가능하게할 것이고, 배전망의 품질을 유지할 것이다.
또한, 단상 및 3상전력 전원들 양자가 사용될 수 있기 때문에, 가정용 전원과 공장용 전원 양자가 충전용으로 사용될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 의하면, 인버터와 같은 전력변환수단의 교류측은 2차전지의 충전중에 교류모터의 권선들을 통하여 배전망과 같은 전력공급수단에 접속된다.
이와 같이, 전력변환수단은 2차전지를 충전하기 위하여 종래의 재생브레이크작용모드에서와 같이 동작한다.
전력변환수단과 전력공급수단 사이에 연결된 교류모터의 권선들은 전력변환수단의 PWM 제어 등에 의하여 발생되는 고조파들을 크게 감소시키는 리액턴스로서 작용한다.
이와 같이, 전력공급수단의 전류파형들의 보전이 유지된다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들, 효과들, 특징들 및 이점들은 첨부 도면들과 관련하여 취하여진 실시예들의 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명을 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
제10도는 본 발명의 제 1 실시예의 장치를 표시한다.
이 도면에서, 제2도에서와 같거나 상응하는 요소들은 동일 참조번호들을 부여하며, 여기에서는 그 설명을 생략한다.
본 실시예의 전기차량(100)에서, 인버터(4)는 정류 및 인버팅 작용 양자를 수행한다.
인버터(4)의 교류연결와이어들(62)은 스위치(60)를 통하여 모터연결와이어들(63)에 접속된다.
또한, 연결와이어들(63)도 역시 연결와이어들(64)의 방법에 의하여 충전용 교류접속기 또는 단자들(210)에 연결된다(간단하게 하기 위하여 교류접속기 및 단자들은 이하 교류접속기로서 호칭된다).
또한, 외부교류전원으로서, 교류접속기 또는 단자들(610)(교류접속기 및 단자들 양자는 교류접속기(210)와 같은 교류접속기로서 호칭된다)은 3상배전망(500)에 연결된다.
전기차량(100)의 2차전지(1)가 충전될 때, 교류 리액터들(710)을 포함하는 충전케이블(410)은 교류접속기들(210과 610)사이에 연결된다.
여기에서, 교류 리액터들(710)은 배전망(500)이 리액턴스의 어떤 양을 가질 때 제거될 수 있다.
스위치(60)는 전기차량의 2차전지(1)가 충전되지않았을 때 닫힘으로써 인버터(4)로부터 출력된 교류전력이 그것을 구동하기 위하여 교류모터(5)에 공급된다.
한편, 2차전지(1)를 충전하기 위하여 충전케이블들(410)이 교류접속기(210)에 접속되면, 스위치(60)는 도시되지않은 적당한 기구에 의하여 자동적으로 개방됨으로써 배전망(500)상의 전압이 교류모터(5)에 직접 인가되지 않도록 한다.
인버터(4)는 그의 작용을 제어하도록 제어회로(4A)를 더 구비한다.
다음에, 본 실시예에 의한 충전작용이 제11A~11E도에 따라 기술될 것이다.
위에서 설명한 바와 같이, 전기차량(100)의 2차전지(1)는 인버터(4), 연결와이어들(62 및 64), 교류접속기(210), 충전케이블들(410) 및 접속기(610)를 통하여 배전망(500)에 연결된 다음, 주스위치(2)가 닫힌다.
다음에, 인버터(4)의 제어는 모터제어모드(모터작용모드에 해당됨)로부터 충전제어모드(재생브레이크 작용모드에 해당함)로 수동적으로 스위칭됨으로써 2차전지(1)로의 충전전류와 전압이 미리설정된 값들로 조절되는 방식으로 교류대 직류 변환이 PWM 제어하게 수행되도록 한다.
제11A~11E도는 충전모드에 있을 때의 인버터(4)의 어떤 부분들의 전압들과 전류들을 표시한다.
전압들과 전류들은 재생브레이크작용을 표시하는 제6A~6D도의 그것들과 사실상 동등하다.
여기에서 전류들의 방향들은 제4도와 제10도를 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, 이 경우에 역전된다는 것을 주의하여야 한다.
