KR100890241B1 - 복수의 전원을 구비한 전원시스템 및 그것을 구비한 차량 - Google Patents

복수의 전원을 구비한 전원시스템 및 그것을 구비한 차량 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 구동용 모터와, 전력변환기와, 구동용 모터에 전력을 공급하는 서로 출력전압이 다른 복수의 전원을 구비하고, 전원의 각각에는 전력변환기를 거치지 않고 구동용 모터의 적어도 하나가 접속되어 있음과 동시에, 전력변환기를 거쳐 구동용 모터의 적어도 하나가 접속되어 있는 전원시스템이다.

Description

복수의 전원을 구비한 전원시스템 및 그것을 구비한 차량{POWER SUPPLY SYSTEM PROVIDED WITH A PLURALITY OF POWER SUPPLIES, AND VEHICLE PROVIDED WITH SUCH POWER SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 복수의 전원을 구비한 전원시스템 및 그것을 구비한 차량에 관한 것이다.
최근, 연료전지 등의 전원을 이용한 모터 구동의 전기자동차나 하이브리드 자동차가 개발되고 있다. 예를 들면 연료전지는, 수소 등의 연료가스와 산소 등의 산화제 가스를 전해질막에 공급함으로써 전기에너지를 얻는 전지이다. 연료전지는, 발전효율이 높고, 환경성이 우수한 전원으로서 주목받고 있다.
연료전지를 구비한 차량에서는, 연료전지로부터의 전력의 공급의 차단이나 연료전지의 응답성의 저하에 대비하여, 연료전지 외에 2차 전지 등의 배터리를 설치하는 경우가 있다. 예를 들면 연료전지와 병렬로 배터리를 모터에 접속한 전원시스템이 개시되어 있다. 이와 같이 연료전지와 배터리를 병렬로 설치하는 경우, 배터리와 모터와의 사이에 DC-DC 컨버터를 설치하여 연료전지와 배터리 사이의 전압의 매칭이나 회생 에너지의 회수 등을 행하고 있다.
상기 종래기술에서는 배터리로부터 모터에 전력을 공급할 때에는 반드시 DC-DC 컨버터를 거쳐 전력이 공급된다. 또 대부분의 경우, 모터로부터 배터리에 회생 에너지를 회수할 때에도 DC-DC 컨버터를 거쳐 전력이 회수된다. 이와 같은 구성에서는 DC-DC 컨버터에서 전력의 손실이 발생되어 차량 효율이 저하하는 문제가 있었다.
또, DC-DC 컨버터의 구성요소인 반도체소자에 이상이 일어난 경우, 연료전지나 배터리의 출력이 이상하게 높아져, 연료전지나 배터리가 이상상태가 될 가능성이 높다. 예를 들면 배터리가 DC-DC 컨버터를 거쳐서만 모터에 접속되어 있는 경우, DC-DC 컨버터와 연료전지가 동시에 이상에 의하여 정지되면 모터에 전력을 공급할 수 없게 되어 차량의 주행이 불가능하게 되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 종래기술의 과제의 적어도 하나를 해결할 수 있는 전원시스템 및 그것을 구비한 차량을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 복수의 구동용 모터와, 직류전압을 변환하는 전력변환기와, 상기 복수의 구동용 모터에 전력을 공급하는 서로 출력전압이 다른 복수의 전원을 구비하고, 상기 복수의 전원의 각각은, 상기 전력변환기를 거치지 않고 상기 복수의 구동용 모터의 적어도 하나에 접속됨과 동시에, 상기 전력변환기를 거쳐 상기 복수의 구동용 모터의 적어도 하나에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전원시스템이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에서의 전원시스템의 구성을 나타내는 도,
도 2는 본 발명의 실시형태에서의 전원시스템의 제어의 플로우차트를 나타내 는 도,
도 3은 일반적인 전원에서의 출력전력과 효율과의 상관관계를 나타내는 도,
도 4는 본 발명의 실시형태에서의 전원시스템의 이상시에서의 플로우차트를 나타내는 도,
도 5는 본 발명의 실시형태에서의 전원시스템의 이상시에서의 플로우차트를 나타내는 도,
도 6은 본 발명의 실시형태에서의 변형예의 구성을 나타내는 도,
도 7은 본 발명의 실시형태에서의 변형예의 구성을 나타내는 도면이다.
< 구성 >
본 발명의 실시형태에서의 전원시스템(100)은 도 1에 나타내는 바와 같이 제 1 전원(10), 제 2 전원(12), 전압 변환기(14), 제 1 인버터회로(16), 제 1 모터(18), 제 2 인버터회로(20), 제 2 모터(22) 및 제어회로(24)를 포함하여 구성된다. 전원시스템(100)은 제 1 전원(10) 및 제 2 전원(12)에 의하여 제 1 모터(18) 및 제 2 모터(22)의 적어도 하나를 구동원으로 하여 구동되는 차량에 적용할 수 있다. 또한 본 실시형태에서의 구성은, 또한 엔진을 구비한 하이브리드 자동차에 적용하는 것도 가능하다.
