KR100693505B1 - 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법 - Google Patents

전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법 Download PDF

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송홍석
김성영
오두용
남광희
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현대자동차주식회사
학교법인 포항공과대학교
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Abstract

본 발명은 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법에 관한 것으로서, 해결하고자 하는 기술적 과제는 디씨/디씨 컨버터와 인버터 사이에 개재된 디씨 링크의 캐패시턴스를 감소시키는데 있다.
이를 위해 본 발명에 의한 해결 방법의 요지는 배터리, 디씨/디씨 컨버터, 디씨 링크, 인버터, 모터 및 상기 디씨/디씨 컨버터와 인버터를 제어하는 제어부로 이루어진 자동차의 전력 시스템중 상기 디씨 링크의 전압을 제어하는 방법에 있어서, 상기 디씨/디씨 컨버터의 디씨 링크 전류가 인버터의 디씨 링크 전류를 추종하도록, 상기 제어부의 제어 루프에 보상기가 설치되고, 상기 보상기에는 상기 모터의 정보가 입력되어, 소정 보상항이 계산되고, 상기 보상항이 상기 제어부의 제어 루프중 전압 노드에 주입되는 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법이 개시된다.
전기 자동차, 하이브리드 자동차, 디씨 링크, 캐패시터, 보상기

Description

전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법{Voltage control method of DC link for electric car}
도 1은 종래의 배터리를 동력원으로 하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 전력 시스템을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1중 디씨 링크의 전류 흐름을 도시한 모식도이다.
도 3은 종래의 일반적인 디씨 링크의 전압 제어 방법을 도시한 블록도이다.
도 4는 펄스 형태로 흐르는 인버터 전류를 시간 축에 대해 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의한 디씨 링크의 전압 제어 방법을 도시한 블록도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1; 배터리 2; 코일
4; 디씨/디씨 컨버터 5; 디씨 링크
5a; 디씨 링크의 캐패시터 6; 인버터
7; 모터 17,19; 비례 적분 제어기
18; 전류 노드 20; 전압 노드
21; 보상기 80; 제어부
81; 좌표 변환기 82; 인버터 제어기
83; 인버터의 펄스폭 변조 발생기
84; 컨버터 제어기 85; 디씨/디씨 컨버터의 펄스폭 변조 발생기
본 발명은 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는 디씨/디씨 컨버터와 인버터 사이에 개재된 디씨 링크의 캐패시턴스를 줄일 수 있는 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법에 관한 것이다.
전기 자동차 또는 하이브리드 자동차와 같이 배터리를 동력원으로 사용하는 자동차는 배터리 전압을 승압시키기 위한 디씨/디씨(DC/DC) 컨버터와, 모터 구동을 위한 인버터를 갖는다. 상기 디씨/디씨 컨버터와 인버터 사이에는 통상 디씨(DC) 링크가 개재되어 있고, 상기 디씨 링크에는 전압 및 전류 완충을 위한 대용량의 캐패시터가 설치되어 있다. 일반적으로 상기 디씨 링크는 디씨/디씨 컨버터와 인버터 사이의 전압 변동율을 줄이기 위해 매우 큰 용량의 캐패시터를 이용하고 있고, 따라서 부피가 매우 큰 전해 캐패시터 또는 필름 캐패시터를 이용하고 있다.
그러나 이러한 디씨 링크의 캐패시터는 부피가 매우 크고, 열적 특성이 나빠서 열을 받거나 오래 사용하게 되면 전해액이 가스 형태로 분출되거나 또는 액체 형태로 흘러 나와 지속적인 열화과정이 진행되어 그 수명이 단축되는 단점이 있다. 또한 자동차 내부의 공간도 극도로 제한되어 있어 이러한 캐패시터를 대체하거나, 부착하는 갯수를 줄이고자 하는 많은 노력이 진행되고 있다.
도 1을 참조하면, 종래 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 전력 시스템이 개략적으로 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 종래 전기를 동력원으로 하는 자동차의 전력 시스템은 배터리(1), 디씨/디씨 컨버터(4), 디씨 링크(5), 인버터(6), 모터(7) 및 제어부(80)로 이루어져 있다.