충전모드에서, 2차전지(1)의 전압은 배전망(500)상의 사인파 교류전압의 첨두치보다 더 높은 것이 바람직하다.
초과 충전전류는 이 경우에 전지의 내부저항에 의하여 제한하기 때문에 교류전압의 첨두치보다도 약간 더 낮은 2차전지(1)의 전압이 허용될 수 있으나, 비교적 낮은 전압은 인버터(4)를 구성하는 다이오드들에 의하여 제어될 수 없는 충전전류를 초래할 것이어서 과전류가 종종 퓨즈(3)를 파단할 수 있으므로써, 충전회로를 개방시킨다.
본 실시예에 의하면, 전지를 충전시키기 위하여 종래에는 사용되지 않았던 인버터(4)가 교류 대 직류로서 이용됨으로써 그 전류출력은 2차전지(1)를 충전하는데 사용된다.
따라서, 전지를 충전하기위한 총 시스템의 관점에서, 스위치(60), 연결 와이어들(64), 교류접속기(210) 및 또한 종래에는 필요치 않았던 인버터(4)내의 충전제어회로(4A)를 더 구비하고, 교류전력라인을 위하여서는, 역시 종래에는 필요치 않았던 케이블들(410)에 더하여, 교류접속기(610)와 필요시엔 교류 리액터들(710)을 더 구비하는 것이 전기차량(100)을 위하여 충분하다.
결국, 본 실시예는 매우 염가이면서 공간절약형 충전시스템을 실현시킬수 있다.
또한, 인버터(4)의 PWM 제어를 수행함으로써, 충전동작중에 배전망(500)으로부터 전기차량(100)으로 공급되는 전류(is)는 제11C도에 도시된 것과 같이 작은 왜곡만 있는 거의 완전한 사인 파형을 취할 수 있다.
이것은 또한 배전망(500)상의 전력의 품질이 유지되는 것을 확보한다.
제 2 실시예 :
제12도는 본 발명의 제 2 실시예를 표시한다.
이 실시예는 단상 배전망(520)에 적용된다.
이와 관련하여, 교류 접속기들(220 및 620)(교류접속기는 전술한 바와 같이 교류접속기와 교류접속기 대신에 사용될 수 있는 단자들을 지칭한다), 충전케이블들(420), 필요시엔 교류 리액터들(720), 연결와이어들(62) 그리고 스위치(61)는 모두 단상 사양들에 따라 구성된다.
한편, 인버터(4) 및 교류모터(5)는 3상 사양을 기초로함으로써 단일 인버터가 인버터(4)의 단상/3상제어를 절환함으로써 단상 및 3상배전망들(520 및 500)로부터 충전을 할 수 있는 것이다.
제 3 실시예 :
제13도는 본 발명의 제 3 실시예의 주부분을 표시한다.
그것은 제10도 및 제12도에 도시된 실시예들의 교류리액터들(710 및 720) 대신에 삽입된 전압강하 변압기(800)를 구비한다.
제13도의 시스템은 3상배전망(500)에 적용되었으나, 그것은 또한 제12도에 도시된 바와 같이 단상배전망(520)에 적용될 수도 있다.
본 실시예는 다음의 이유때문에 효과적이다.
첫째, 전압강하 변압기(800)의 권선들은 인버터(4)의 교류측에 약간의 양의 리액턴스를 확보하며, 둘째, 전압강하 변압기(800)는 전지전압이 배전망상의 교류전압의 첨두치보다 더 낮다할지라도 2차전지(1)의 전압보다 더 낮은 교류전압을 인버터(4)의 교류측에 공급하는 것을 가능하게한다.
위에서 설명한 실시예들은 인버터(4)의 교류측의 과전류로부터 인버터(4)의 장치들을 보호하기 위하여 전기차량과 배전망 사이에 퓨즈들을 구비할 수 있다.
퓨즈들은 교류 리액터들(710 및 720), 또는 전압강하 변압기(800)와 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 교류스위치는 안전의 목적을 위하여 전기차량과 배전망 사이에 연결될 수 있다.
다음에, 본 발명의 제 4 및 제 5 실시예들을 설명할 것이다.