제 1 전원(10)은, 본 실시형태에서의 전원시스템(100)의 주전원이 되는 직류전원이다. 제 1 전원(10)은, 수소 등의 연료가스와 산소 등의 산화제 가스를 전해질막에 공급함으로써 전기에너지를 얻는 연료전지로 할 수 있다. 연료전지는, 고 체 고분자형, 인산형, 용융 탄산염형 등의 타입을 적용 가능하다. 단, 이것에 한정되는 것은 아니고, 제 1 전원(10)으로서는 모터를 안정되게 구동할 수 있는 용량을 가지는 여러가지 타입의 발전수단(예를 들면 엔진 구동 발전기 등)을 적용 가능하다.
제 1 전원(10)은, 제어회로(24)로부터의 제어신호에 따라 출력전력을 조정 가능하게 구성된다. 출력전력의 조정은 기존의 제어방법에 의하여 행할 수 있다. 예를 들면 제 1 전원(10)에 공급되는 연료가스 또는 산화제 가스의 공급량, 연료가스 또는 산화제 가스의 함유 수분 등을 조정하면 좋다. 또 제 1 전원(10)에는 전압센서, 전류센서 등이 설치된다. 제 1 전원(10)으로부터 출력되고 있는 전력은, 이들 센서에 의하여 측정되고, 측정신호로서 제어회로(24)에 출력된다.
제 2 전원(12)은, 본 실시형태에서의 전원시스템(100)의 보조전원이 되는 직류전원이다. 제 2 전원(12)은, 제 1 전원(10)과는 출력전압이 다른 전원이 되는 경우가 많다. 제 2 전원(12)은 모터로부터의 회생 에너지나 제 1 전원(10)으로부터의 과잉전력을 충방전 가능한 2차 전지로 하는 것이 가장 적합하다. 2차 전지로서 니켈 수소형, 리튬 이온형 등의 타입이 적용 가능하다. 단, 이것에 한정되는 것은 아니고, 제 2 전원(12)으로서는 여러가지 타입의 전원을 적용 가능하다.
또, 제 2 전원(12)은, 제어회로(24)로부터의 제어신호에 따라 출력전력을 조정 가능하게 구성된다. 출력전력의 조정은 기존의 제어방법에 의하여 행할 수 있다. 예를 들면 제 2 전원(12)에 직렬로 접속된 저항의 저항값을 조정하면 좋다. 제 2 전원(12)에는 전압센서, 전류센서 등이 설치된다. 제 2 전원(12)으로부터 출 력되고 있는 전력은, 이들 센서에 의하여 측정되고, 측정신호로서 제어회로(24)에 출력된다.
제 1 인버터회로(16) 및 제 2 인버터회로(20)는, 각각 직류전력을 3상 교류로 변환하는 회로를 포함하여 구성된다. 제 1 인버터회로(16) 및 제 2 인버터회로(20)는 제어회로(24)로부터의 제어신호에 의하여 직교류 변환의 기동 및 정지가 가능하게 되도록 구성되어 있다. 예를 들면 제 1 전원(10)의 출력전력에 따라 제 1 인버터회로(16)가 기동 또는 정지된다. 또 제 2 전원(12)의 출력전력에 따라 제 2 인버터회로(20)가 기동 또는 정지된다.
제 1 모터(18) 및 제 2 모터(22)는, 각각 3상 교류전력을 받아 구동되는 동기 모터이다. 제 1 모터(18) 및 제 2 모터(22)는, 제어회로(24)로부터의 제어신호에 의하여 기동/정지가 가능해지도록 구성되어 있다. 예를 들면 제 1 전원(10)의 출력전력에 따라 제 1 모터(18)가 기동 또는 정지된다. 또 제 2 전원(12)의 출력전력에 따라 제 2 모터(22)가 기동 또는 정지된다.
제 1 전원(10)은, 제 1 인버터회로(16)를 거쳐, 제 1 모터(18)에 접속된다. 제 1 전원(10)으로부터 공급되는 직류전력은, 제 1 인버터회로(16)에서 3상 교류에 변환되어 제 1 모터(18)에 공급된다. 마찬가지로 제 2 전원(12)은 제 2 인버터회로(20)를 거쳐 제 2 모터(22)에 접속된다. 제 2 전원(12)으로부터 공급되는 직류전력은 제 2 인버터회로(20)에서 3상 교류로 변환되어 제 2 모터(22)에 공급된다.
제 1 모터(18) 및 제 2 모터(22)의 출력은, 회전비를 변경하기 위한 트랜스미션, 클러치 등을 거쳐, 차량의 차축에 전달된다. 예를 들면 제 1 모터(18)를 전 륜의 구동에 이용하고, 제 2 모터(22)를 후륜의 구동에 이용함으로써, 4륜 구동의 차량을 구성할 수 있다.