상기 배터리(1)는 소정 전위차를 갖는 에너지원이고, 상기 디씨/디씨 컨버터(4)는 배터리(1)의 전압을 소정 전압으로 승압시키며, 상기 디씨 링크(5)는 상기 디씨/디씨 컨버터(4)에 의해 승압된 전압을 평활시키며, 상기 인버터(6)는 소정 전압 및 주파수를 갖는 교류 전압을 모터(7)에 출력하며, 상기 모터(7)는 소정 회전수 및 토크를 가지면서 회전하게 된다. 또한, 상기 제어부(80)는 상기 인버터(6)로부터 출력되는 전류 및 디씨 링크(5)의 전압을 피드백하여 상기 디씨/디씨 컨버터(4) 및 인버터(6)를 주파수 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식으로 제어하는 역할을 한다. 도면중 미설명 부호 81,81'은 모터(7) 또는 인버터(6)에 입력되는 3상 전류 좌표를 2상 전류 좌표로 변환하는 변환기이고, 83,85은 PWM 발생기이며, 82은 인버터 제어기이고, 84는 컨버터 제어기이다.
또한, 상기 디씨/디씨 컨버터(4)는 여러 가지 종류가 있을 수 있으나, 여기서는 코일(2)과 2개의 스위치로 구성되는 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터를 예로 하였다. 그리고 상기 인버터(6)는 6개의 스위치로 구성된 것을 예로 하였다. 물론, 디씨/디씨 컨버터(4)와 인버터(6)를 연결하는 디씨 링크(5)에는 적어도 하나의 대용량 캐패시터(5a)가 설치되어 있다.
도 2를 참조하면, 도 1의 디씨 링크(5)중 캐패시터(5a)만을 도시한 도면이 도시되어 있다.
도면중 icon, icap, iinv는 각각 디씨/디씨 컨버터(4)로부터 흐르는 전류, 디씨 링크(5)의 캐패시터(5a)로 흐르는 전류, 그리고 인버터(6)로 흐르는 전류를 나타낸다. 상기 도 1에서 디씨/디씨 컨버터(4)로부터의 전류 icon과, 인버터(6)로 흐르는 전류 iinv가 같으면 키르히호프 법칙(Kirchhoff's law)에 의해, 디씨 링크(5)의 캐패시터(5a)로 흐르는 전류 icap이 0(zero)이 된다. 즉, icon=iinv이면 icap=0이다. 다른 말로, icap이 0이 되면 디씨 링크(5)의 전압(vDC)이 항상 일정하게 유지된다. 따라서 모터(7)가 가속, 감속 및 정지를 포함한 모든 경우에 디씨/디씨 컨버터(4)의 전류 icon이 iinv를 추종하게 하면, 디씨 링크(5)의 캐패시터(5a)의 용량을 최소화할 수 있음을 알 수 있다.
도 3을 참조하면, 종래의 전형적인 디씨 링크의 전압 제어 방법이 제어 블록도로서 도시되어 있다. 여기서, 상기 제어 블록도는 대략 상기 컨버터 제어기(84)를 포함하여 그 주변에서 하드웨어 또는 소프트웨어로서 수행되는 것을 각종 방정식에 의해 모델링한 것이다.
상기 블록도의 내부 루푸(IL_1)는 주지된 바와 같이 디씨/디씨 컨버터(4)의 전류 icon에 대한 제어 루프이고, 상기 내부 루프(IL_1)에는 비례 적분 제어기(Proportional-Intgral Controller)(10)가 이용된다. 또한, 외부 루프(OL)는 디씨 링크(5)의 전압 Vdc에 대한 제어 루프이고, 상기 외부 루프(OL)에도 역시 비례 적분 제어기(8)가 이용된다. 또한, 다른 내부 루푸(IL_2)는 인버터(6)의 전류 iinv에 대한 제어 루프이고, 상기 내부 루프(IL_2)에는 보상기(14)가 이용된다. 여기서, 상기 인버터(6)의 전류 iinv를 보상하기 위한 보상기(14)에는 일례로 저역 통과 여파기(12)가 설치되어 이용될 수 있다. 도면중 컨버터(86)의 내부에 있는 L과 C는 각각 디씨/디씨 컨버터(4)에서 사용된 코일(2)과 디씨 링크(5)의 캐패시터(5a)를 나타낸다.