이 실시예들은 인버터와 교류전원사이에 접속된 교류모터의 권선들을 구비하는 한편, 2차전지는 리액터들로서 권선들을 동작하도록 충전된다.
이 실시예들은 교류모터에 의하여 바퀴들의 구동, 또는 2차전지의 충전에 따르는 권선들의 연결을 절환하기 위한 스위치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
제 4 실시예 :
제14도는 본 발명의 제 4 실시예의 장치를 표시한다.
이 도면에서, 제10도에서와 같은 참조번호들에 대해서는 동일 또는 상응요소들이 지정되며, 그의 설명은 여기에서 생략한다.
제14도의 전기차량(100)에서, 인버터(4)의 교류측의 연결라인들(62)은 교류모터(5)의 위상-권선들(51,52 및 53)의 제 1 단자들(51a,52a 및 53a)에 각각 연결된다.
한편, 위상-권선들(51,52 및 53)의 제 2 단자(51b,52b 및 53b)은 연결와이어들(64)을 통하여 3-극 스위치(60A)의 제 1 단자들(65a,66a 및 67a)에 각각 연결된다.
3-극 스위치(60A)의 제 2 단자들(65b,66b 및 67b)은 연결와이어들(68)을 통하여 교류접속기(210)에 연결된다.
3-극 스위치(60A)의 나머지 제 3 단자들(65c,66c 및 67c)은 서로 연결된다.
또한, 외부 3상 배전망(500)은 앞에서 설명한 바와 같이 교류접속기(610)에 연결된다.
전기차량(100)의 2차전지(1)가 충전될 때, 충전케이블들(410)은 교류접속기(210과 610)사이에 연결된다.
이 실시예는 교류모터로서 3상 유도모터를 사용하며, 그 권선들은 스타-결선된다(Y-연결된다).
다음에, 제 4 실시예의 동작을 아래에 설명한다.
교류모터(5)가 바퀴들을 구동하기 위하여 작동하면, 3-극 스위치(60A)의 단자들(65a,66a 및 67a)은 단자들(65c,66c 및 67c)에 접속됨으로써 권선들(51,52 및 53)이 스타-결선되도록 한다.
이것으로써, 권선들(51,52 및 53)은 교류접속기(210) 또는 배전망(500)으로부터 단절됨으로써 모터(5)가 교류모터로서 동작할 수 있다.
제15도는 이런 경우의 결선을 표시한다.
위에서 상세히 설명한 바와 같이, 권선들(51,52 및 53)은 모터작용모드에서 스타-결선되고, 따라서, 교류모터(5)는 인버터(5)로부터 공급되는 교류전력에 의하여 구동된다.
반대로, 재생브레이크작용모드에서, 인버터(4)는 모터작용모드에서의 그것과 반대로 전력변환을 수행함으로써 전력이 인버터(4)를 통하여 2차전지(1)에 재생되도록 한다.
한편, 2차전지(1)가 충전될 때, 3-극 스위치(60A)의 단자들(65a,66a 및 67a)은 그 단자들(65b,66b 및 67b)에 연결됨으로써 권선들(51,52 및 53)이 교류접속기들(210 및 610)을 통하여 배전망(500)에 연결되도록 한다.
제16도는 이런 경우의 결선을 표시한다.
권선들(51,52 및 53)은 제10도의 교류리액터들(710) 또는 제12도의 교류 리액터들(720)과 같은 식으로 작용한다.
충전전력은 권선들(51,52 및 53)의 방법에 의하여 배전망(500)으로부터 인버터(4)로 공급되며, 인버터(4)는 교류전력을 직류전력으로 변환함으로써 2차전지(1)가 재생브레이크작용모드에서와 같은 식으로 충전되도록 한다.
이러한 목적을 위하여, 인버터(4)는 충전작용을 제어하기위한 제어회로(4A)를 구비한다.
제 5 실시예 :
제17도는 본 발명의 제 5 실시예를 표시한다.
이 실시예에서, 교류모터(5)의 권선들(51,52 및 53)은 델타-결선된다.
제 5 실시예는 권선들(51,52 및 53)과 3상 스위치(60A)사이의 연결에 있어서 제 4 실시예와 상이하며, 기타 부분들은 제 4 실시예의 그것들과 사실상 동일하다.