전압 변환기(14)는 접속되는 전원의 종류 및 모터의 종류에 따라, DC-DC 컨버터 등의 직류의 전압 변환회로, 또는 DC-AC 컨버터 등의 직교류의 전압 변환기를 포함하여 구성된다. 본 실시형태와 같이 제 1 전원(10)이 연료전지이고, 제 2 전원(12)이 2차 전지이며, 제 1 모터(18) 및 제 2 모터(22)가 직류모터인 경우, 전압 변환기(14)는 DC-DC 컨버터라 한다. 전압 변환기(14)는, 제어회로(24)로부터의 제어신호에 의하여 전압변환의 기동·정지가 가능해지도록 구성되어 있다. 예를 들면 제 1 전원(10) 또는 제 2 전원(12)의 출력전력에 따라 전압 변환기(14)는 기동 또는 정지된다.
제 1 전원(10)과 제 2 전원(12)은 전압 변환기(14)를 거쳐 접속된다. 제 1 전원(10)과 제 2 전원(12)은, 서로 제 1 모터(18) 또는 제 2 모터(22)와 병렬로 접속된 상태가 되도록 전압 변환기(14)를 거쳐 접속된다. 전압 변환기(14)는, 제 1 전원(10)의 출력전압을 제 2 전원(12)의 출력전압에 매칭시켜 제 2 인버터회로(20)에 공급한다. 또 전압 변환기(14)는, 제 2 전원(12)의 출력전압을 제 1 전원(10)의 출력전압에 매칭시켜 제 1 인버터회로(16)에 공급한다. 이와 같이 전압 변환기(14)는 서로 다른 출력전압인 복수의 전원을 접속하기 위하여 이용된다.
제어회로(24)는, 전원시스템(100)을 통합적으로 제어한다. 제어회로(24)는 CPU, 기억부(반도체 메모리 ; RAM, ROM 등)를 구비한 마이크로컴퓨터에 의하여 구성할 수 있다. 제어회로(24)는, 제 1 전원(10) 및 제 2 전원(12)의 출력전력을 나 타내는 측정신호를 받아, 그들 신호에 따라 각 부의 제어를 행한다. 또 엑셀러레이터 페달(도시 생략)에 설치된 위치센서 등으로부터의 신호를 받아, 전원시스템(100)에 필요하게 되어 있는 필요전력을 산출한다. 그리고 산출된 필요전력에 따라 제 1 전원(10), 제 2 전원(12) 및 전압 변환기(14)를 제어하여 제 1 모터(18) 및 제 2 모터(22)에 공급되는 전력을 조정한다.
< 정상시의 제어 >
다음에 구동이 정상으로 행하여지고 있는 경우의 제어에 대하여, 도 2의 플로우차트를 참조하여 설명한다.
단계 S10에서는 제어회로(24)는 필요 전력을 취득한다. 제어회로(24)는, 위치센서 등에 의하여 엑셀러레이터 페달(도시 생략)의 밟음량을 측정한 신호를 받아, 전원시스템(100)에 필요하게 되는 필요 전력(Wx)을 산출한다. 필요 전력(Wx)의 산출은 기존의 기술을 적용하여 행할 수 있다.
단계 S12에서는 산출된 필요 전력(Wx)이 주전원이 되는 제 1 전원(10)의 고효율 출력범위 내에 들어가 있는지의 여부가 판단된다. 제어회로(24)는 기억부에 저장 및 유지된 제 1 전원(10)의 출력-효율 상관 테이블을 참조하여, 단계 S10에서 산출된 필요 전력(Wx)이 소정의 고효율 출력범위(WRNG)에 있는지의 여부를 조사한다. 제 1 전원(10)의 출력-효율 상관 테이블은 미리 측정하여 기억부에 저장 및 유지하여 두는 것이 가장 적합하다.
제 1 전원(10)의 출력전력과 효율은, 일반적으로 도 3의 그래프에 나타내는 바와 같은 상관관계를 나타낸다. 즉, 최대 효율점보다 낮은 출력 전력범위에서는 출력 전력이 높아짐에 따라 서서히 효율이 높아지고, 최대 효율점이 되는 출력전력을 넘으면 출력전력이 높아짐에 따라 서서히 효율이 저하한다. 이 때, 소정의 효율(ηTH)을 넘는 출력전력의 범위를 고효율 출력범위(WRNG)라 한다. 제 1 전원(10)이 연료전지인 경우, 고효율 출력범위(WRNG)는 최대 출력의 7%∼30%의 범위로 하는 것이 바람하다.
제어회로(24)는, 필요 전력(Wx)이 소정의 고효율 출력범위(WRNG) 내에 있으면 단계 S14로 처리를 이행시키고, 필요 전력(Wx)이 소정의 고효율 출력범위(WRNG)보다높으면 단계 S16으로 처리를 이행시키고, 필요 전력(Wx)이 소정의 고효율 출력범위 (WRNG)보다 낮으면 단계 S18로 처리를 이행시킨다.
단계 S14에서는 제 1 전원(10)으로부터 전력을 공급하여 제 1 모터(18)를 구동한다. 제어회로(24)는 필요 전력(Wx)이 제 1 전원(10)의 고효율 출력범위(WRNG) 내에 있기 때문에, 제 1 전원(10)에 제어신호를 출력하여 제 1 전원(10)으로부터 필요전력(Wx)의 직류전력을 제 1 인버터회로(16)에 공급시킨다. 제 1 전원(10)이 연료전지인 경우에는, 예를 들면 연료가스나 산화제 가스의 유량을 컨트롤함으로써 필요 전력(Wx)이 출력되도록 제어를 행할 수 있다. 제 1 인버터회로(16)는, 직류를 3상 교류로 변환하여 제 1 모터(18)에 공급한다. 이것에 의하여 제 1 모터(18)로부터 필요한 구동력이 출력된다.