여기서, 또한 도면 부호 9는 캐패시터 전류 지령치
Figure 112005066254585-pat00001
및 캐패시터 전류
Figure 112005066254585-pat00002
가 입력되는 전류 노드이며, 부호 11은 비례 적분 제어기(10)에 의해 전류가 전압으로 변환되어 입력되는 동시에, 배터리 전압 vB가 입력되는 전압 노드이다.
도 4를 참조하면, 펄스 형태로 흐르는 인버터 전류 및 시간 사이의 그래프가 도시되어 있다.
도 3에서 상기 보상기(14)는 인버터 전류 iinv를 보상하기 위해 저역 통과 여파기(12)가 이용되고 있다고 하였다. 즉, 상기 저역 통과 여파기(12)를 이용하여 도 4에 도시된 인버터의 평균 전류(average current)(16)를 얻고, 이를 캐패시터 전류 지령치
Figure 112005066254585-pat00003
가 입력되는 전류 노드(9)에 인가한다. 그리고 주입된 보상항은 비례 적분 제어기(10)를 거쳐서 컨버터(86)에 전달되어 인버터 전류 iinv를 보상해주 고, 따라서 결국 디씨 링크의 전압 VDC가 일정해지도록 하고 있다.
도 3에 도시된 일반적인 디씨 링크의 전압 제어 블록도를 살펴보면, 인버터 전류 iinv를 보상하기 위해서 보상기(14)를 이용하는데, 상기 보상기(14)는 저역 통과 여파기(12)로 구성되어 있으며, 인버터의 평균 전류(16)를 전류 노드(9)에 공급해 주고 있다. 물론, 전류 노드(9)에 공급된 보상항은 인버터 전류를 보상해주기 위해서 비례 적분 제어기(10)를 거쳐 컨버터(86)로 전달된다.
그러나, 이러한 비례 적분 제어기(10)는 신호의 시간 지연에 의해 필연적으로 위상 지연이 발생하는 단점이 있다. 더욱이, 인버터의 평균 전류(16)를 구하기 위해 이용되는 저역 통과 여파기(12)도 신호의 시간 지연에 의해 필연적으로 위상 지연이 발생하는 단점이 있다.
따라서 순간적으로 변하는 인버터 전류 iinv를 정확하게 보상하기 어렵다. 다른 말로, 상기 저역 통과 여파기(12) 및 비례적분제어기(10)에서 발생하는 위상 지연으로 인하여, 디씨/디씨 컨버터(4)의 전류 icon이 인버터(6)의 전류 iinv를 정확하게 추종하지 않게 된다.
더욱이, 상기와 같은 각종 단점으로 인해 전압 변동율이 줄어들도록, 대용량의 디씨 링크(5)용 캐패시터(5a)를 이용해야 하고, 따라서 설치 비용이 증가함은 물론, 넓은 설치 공간이 필요한 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적 은 위상 지연없이 인버터 전류를 정확하게 보상하고, 또한 이에 따라 디씨 링크에 사용되는 캐패시터의 용량을 현저히 줄일 수 있는 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 배터리, 디씨/디씨 컨버터, 디씨 링크, 인버터, 모터 및 상기 디씨/디씨 컨버터와 인버터를 제어하는 제어부로 이루어진 자동차의 전력 시스템중 상기 디씨 링크의 전압을 제어하는 방법에 있어서, 상기 디씨/디씨 컨버터의 디씨 링크 전류가 인버터의 디씨 링크 전류를 추종하도록, 상기 제어부의 제어 루프에 보상기가 설치되고, 상기 보상기에는 상기 모터의 정보가 입력되어, 소정 보상항이 계산되고, 상기 보상항이 상기 제어부의 제어 루프중 전압 노드에 주입될 수 있다.
여기서, 상기 모터의 정보는 모터의 전류, 전압 및 속도일 수 있다.
또한, 상기 보상항은 아래의 수학식 1로 결정될 수 있다.
수학식1
Figure 112005066254585-pat00004
여기서, s는 라플라스 미분 연산자, L은 디씨/디씨 컨버터에 설치된 코일의 인덕턴스, iB는 배터리 전류, vB는 배터리 전압, vDC는 디씨 링크의 전압, iinv는 인버터 평균 전류이다.
또한, 상기 인버터 평균 전류 iinv는 상기 모터의 전압 방정식, 모터의 상전 류 방정식 및 모터의 상전압 방정식에 의해 구해질 수 있다.