제18도는 이 실시예에서 교류모터(5)가 바퀴들을 구동할 때의 결선을 표시하는 반면에, 제19도는 2차전지(1)가 충전될 때의 결선을 표시한다.
동작은 교류모터(5)가 바퀴 구동중에 델타-결선되는 것을 제외하고 제 5 실시예의 그것과 유사하기 때문에, 그 설명은 여기에서 생략한다.
제20도는 2차전지(1)의 충전중의 등가 회로를 표시하며, 제21도는 여러가지 부분들의 전류와 전압들의 파형들을 표시한다.
제20도에서, 참조번호(5x)는 권선들(51,52 및 53)의 리액턴스를 표시하며 (410x)는 케이블들(410)의 리액턴스, (500x)는 배전망(500)의 리액턴스, 그리고 (601 및 602)는 배전망(500)에 연결된 기타 교류부하들을 각각 표시한다.
또한, (VB)는 2차전지(1)의 전압을 표시하며, (iB)는 충전중의 2차전지(1)의 전류, (is)는 충전중의 인버터(4)의 교류측의 전류, 그리고 (VS)는 충전중의 인버터(4)의 교류측의 전압을 각각 표시한다.
일반적으로, 인버터(4)는 수kHz 이상의 고주파를 사용하여 PWM 제어를 수행하기 때문에, 배전망(500)으로부터 공급된 전류(is)는 제21도에 도시된 것과 같이 소량의 고주파 리플들을 포함하는 사인파가 된다.
여기에서, 사인파의 역률은 약 1.0이 된다.
인버터(4)의 교류측의 전압은 그 첨두치가 (VS1)으로 표시된 것과 같이 전지접압(VB)과 동일한 PWM 파형을 취한다.
리액턴스(5x)는 리액턴스(410x)보다 대단히 크기 때문에, PWM 파형의 큰 부분은 리액턴스에 의하여 흡수됨으로써 전기차량의 접속기(210)의 전압(VS2)은 거의 사인파의 파형을 취한다.
배전망(500)측의 접속기(610)(제14도)의 전압은 (VS3)으로 표시된 것과 같이 더 사인파로 접근하고 있다.
배전망(500)에 연결된 기타 교류부하들(601 및 602)로의 공급전압들은 사실상 (VS3)와 같은 사인파형을 취하기 때문에, 전원상의 전기차량(100)의 충전의 영향은 거의 제로이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 제 4 및 제 5 실시예들은 외부 교류전원과 교류모터를 구동하기위한 인버터 사이에 삽입된 교류모터의 위상권선들을 가지며, 교류모터의 권선들의 리액턴스를 사용하여 외부 교류전원으로부터 전력을 변환하는 인버터로부터 직류전류로 2차전지를 충전한다.
이런 경우에는, 전기차량이 충전중에 모터에 발생된 회전력에 의하여 결코 움직이기 시작하지 않았다는 것을 전적으로 확실히 하여야한다.
이것은 더 상세히 설명될 것이다.
제22도는 교류모터(5)로서 유도모터가 사용되었을 때의 2차전지를 충전함에 있어서의 등가회로 표시한다.
교류모터(유도모터)(5)자체의 등가회로는 공지되어있다.
이 도면에서, X1및 R1은 고정자권선들의 누설리액턴스와 권선저항을 표시하며, 일반적으로 X1≫R1의 관계를 가짐으로써 권선저항 R1이 무시될 수 있다.
X2′및 R2′는 회전자의 리액턴스와 저항을 표시하면, S는 슬립, Xm은 여기저항, V는 모터(5)에 인가된 전압, 그리고 Vm은 여기전압이다.
전기차량은 2차전지(1)를 충전하는 동안에는 고정되어 있다.
환언하면, 회전률이 제로이고, 따라서, 슬립(S)은 1.0이다.
슬립=1.0이면, X1′+X2′≫R2′의 관계가 대체로 유지되고, 따라서, R2′는 무시될 수 있다.
또한, 리액턴스 X1+X2′는 통상적으로 % 리액턴스의 표현으로 10%에 속한다.
이것은 충전전류 Is가 모터의 정격전류이면 모터양단의 전압 V는 정격 전압의 약 10%이라는 것을 의미한다.