이때, 전압 변환기(14)를 거치지 않고 전력을 공급할 수 있기 때문에, 전압 변환기(14)에서의 전력소비에 의한 효율의 저하를 피할 수 있다.
또한 4륜 구동을 행하는 경우 등은 필요에 따라 제 1 전원(10)으로부터 전압 변환기(14)를 거쳐 전력을 공급하여 제 2 모터(22)를 구동하여도 좋다. 제어회로(24)는 전압 변환기(14)의 전압변환을 제어하여, 제 1 전원(10)으로부터의 출력전력을 원하는 비율로 제 1 인버터회로(16) 및 제 2 인버터회로(20)에 분배한다. 이 경우, 전압 변환기(14)를 거쳐 제 2 모터(22)에 전력이 공급되기 때문에, 제 1 모터(18)만을 이용한 경우에 비하여 전체적인 효율은 저하한다.
또, 제 1 전원(10)으로부터 과잉으로 공급된 전력을 전압 변환기(14)를 거쳐 제 2 전원(12)에 충전하여도 좋다. 또 제 1 모터(18)로부터의 회생 에너지를, 전압 변환기(14)를 거쳐 제 2 전원(12)에 충전하여도 좋다.
단계 S16에서는 제 1 전원(10) 및 제 2 전원(12)의 양쪽을 이용하여 구동이 행하여진다. 즉, 복수의 전원의 각각에서의 최대 출력 전력을 넘지 않도록, 복수의 전원으로부터 전압 변환기를 거치지 않고 복수의 구동용 모터에 전력을 공급한다. 제어회로(24)는 필요전력(Wx)이 제 1 전원(10)의 고효율 출력범위(WRNG)보다 높기 때문에 필요전력(Wx)을 제 1 전원(10) 및 제 2 전원(12)에 할당하여 출력시킨다.
예를 들면 제어회로(24)는 제 2 전원(12)에 대하여 제어신호를 송신하여, 제 2 전원(12) 및 제 2 모터(22)의 조합으로 출력 가능한 최대 출력값(W2MAX)을 제 2 전 원(12)으로부터 제 2 인버터회로(20)에 출력시킨다. 제 2 전원(12) 및 제 2 모터(22)의 조합으로 출력 가능한 최대 출력값(W2MAX)은, 미리 측정하여 제어회로(24)의 기억부에 저장 및 유지하여 두는 것이 가장 적합하다. 제 2 전원(12)이 2차 전지인 경우, 최대 출력값(W2MAX)은, 충전상황에 따라 변화되기 때문에, 충전상황에 따라 최대 출력값(W2MAX)을 결정하는 것도 적합하다. 예를 들면 출력전압에 대한 최대 출력값(W2MAX)의 관계를 미리 측정하여 유지하여 두는 것이 적합하다. 제어회로(24)는 제 2 전원(12)의 출력전압에 따라 최대 출력값(W2MAX)을 결정할 수 있다. 제 2 인버터회로(20)는 직류를 3상 교류로 변환하여 제 2 모터(22)에 공급한다. 한편, 제어회로(24)는 제 1 전원(10)에 대하여 제어신호를 송신하여 필요 전력(Wx)에서 최대 출력값(W2MAX)을 뺀 전력(WDI)을 제 1 전원(10)에 출력시킨다. 제 1 인버터회로(16)는 직류를 3상 교류로 변환하여 제 1 모터(18)에 공급한다. 이것에 의하여 제 1 모터(18) 및 제 2 모터(22)로부터 필요전력(Wx)에 따른 구동력이 출력된다.
또, 다음과 같이 제어를 행하는 것도 적합하다. 제어회로(24)는, 제 1 전원(10)에 대하여 제어신호를 송신하여, 제 1 전원(10)이 최대 효율이 되는 최대 효율 전력(WH)을 제 1 전원(10)으로부터 출력시킨다. 제 1 인버터회로(16)는, 직류를 3상 교류로 변환하여 제 1 모터(18)에 공급한다. 한편, 제어회로(24)는 제 2 전원(12)에 대하여 제어신호를 송신하여, 필요 전력(WX)에서 최대 효율 전력(WH)을 뺀 전력(WD2)을 제 2 전원(12)에 출력시킨다. 제 2 인버터회로(20)는, 직류를 3상 교류로 변환하여 제 2 모터(22)에 공급한다. 이것에 의하여 제 1 모터(18) 및 제 2 모터(22)로부터 필요 전력(Wx)에 따른 구동력이 출력된다. 이 때, 전력(WD2)이 제 2 전원(12) 및 제 2 모터(22)의 조합으로 출력 가능한 최대 출력값(W2MAX)을 넘어 있으면 초과분을 제 1 전원(10) 및 제 1 모터(18)의 조합에 부담시켜도 좋다.