또한, 상기 보상항(
Figure 112005066254585-pat00005
)이 제어부의 제어 루프중 전압 노드에 입력되면, 아래의 수학식 2에 의해 인버터 전류 iinv와 디씨/디씨 컨버터의 전류 icon이 같게 되어 디씨 링크의 캐패시터 전류 icap이 0이 되도록 할 수 있다.
수학식 2
Figure 112005066254585-pat00006
또한, 상기 보상항 수학식 1에서 배터리 전압 vB 와 디씨 링크 전압 vDC 는 상수로 취급되므로 보상항을 구하기 위해서 iinv를 시간에 대해서 미분한 값을 찾아야 한다.
상기 인버터의 평균 전류 iinv는 전력관계식에 의해
Figure 112005066254585-pat00007
와 같이 주어진다. 여기서 vds r , ids r , vqs r , iqs r 는 각각 모터의 d상 고정자 전압, d상 전류, q상 고정자 전압, q상 전류를 의미한다. 상기 인버터의 평균 전류 iinv를 시간에 대해 미분하면 수학식 3으로 주어진다.
수학식 3
Figure 112005066254585-pat00008
상기 인버터의 평균 전류 미분치
Figure 112005066254585-pat00009
에서
Figure 112005066254585-pat00010
과
Figure 112005066254585-pat00011
는 오일러 방법(Euler Method)에 의해 수학식 4 와 수학식 5으로 근사화 된다.
수학식 4
Figure 112005066254585-pat00012
수학식 5
Figure 112005066254585-pat00013
여기서 Ts 는 PWM 주기, 혹은 샘플링 주기(sampling period)를 나타내고, k는 정수를 의미한다. 상기 인버터의 평균 전류 미분치
Figure 112005066254585-pat00014
에서
Figure 112005066254585-pat00015
과
Figure 112005066254585-pat00016
는 영구자석 동기 모터의 전압 방정식인 수학식 6과 수학식 7에 의해 주어진다.
수학식 6
Figure 112005066254585-pat00017
수학식 7
,
Figure 112005066254585-pat00018
여기서, Ld, Lq, Rs, wr, φm 는 각각 모터의 d상 인덕턴스, q상 인덕턴스, 고정자 저항, 회전자 속도, 회전자 자속을 나타낸다. 상기 동기모터의 d상 전류
Figure 112005066254585-pat00019
는 정격 속도 내에서는 0으로 제어된다.
수학식 4 내지 수학식 7을 수학식 3에 대입하여 보상항 (
Figure 112005066254585-pat00020
)을 구하면 수학식 8과 같이 주어진다.
수학식 8
Figure 112005066254585-pat00021
즉, 수학식 8을 계산하여 제어부의 제어 루프중 전압 노드에 인가하면 인버터 전류 iinv가 보상될 수 있다.
상기와 같이 하여 본 발명에 의한 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법은 전형적인 디씨 링크의 전압 제어 방법에서 사용하는 저역 통과 여파기 및 비례 적분 제어기를 사용하지 않음으로써, 시간 지연에 따른 위상 지연을 회피할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 컨버터 전류 icon이 인버터 전류 iinv를 완벽하게 추종함으로써, 디씨 링크의 캐패시터 전류 icap이 0(zero)이 되도록 한다. 그 결과 전형적인 디씨 링크의 전압 제어 방법을 사용했을 때보다 디씨 링크의 캐패시터 용량을 크게 줄일 수 있게 된다. 물론, 이에 따라 캐패시터의 설치 원가를 절감함은 물론, 캐패시터의 부피 및 무게도 축소할 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명은 인버터의 평균 전류 iinv를 종래와 같은 홀 센서(hall sensor) 및 저역 통과 여파기를 통하여 구하는 것이 아니라, 모터에 인가하는 상전압, 상전류 그리고 전압 방정식을 이용해서 구할 수 있으므로, 종래와 같이 DC 링크 전류 측정을 위한 홀 센서(hall sensor) 및 저역 통과 여파기의 설치를 생략할 수 있고, 따라서 그만큼 비용 절감을 할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야(즉, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 전력 시스템중 디씨 링크의 전압 제어 분야)에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
여기서, 본 발명을 상세하게 설명하기 전에 본 발명의 사상을 먼저 간략히 설명하기로 한다. 본 발명은 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 있어서, 디씨/디씨 컨버터와 인버터가 함께 설치된 전력 시스템의 경우 디씨/디씨 컨버터의 디씨 링크 전류가 인버터의 디씨 링크 전류와 같으면, 디씨 링크의 캐패시터로 흐르는 전류가 0이 되어, 작은 용량의 디씨 링크 캐패시터를 설치한다고 해도, 디씨 링크의 전압 변동이 없게 된다는 점에 착안하여, 디씨/디씨 컨버터의 디씨 링크 전류가 인버터의 디씨 링크 전류를 완벽하게 추종하도록 제어부를 설계함을 주요 사상으로 한다.