또한, 리액턴스 X1′및 X2′는 유사한 값을 취하기 때문에, 여기전압 Vm은 정격전압의 약 5%가 된다.
유도모터에 의하여 발생된 회전력을 전압의 자승에 비례하기 때문에, 충전중에 발전된 회전력은 정격회전력의 (5/100)2또는 0.25%가 된다.
이와 같이, 모터의 권선들을 사용하는 충전은 정격회전력의 1%이하의 아주 작은 회전력을 발생함으로 전기차량이 움직이기 시작할 가망성이 없다.
그러나, 안전의 목적을 위하여 충전중에는 정차브레이크를 적용하는 것이 바람직하다.
제10도를 참조하여 제 1 실시예에서 설명한 바와 같이, 2차번지(1)의 충전전압은 인버터(4)의 교류측의 전압의 첨두치, 즉, 배전망(500)상의 교류전압의 첨두치보다 더 높은 것이 바람직하다.
인버터(4)의 교류측의 전압의 첨두치보다 약간 더 낮은 2차전지(1)로의 충전전압이 이용될 수 있다.
이것은 전지의 내부저항이 충전전류가 너무 커지는 것을 방지할 것이기 때문이다.
모터를 구동하기 위하고 2차전지를 충전하기 위한 회로들이 제14도 및 제17도와 관련된 실시예들에서 3-극 스위치(60A)를 절환함으로써 형성되었으나, 모터를 구동하기 위한 회로는 충전을 시작할 때 자동적으로 스위치를 변동시킴으로써 충전을 위한 회로로 전환되는 것이 바람직하다.
이것은 충전케이블들(410)을 교류접속기(210)에 연결하는 것은 스위치가 자동적으로 회로들을 전환하기 위하여 동작할 수 있도록 기계적 구조를 설치함으로써 달성될 수 있을 것이다.
충전중에 회로를 보호할 목적으로 인버터(4)의 교류측과 배전망(500)사이에 퓨즈가 삽입되는 것이 또한 바람직하다.
제14도 및 17도에 도시된 바와 같은 실시예들에서, 종래에는 충전중에 사용되지 않았던 인버터(4)가 2차전지(1)를 충전하기 위한 교류-대-직류 변환기로서 이용될 수 있다.
결국, 염가이면서, 공간-절약형 충전시스템이 실현될 수 있는 것이다.
또한, 인버터(4)의 PWM 제어를 수행함으로써, 충전동작중에 배전망(500)으로부터 전기차량(100)으로 공급되는 전류(is)는 제21도에 도시된 것과 같이 작은 왜곡만있는 거의 완전한 사인 파형을 취할 수 있다.
이것은 그의 역률이 1.0인 충전동작을 달성할 수 있도록 만든다.
이것은 또한 배전망(500)상의 전력의 보전이 유지되는 것은 확보한다.
상기의 모든 실시예들은 교류모터가 유도모터인 것을 가정하여 설명하였으나, 본 발명은 동기모터에도 적용될 수 있다.
이런 경우에는, 충전중에 동기모터에 의하여 발생된 회전력이 제로이기 때문에, 전기차량을 구동하기 위한 회전력이 발생되지않으며, 전기차량이 움직이기 시작할 우려가 없다.
제14도 및 17도의 실시예들은 배전망(500)과 같은 3상 외부전원용이나, 그들도 역시 다른 실시예들과 같이 단상 전원에도 적용될 수 있다.
본 발명에 의하여 구성된 전기 자동차의 전기시스템의 특정 실시예들이 개시되었으나, 본 발명은 여기에 개시된 특정한 구조들이나 용도에 제한되려고 하는 것은 아니다.
수정변경들이 이 기술분야의 기술자에게 자명한 식으로 이루어질 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범위에 의해서만 제한되려는 것이다.
본 발명의 전기 자동차의 전기 시스템에 의하면 거대하고 고가의 시스템을 사용하지 않고 간단한 장치를 배전망과 같은 교류 전력 공급원에 접속하기만 함으로써 그의 2차 전지를 충전할 수 있고, 또 충전중에 배전망상에서 전력의 보전을 유지할 수 있다.