이 때, 전압 변환기(14)를 거치지 않고 전력을 공급할 수 있기 때문에 전압 변환기(14)에서의 전력소비에 의한 효율의 저하를 피할 수 있다.
또한 제 1 전원(10)인 연료전지의 단체효율, 제 2 전원(12)인 2차 전지의 충방전 효율, 전압 변환기(14)의 변환 효율의 각각에 따라 시스템 전체로서 최고 효율이 되도록 제어를 행하는 것이 적합하다. 즉, 전압 변환기(14)를 거쳐 전력을 공급함에 의한 효율의 저하보다 제 1 전원(10)이나 제 2 전원(12)의 이용효율이 높아지는 경우에는 전압 변환기(14)를 거쳐 전력을 공급하도록 하는 것이 바람직하다.
단계 S18에서는, 필요 전력(Wx)이 제 2 전원(12) 및 제 2 모터(22)의 조합으로 출력 가능한 최대 출력값(W2MAX) 이하인지의 여부가 판단된다. 제어회로(24)는 단계 S10에서 산출된 필요 전력(Wx)이 최대 출력값(W2MAX) 이하인지의 여부를 조사한다. 필요 전력(Wx)이 최대 출력값(W2MAX) 이하이면 단계 S20으로 처리를 이행시키고, 필요 전력(Wx)이 최대 출력값(W2MAX)보다 높으면 단계 S22로 처리를 이행시킨다.
단계 S20에서는, 제 2 전원(12)으로부터 전력을 공급하여 제 2 모터(22)를 구동한다. 제어회로(24)는, 필요 전력(Wx)이 최대 출력값(W2MAX) 이하이기 때문에, 제 2 전원(12)에 제어신호를 출력하여 제 2 전원(12)으로부터 필요 전력(Wx)의 직류전력을 제 2 인버터회로(20)에 공급시킨다. 제 2 인버터회로(20)는 직류를 3상 교류로 변환하여 제 2 모터(22)에 공급한다. 이것에 의하여 제 2 모터(22)로부터 필요한 구동력이 출력된다.
이때, 전압 변환기(14)를 거치지 않고 전력을 공급할 수 있기 때문에, 전압 변환기(14)에서의 전력소비에 의한 효율의 저하를 피할 수 있다.
또한 이 경우도, 제 1 전원(10)인 연료전지의 단체 효율, 제 2 전원(12)인 2차 전지의 충방전 효율, 전압 변환기(14)의 변환 효율의 각각에 따라 시스템 전체로서 최고 효율이 되도록 제어를 행하는 것이 적합하다.
또, 4륜 구동을 행하는 경우 등은 필요에 따라 제 2 전원(12)으로부터 전압 변환기(14)를 거쳐 전력을 공급하여 제 1 모터(18)를 구동하여도 좋다. 제어회로(24)는, 전압 변환기(14)의 전압변환을 제어하여 제 2 전원(12)으로부터의 출력전력을 원하는 비율로 제 1 인버터회로(16) 및 제 2 인버터회로(20)에 분배한다. 이 경우, 전압 변환기(14)를 거쳐 제 1 모터(18)에 전력이 공급되기 때문에, 제 2 모터(22)만을 이용한 경우에 비하여 전체적인 효율은 저하하는 경우가 있다.
단계 S22에서는, 제 1 전원(10)으로부터 전력을 공급하여 제 1 모터(18)를 구동한다. 제어회로(24)는, 필요 전력(Wx)이 최대 출력값(W2MAX)을 넘어 있기 때문 에, 제 1 전원(10)에 제어신호를 출력하여 제 1 전원(10)으로부터 필요 전력(Wx)의 직류전력을 제 1 인버터회로(16)에 공급시킨다. 제 1 인버터회로(16)는 직류를 3상 교류로 변환하여 제 1 모터(18)에 공급한다. 이것에 의하여 제 1 모터(18)로부터 필요한 구동력이 출력된다.
이 때, 전압 변환기(14)를 거치지 않고 전력을 공급할 수 있기 때문에, 전압 변환기(14)에서의 전력소비에 의한 효율의 저하를 피할 수 있다.
또한 이 경우도, 제 1 전원(10)인 연료전지의 단체 효율, 제 2 전원(12)인 2차 전지의 충방전 효율, 전압 변환기(14)의 변환 효율의 각각에 따라 시스템 전체로서 최고 효율이 되도록 제어를 행하는 것이 적합하다.
또, 단계 S14와 마찬가지로 4륜 구동을 행하는 경우 등은 필요에 따라 제 1 전원(10)으로부터 전압 변환기(14)를 거쳐 전력을 공급하여 제 2 모터(22)를 구동하여도 좋다.