이러한 추종 제어부의 구현을 위해 컨버터 제어기의 전류 제어 루프에 보상기가 설치되어야 하며, 그 주파수 응답은 매우 빨라야 한다. 이러한 이유 때문에 저역 통과 여파기를 설치한 종래의 보상 방법은 효과적이지 못하지만, 본 발명에서는 모터의 전류, 전압 및 속도와 같은 변수를 이용하여 보상기에 개념적 미분기를 구현하고, 그 보상항 계산 결과를 컨버터 제어기의 제어 루프중 전류 노드가 아닌 전압 노드에 주입함으로써, 빠른 응답 속도를 갖는 보상 방법을 제시하고, 이에 따라 현실적으로 디씨 링크의 캐패시턴스를 줄일 수 있게 되는 것이다.
본 발명에 의한 전기 자동차용 또는 하이브리드 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법은 배터리(1), 디씨/디씨 컨버터(4), 디씨 링크(5), 인버터(6), 모터(7) 및 상기 디씨/디씨 컨버터(4)와 인버터(6)를 제어하는 제어부(80)로 이루어진 자동차의 전력 시스템에서 구현된다. 이와 같이 하드웨어로 인식되는 회로 구성은 도 1의 모식도에 도시되어 있고, 또한 종래와 같으므로 더 이상의 하드웨어적인 구성 설명은 생략하기로 한다.
계속해서, 도 5를 참조하면, 본 발명에 의한 디씨 링크의 전압 제어 방법이 블록도로서 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 디씨 링크의 전압 제어 방법을 도시한 블록도는 도 3에 도시된 블록도와 거의 유사하며, 따라서, 이하에서는 그 차이점을 중심으로 설명하기로 한다. 물론, 이러한 디씨 링크의 전압 제어 방법은 컨버터 제어기 및 그 주변에서 하드웨어적으로 구현되거나, 또는 소프트웨어적으로 구현될 수 있음은 당업자라면 충분히 인식할 수 있을 것이다.
도시된 바와 같이 블록도에서 내부 루푸(IL_1)는 디씨/디씨 컨버터(4)의 전류 icon에 대한 제어 루프이고, 상기 내부 루프(IL_1)에는 종래와 같이 비례 적분 제어기(Proportional-Intgral Controller)(19)가 설치되어 있다. 또한, 외부 루프(OL)는 디씨 링크(5)의 전압 Vdc에 대한 제어 루프이고, 상기 외부 루프(OL)에도 역시 종래와 같이 비례 적분 제어기(17)가 설치되어 있다. 또한, 다른 내부 루푸(IL_2)는 인버터(6)의 전류 iinv에 대한 제어 루프이고, 상기 내부 루프(IL_2)에는 본 발명에 의해 새롭게 도입된 보상기(21)가 이용된다.
여기서, 도면 부호 18은 캐패시터 전류 지령치
Figure 112005066254585-pat00022
및 캐패시터 전류
Figure 112005066254585-pat00023
가 입력되는 전류 노드이며, 부호 20은 비례 적분 제어기(19)에 의해 전류가 전압으로 변환되어 입력되는 동시에, 상기 보상기(21)에 의한 보상항 및 배터리 전압 vB가 입력되는 전압 노드이다.
상술한 바와 같이 종래에는 보상항을 전류 노드(18)에 공급해줌으로써, 비례 적분 제어기(19)를 거치고 따라서 위상 지연이 발생하였다. 그러나, 본 발명에서는 비례 적분 제어기(19)에 의한 위상 지연을 회피할 수 있도록, 도 5에 도시된 바와 같이, 보상기(21)에 의한 보상항을 전류 노드(18)가 아닌 전압 노드(20)에 직접 공급해 준다.