Claims (16)

  1. 교류모터에 의해서 하나 이상의 자동차 바퀴를 구동시키고, 전력변환수단에 의해서 2차전지의 직류전력을 교류전력으로 변환하여 상기 교류모터에 공급하며 또 교류전력을 직류로 정류하여 2차전지에 재생되도록 하고, 상기 2차전지의 충전중에는 전력변환수단과 교류모터 사이를 단절용 수단에 의해서 단절시킴과 함께, 공급용 수단에 의해서 전력변환수단의 교류측에 교류전압을 공급하는 전기 자동차의 전기 시스템에 있어서, 상기 교류모터, 상기 전력변환수단, 상기 단절용 수단 및 상기 공급용 수단은 삼상인, 전기 자동차의 전기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공급용 수단과 상기 전력변환수단 사이에 삽입된 전압강하 변압기를 더 구비한 전기 자동차의 전기시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전압강하 변압기의 출력전압의 첨두치는 상기 2차 전지에 인가되는 직류전압보다 더 낮게 설정되는, 전기 자동차의 전기시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 공급용수단과 상기 전력변환수단 사이에 삽입되는 퓨즈를 더 구비한 전기 자동차의 전기시스템.
  5. 하나 이상의 바퀴를 구동하기 위한 교류모터와 직류전력을 공급하기 위한 2차전지와 상기 2차전지로부터 공급되는 직류전력을 상기 교류모터에 공급될 교류전력으로 변환하는 전력변환수단과 상기 교류전력을 직류전력으로 정류함으로써 직류전력이 상기 2차전지에 재생되도록하는 기능을 가지며 충전중에 상기 전력변환수단의 교류측에 교류전압을 공급하는 수단과 충전중에 상기 공급용수단과 상기 전력전환수단 사이에 권선들이 삽입되는 식으로 상기 교류모터의 권선들을 연결하는 수단을 구비하고, 상기 전력변환수단은 교류측에 인가되는 상기 교류전압을 충전중에 직류전압으로 정류함으로써 상기 2차전지가 상기 직류전압에 의하여 충전되도록하는 전기자동차의 전기시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 연결용 수단은 상기 충전중에 상기 공급용수단과 상기 전력변환수단 사이에 권선들이 삽입되어, 상기 바퀴의 구동중에 정상적인 모터권선 구성을 취하는 식으로 상기 교류모터의 권선들을 절환하는 스위치를 구비하는 전기자동차의 전기시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 교류모터는 3상이고, 상기 교류모터의 상기 권선들은 상기 바퀴들의 구동중에 스타-결선되는, 전기 자동차의 전기시스템.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 교류모터는 3상이고, 상기 교류모터의 상기 권선들은 상기 바퀴들의 구동중에 델타-결선되는, 전기 자동차의 전기시스템.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 2차전지의 충전을 시작할 때 자동적으로 상기 스위치를 작동시키기 위한 수단을 더 구비한, 전기 자동차의 전기시스템.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 전력변환 시스템은 상기 2차전지의 충전중에 PWM제어를 수행하는 인버터인, 전기 자동차의 전기시스템.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 교류모터, 상기 전력변환수단, 상기 연결용 수단 및 상기 공급용 수단은 3상인, 전기 자동차의 전기시스템.
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 교류모터와 상기 전력변환수단은 3상인 반면에, 상기 연결용 수단과 상기 공급용 수단은 단상인, 전기 자동차의 전기시스템.
  13. 제 6 항에 있어서, 상기 공급용 수단과 상기 전력변환수단 사이에 삽입되는 전압강하 변압기를 더 구비한 전기 자동차의 전기시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전압강하 변압기의 출력전압의 첨두치는 상기 2차전지에 인가되는 직류전압보다 더 낮게 설정되는, 전기 자동차의 전기시스템.
  15. 제 6 항에 있어서, 상기 공급용 수단과 상기 전력변환수단 사이에 삽입되는 퓨즈를 더 구비한 전기 자동차의 전기시스템.
  16. 제 6 항에 있어서, 상기 전기차량의 상기 바퀴들을 브레이크하기 위한 브레이크를 더 구비한, 전기 자동차의 전기시스템.
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