이상과 같이 본 실시형태에 의하면 필요 전력(Wx)에 따라 어느 상황하에서도 전압 변환기를 거치지 않고 모터를 구동할 수 있다. 즉, 복수의 전원의 각각에 대하여 전압 변환기를 거쳐 접속되는 구동용 모터와 전압 변환기를 거치지 않고 접속되는 구동용 모터를 설치함으로써 각 전원으로부터 적어도 하나의 구동용 모터에 전압 변환기를 거치지 않고 전력을 공급하는 것이 가능하게 된다. 따라서 각 전원의 고효율 출력범위나 전압 변환기에서의 손실을 고려한 부하 배분을 할 수 있다. 전압 변환기를 거친 전력공급에는 손실이 따르기 때문에, 복수의 전원의 각각에서의 최대 출력 전력을 넘지 않는 한, 복수의 전원으로부터 전압 변환기를 거치지 않 고 전력을 공급함으로써 시스템의 효율을 높일 수 있다.
< 이상시에 있어서의 처리 >
다음에 시스템에 이상이 발생한 경우의 제어에 대하여 도 4의 플로우차트를 참조하여 설명한다. 제어회로(24)는, 제 1 전원(10)으로부터 전력의 측정신호를 받아, 제 1 전원(10)의 출력 전력이 소정의 이상 문턱값(WAB1) 이상인 경우에 이하의 제어를 개시한다. 이와 같은 이상은, 예를 들면 전압 변환기(14)에 포함되는 반도체소자에 이상이 발생한 경우에 일어날 수 있다.
단계 S30에서는, 제 1 전원(10)의 출력이 정지된다. 제어부(24)는 제 1 전원(10)의 출력 전력이 소정의 이상 문턱값(WAB1) 이상인 경우에는 제 1 전원(10)에 이상이 발생한 것으로 판단하고, 제 1 전원(10)에 제어신호를 송신하여 제 1 전원(10)에의 연료가스 및 산화제 가스의 적어도 하나의 공급을 정지시킨다.
단계 S32에서는, 전압 변환기(14)가 정지된다. 제어부(24)는, 전압 변환기(14)에 정지신호를 송신하여 전압 변환기(14)의 전압 변환을 정지시킨다. 이것에 의하여 전압 변환기(14)를 거치지 않고 제 1 전원(10)에 접속되어 있는 제 1 모터(18)가 정지한다. 단계 S34에서는, 제 1 인버터회로(16)가 정지된다. 제어부(24)는, 제 1 인버터회로(16)에 정지신호를 송신하고 그 기능을 정지시킨다.
단계 S36에서는 제 2 전원(12)으로부터 전력을 공급하여 제 2 모터(22)를 구동한다. 제어회로(24)는, 필요 전력(Wx)이 최대 출력값(W2MAX) 이하인지의 여부를 조사한다. 필요 전력(Wx)이 최대 출력값(W2MAX) 이하인 경우, 제 2 전원(12)에 제어 신호를 출력하여 제 2 전원(12)으로부터 필요 전력(Wx)의 직류전력을 제 2 인버터회로(20)에 공급시킨다. 필요 전력(Wx)이 최대 출력값(W2MAX)보다 큰 경우, 제 2 전원(12)에 제어신호를 출력하여 제 2 전원(12)으로부터 최대 출력값(W2MAX)의 직류 전력을 제 2 인버터회로(20)에 공급시킨다. 제 2 인버터회로(20)는, 직류를 3상 교류로 변환하여 제 2 모터(22)에 공급한다. 이것에 의하여 제 2 전원(12)의 용량이 허용하는 한, 제 2 모터(22)로부터 적어도 필요 최저한의 구동력을 출력할 수 있다.
이 때, 전압 변환기(14)를 거치지 않고 전력이 공급된다. 따라서 전압 변환기(14)에서의 전력 소비에 의한 효율의 저하를 피하여, 이상시에 있어서의 긴급 처치를 효율적으로 행할 수 있다.
다음에 제 2 전원(12)에 이상이 발생한 경우의 제어에 대하여, 도 5의 플로우차트를 참조하여 설명한다. 제어회로(24)는, 제 2 전원(12)으로부터 받은 출력전력의 측정신호가 소정의 이상 문턱값(WAB2) 이상인 경우에 이하의 제어를 개시한다. 이와 같은 이상은 예를 들면 전압 변환기(14)에 포함되는 반도체소자에 이상이 발생한 경우에 일어날 수 있다.
단계 S40에서는, 제 2 전원(12)의 출력이 정지된다. 제어부(24)는, 제 2 전원(12)의 출력 전력이 소정의 이상 문턱값(WAB2) 이상인 경우에는, 제 2 전원(12)에 이상이 발생한 것으로 판단하고, 제 2 전원(12)에 제어신호를 송신하여 제 2 전원(12)의 출력을 정지시킨다.
단계 S42에서는, 전압 변환기(14)가 정지된다. 제어부(24)는, 전압 변환기(14)에 정지신호를 송신하여 전압 변환기(14)의 전압 변환을 정지시킨다. 이에 의하여 전압 변환기(14)를 거치지 않고 제 2 전원(12)에 접속되어 있는 제 2 모터(22)가 정지한다. 단계 S44에서는, 제 2 인버터회로(20)가 정지된다. 제어부(24)는, 제 2 인버터회로(20)에 정지신호를 송신하여 그 기능을 정지시킨다.