도 5에서 보상기(21)는 개념적인 블록도이다. 전압 노드(20)에 공급되는 배 터리(1)의 전압 vB과 보상기(21)에 의한 보상항의 차이는 전압 v1이 된다. 따라서, 보상항의 값은 디씨/디씨 컨버터(4)중 코일(2)의 양단 전압이 되어야 하므로, 배터리(1)의 전류 iB의 미분치가 필요하다. 그러나, 디씨/디씨 컨버터(4)의 손실이 없다고 가정하면, 보상항은 아래의 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다.
수학식1
Figure 112005066254585-pat00024
여기서, s는 라플라스 미분 연산자, L은 코일(2)의 인덕턴스, iB는 배터리(1)의 전류, vB는 배터리(1)의 전압, vDC는 디씨 링크(5)의 전압, iinv는 인버터(6)로 흐르는 인버터 평균 전류이다.
따라서, 상기 보상기(21)는 상기 인버터 전류의 미분치
Figure 112005066254585-pat00025
를 필요로 한다. 그러나, 인버터 전류 iinv는 도 4에 도시된 바와 같이 전형적인 펄스 형태를 한다. 따라서, 인버터 전류 iinv를 미분 가능한 형태로 만들기 위해서 평균값을 구한다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이 종래의 저역 통과 여파기를 이용하면 위상 지연이 발생하여 컨버터 제어기(84)의 성능을 저하시킨다. 따라서, 본 발명에서는 저역 통과 여파기를 이용하지 않고 모터(7)의 전압 방정식, 모터의 상전류 및 상전압 정보를 이용하여 인버터 전류 iinv의 평균치를 구한다.
또한, 도 5중 전압 노드(20)에 보상항(
Figure 112005066254585-pat00026
)을 공급해주면, 이 보상항은 컨버터(86)로 입력되어서 아래의 수학식 2와 같이 처리된다.
수학식 2
Figure 112005066254585-pat00027
즉, 디씨/디씨 컨버터(4)의 전류 icon가 정확히 인버터(6)의 전류 iinv와 일치하므로, 디씨 링크(5)중 캐패시터(5a)의 전류 icap가 0이 된다.
도 5의 보상기(21)에서 보상항을 IPM(Interior Permanent Magnet) 모터를 예로 하여 계산하면 다음과 같다.
인버터(6)의 평균 전류 iinv는 IPM 모터의 상전류와 상전압 정보를 이용해서 구할 수 있으며, 이때 상기 인버터(6)의 평균 전류는
Figure 112005066254585-pat00028
와 같이 된다. 여기서 vds r , ids r , vqs r , iqs r 는 각각 모터의 d상 고정자 전압, d상 전류, q상 고정자 전압, q상 전류를 의미한다. 상기 인버터의 평균 전류 iinv를 시간에 대해 미분하면 수학식 3로 주어진다.
수학식 3
Figure 112005066254585-pat00029
상기 인버터의 평균 전류 미분치
Figure 112005066254585-pat00030
에서
Figure 112005066254585-pat00031
과
Figure 112005066254585-pat00032
는 오일러 방법(Euler Method)에 의해 수학식 4와 수학식 5로 근사화 된다.
수학식 4
Figure 112005066254585-pat00033
수학식 5
Figure 112005066254585-pat00034
여기서 Ts 는 PWM 주기, 혹은 샘플링 주기 (sampling period)를 나타내고 k는 정수를 의미한다. 상기 인버터의 평균 전류 미분치
Figure 112005066254585-pat00035
에서
Figure 112005066254585-pat00036
과
Figure 112005066254585-pat00037
는 영구자석 동기 모터의 전압 방정식인 수학식 6과 수학식 7에 의해 주어진다.
수학식 6
Figure 112005066254585-pat00038
수학식 7
,
Figure 112005066254585-pat00039
여기서, Ld, Lq, Rs, wr, φm는 각각 모터의 d상 인덕턴스, q상 인덕턴스, 고정자 저항, 회전자 속도, 회전자 자속을 나타낸다. 상기 동기모터의 d상 전류
Figure 112005066254585-pat00040
는 정격 속도 내에서는 0으로 제어된다.
수학식 4내지 수학식 7을 수학식 3에 대입하여 보상항 (
Figure 112005066254585-pat00041
)을 구하면 수학식 8과 같이 주어진다.
수학식 8
Figure 112005066254585-pat00042
즉 수학식 8을 계산하여 제어부의 제어 루프중 전압 노드에 인가하면 인버터 전류 iinv가 보상될 수 있다.
이와 같이 하여 본 발명에서는 컨버터 제어기(84)에서 외란으로 인식되는 인버터 전류 iinv를 보상해주기 위해서 보상기(21)를 이용한다. 상기 보상기(21)에서 계산된 보상항은 전형적인 디씨 링크 전압 제어 방법에서 이용하는 비례 적분 제어기에 의한 위상 지연을 피할 수 있도록 전압 노드(20)에 공급한다. 그리고, 상기 보상항을 계산할 때 필요한 인버터 평균 전류의 미분치는 종래와 다르게 모터(7)에 인가되는 상전압, 상전류 그리고 모터의 전압 방정식을 이용하여 구한다. 즉, 전형적인 디씨 링크 전압 제어 방법에서 발생하는 저역 통과 여파기로 인한 시간 지연을 피할 수 있게 되는 것이다. 따라서, 종래의 디씨 링크 전압 제어 방법보다 인버 터 전류의 보상을 신속히 할 수 있으므로, 디씨 링크의 캐패시터 용량을 크게 줄일 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 자동차용 또는 하이브리드용 디씨 링크의 전압 제어 방법은 전형적인 디씨 링크의 전압 제어 방법에서 발생하는 저역 통과 여파기 및 비례 적분 제어기에 의한 위상 지연을 회피할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 디씨/디씨 컨버터 전류 icon이 인버터 전류 iinv를 완벽하게 추종함으로써, 디씨 링크의 캐패시터 전류 icap이 0(zero)이 된다. 그 결과 전형적인 디씨 링크의 전압 제어 방법을 사용했을 때보다 디씨 링크의 캐패시터 용량을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다. 물론, 이에 따라 캐패시터의 설치 원가를 절감함은 물론, 캐패시터의 부피 및 무게도 축소할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 인버터의 평균 전류를 모터에 인가하는 상전압, 상전류 그리고 전압 방정식을 이용해서 구하므로, 종래와 같은 홀 센서 및 저역 통과 여파기를 설치하지 않아 이로 인한 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 배터리, 디씨/디씨 컨버터, 디씨 링크, 인버터, 모터 및 상기 디씨/디씨 컨버터와 인버터를 제어하는 제어부로 이루어진 자동차의 전력 시스템중 상기 디씨 링크의 전압을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 디씨/디씨 컨버터의 디씨 링크 전류가 인버터의 디씨 링크 전류를 추종하도록, 상기 제어부의 제어 루프에 보상기가 설치되고,
    상기 보상기에는 상기 모터의 정보가 입력되어, 소정 보상항이 계산되고, 상기 보상항이 상기 제어부의 제어 루프중 전압 노드에 주입됨을 특징으로 하는 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 모터의 정보는 모터의 전류, 전압 및 속도인 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 보상항은 아래의 수학식 1로 결정됨을 특징으로 하는 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법.
    수학식1
    Figure 112005066254585-pat00043
    여기서, s는 라플라스 미분 연산자, L은 디씨/디씨 컨버터에 설치된 코일의 인덕턴스, iB는 배터리 전류, vB는 배터리 전압, vDC는 디씨 링크의 전압, iinv는 인버터 평균 전류
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 인버터 평균 전류 iinv는 상기 모터의 전압 방정식, 모터의 상전류 방정식 및 모터의 상전압 방정식에 의해 구해짐을 특징으로 하는 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 수학식 1은 모터가 영구자석 동기 모터인 경우 아래의 수학식 2와 같음을 특징으로 하는 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법.
    수학식 2
    Figure 112005066254585-pat00044
    여기서, Ld, Lq, Rs, wr, φm 는 각각 모터의 d상 인덕턴스, q상 인덕턴스, 고정자 저항, 회전자 속도, 회전자 자속, Ts 는 PWM 주기, 또는 샘플링 주기 (sampling period), k는 정수
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 보상항(
    Figure 112005066254585-pat00045
    )은 제어부의 제어 루프중 전 압 노드에서 감산되어 인버터 전류 iinv가 보상됨을 특징으로 하는 전기 자동차용 디씨 링크의 전압 제어 방법.
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