단계 S46에서는, 제 1 전원(10)으로부터 전력을 공급하여 제 1 모터(18)를 구동한다. 제어회로(24)는 필요 전력(Wx)이 제 1 전원(10)의 최대 출력값(W1MAX) 이하인지의 여부를 조사한다. 필요 전력(Wx)이 최대 출력값(W1MAX) 이하인 경우, 제 1 전원(10)에 제어신호를 출력하여 제 1 전원(10)으로부터 필요 전력(Wx)의 직류전력을 제 1 인버터회로(16)에 공급시킨다. 필요 전력(Wx)이 최대 출력값(W1MAX)보다 큰 경우, 제 1 전원(10)에 제어신호를 출력하여 제 1 전원(10)으로부터 최대 출력값(W1MAX)의 직류 전력을 제 1 인버터회로(16)에 공급시킨다. 제 1 인버터회로(16)는 직류를 3상 교류로 변환하여 제 1 모터(18)에 공급한다.
이것에 의하여 제 1 모터(18)로부터 적어도 필요 최저한의 구동력을 출력할 수 있다.
이 때, 전압 변환기(14)를 거치지 않고 전력이 공급된다. 따라서 전압 변환기(14)에서의 전력 소비에 의한 효율의 저하를 피하여, 이상시에 있어서의 긴급 처치를 효율적으로 행할 수 있다. 즉, 하나의 전원에 이상이 생긴 경우, 복수의 전원 중 정상으로 기능하고 있는 전원으로부터 복수의 구동용 모터의 적어도 하나에 전력을 공급한다. 이 때, 정상적인 전원에 대하여 전압 변환기를 거치지 않고 접속되어 있는 구동용 모터에 전력을 우선적으로 공급한다. 이것에 의하여 복수의 전원을 정지하지 않고서는 되지 않게 되었다 하여도 다른 전원으로 전력을 공급함으로써 적어도 하나의 구동용 모터를 계속하여 구동시킬 수 있다. 이 경우에서도 정상적인 전원에 전압 변환기를 거치지 않고 접속된 구동용 모터를 구동시킴으로써 전압 변환기에서의 손실을 피할 수 있다.
< 변형예 >
또한, 본 발명은 2개 이상의 전원을 가지는 전원시스템 및 차량에 적용할 수도 있다. 예를 들면 도 6에 나타내는 바와 같이 3개의 전원(10, 12, 26)을 2개의 전압 변환기(14, 28)를 이용하여 서로 접속하는 전원시스템(102)에 적용할 수 있다.
제 3 전원(26)은, 전원시스템(102)의 보조전원이 되는 직류전원이다. 제 3 전원(26)은, 제 1 전원(10)과는 출력전압이 다른 전원이 되는 경우가 많다. 제 3 전원(26)은, 모터로부터의 회생 에너지나 제 1 전원(10)으로부터의 과잉 전력을 충방전 가능한 2차 전지로 하는 것이 적합하다. 제 3 전원(26)은, 제어회로(24)로부터의 제어신호에 따라 출력 전력을 조정 가능하게 구성된다. 제 3 전원(26)에는 전압센서, 전류센서 등이 설치된다. 제 3 전원(26)으로부터 출력되고 있는 전력은, 이들 센서에 의하여 측정되어, 측정신호로서 제어회로(24)에 출력된다.
제 3 인버터회로(30)는, 직류전력을 3상 교류로 변환하는 회로를 포함하여 구성된다. 제 3 인버터회로(30)는, 제어회로(24)로부터의 제어신호에 의하여 직교 류 변환의 기동 및 정지가 가능해지도록 구성되어 있다. 제 3 모터(32)는, 3상 교류 전력을 받아 구동되는 동기모터이다. 제 3 모터(32)는, 제어회로(24)로부터의 제어신호에 의하여 기동/정지가 가능해지도록 구성되어 있다.
제 3 전원(26)은, 제 3 인버터회로(30)를 거쳐 제 3 모터(32)에 접속된다. 제 3 모터(32)의 출력은, 회전비를 변경하기 위한 트랜스미션, 클러치 등을 거쳐 차량의 차축에 전달된다. 예를 들면 제 1 모터(18), 제 2 모터(22) 및 제 3 모터(32)를 이용하여 6륜 구동의 차량을 구성할 수 있다.
전압 변환기(28)는, 직류의 전압 변환회로를 포함하여 구성된다. 전압 변환기(28)는, 제어회로(24)로부터의 제어신호에 의하여 전압변환의 기동/정지가 가능해지도록 구성되어 있다. 제 1 전원(10)과 제 3 전원(26)은 전압 변환기(28)를 거쳐 접속된다. 전압 변환기(14)는, 제 1 전원(10)의 출력전압을 제 3 전원(26)의 출력전압에 매칭시켜 제 3 인버터회로(30)에 공급한다. 또 전압 변환기(28)는 제 3 전원(26)의 출력전압을 제 1 전원(10)의 출력전압에 매칭시켜 제 1 인버터회로(16)에 공급한다.
이와 같은 구성에 있어서, 제 1 전원(10)을 주전원으로 하여 필요 전력(Wx)이 제 1 전원(10)의 고효율 출력범위(WRNG) 내에 있으면 제 1 전원(10)을 이용하여 제 1 모터(18)를 구동시킨다. 필요 전력(Wx)이 제 1 전원(10)의 고효율 출력범위(WRNG) 내에 없으면 제 2 전원(12) 및 제 3 전원(26)의 최대 출력전력을 넘지 않을 정도에서 필요 전력(Wx)의 일부를 제 2 전원(12) 및 제 3 전원(26)에 부하 분배 한다.
또, 어느 것인가의 전원에 이상이 발생한 경우에는, 나머지 정상적인 전원을 이용하여 모터를 구동한다. 이 때, 정상적인 전원에 전압 변환기를 거치지 않고 접속된 모터를 구동함으로써 전압 변환기에 의한 손실을 억제할 수 있다.
또, 2개의 전원에 의하여 3개 이상의 모터를 구동하는 구성으로 하여도 좋다. 예를 들면 도 7에 나타내는 바와 같이 2개의 전원(10, 12)에 4개의 인버터회로(16, 20, 30, 34)를 거쳐 4개의 모터(18, 22, 32, 36)가 접속되는 전원시스템(104)으로 할 수 있다. 도 7에서는 제 1 전원(10)에 대하여 제 1 모터(18) 및 제 3 모터(32)가 전압 변환기(14)를 거치지 않고 접속되고, 제 2 모터(22) 및 제 4 모터(36)가 전압 변환기(14)를 거쳐 접속되어 있다.
한편, 제 2 전원(12)에 대하여 제 2 모터(22) 및 제 4 모터(36)가 전압 변환기(14)를 거치지 않고 접속되고, 제 1 모터(18) 및 제 3 모터(32)가 전압 변환기(14)를 거쳐 접속되어 있다.
이와 같은 구성에서는, 제 1 모터(18)와 제 3 모터(32)를 상기 실시형태에 서의 제 1 모터(18)와 마찬가지로 처리하고, 제 2 모터(22)와 제 4 모터(36)를 상기 실시형태에서의 제 2 모터(22)와 마찬가지로 처리할 수 있다. 본 발명에서의 전원시스템을 차량에 적용함으로써, 효율이 좋은 전기자동차 또는 하이브리드 자동차를 실현할 수 있다. 또 주행의 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있다.

Claims (22)

  1. 복수의 구동용 모터와,
    직류전압을 변환하는 양방향 전력변환기와,
    상기 복수의 구동용 모터에 전력을 공급하는 서로 출력전압이 다른 복수의 전원을 구비하고,
    상기 복수의 전원의 각각은, 상기 양방향 전력변환기를 거치지 않고 상기 복수의 구동용 모터의 적어도 하나에 접속됨과 동시에, 상기 양방향 전력변환기를 거쳐 상기 복수의 구동용 모터의 적어도 하나에 접속되고,
    상기 복수의 전원 중 적어도 하나의 출력에 이상이 생긴 경우, 상기 이상이 생긴 전원의 출력을 정지시킴과 동시에, 상기 양방향 전력변환기에 의한 전력의 변환을 정지시킴으로써, 상기 이상이 생긴 전원 이외의 전원으로부터 상기 양방향 전력변환기를 거치지 않고 상기 복수의 구동용 모터 중 적어도 하나에 전력을 공급시키는 것을 특징으로 하는 전원시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 전원 중 적어도 하나는 발전수단이고,
    상기 발전수단의 출력 전력이 소정의 고효율 출력범위가 되도록 상기 복수의 전원의 각각에 대한 부하 배분을 행하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전원시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 전원 중 적어도 하나는 연료전지이고,
    상기 연료전지의 출력 전력이 소정의 고효율 출력범위가 되도록 상기 복수의 전원의 각각에 대한 부하 배분을 행하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전 원시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 복수의 구동용 모터에 대한 필요 전력이 상기 고효율 출력범위 이상인 경우, 상기 복수의 전원 중 상기 연료전지 이외의 전원으로부터 상기 복수의 구동용 모터 중 적어도 하나에 전력을 공급시키는 것을 특징으로 하는 전원시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 복수의 전원 중 상기 연료전지 이외의 전원으로부터 상기 양방향 전력변환기를 거치지 않고 상기 복수의 구동용 모터 중 적어도 하나에 전력을 공급시키는 것을 특징으로 하는 전원시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 필요 전력이 상기 복수의 전원 중 상기 연료전지 이외의 전원의 최대 출력 전력을 넘고 있지 않은 경우에는, 상기 복수의 전원 중 상기 연료전지 이외의 전원으로부터만 상기 복수의 구동용 모터 중 적어도 하나에 전력을 공급시키는 것을 특징으로 하는 전원시스템.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 필요 전력이 상기 복수의 전원 중 상기 연료전지 이외의 전원의 최대 출력 전력을 넘어 있는 경우에는, 그 초과분을 상기 연료전지로부터 상기 복수의 구동용 모터 중 적어도 하나에 전력을 공급시키는 것을 특징으로 하는 전원시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료전지로부터 상기 양방향 전력변환기를 거치지 않고 상기 복수의 구동용 모터 중 적어도 하나에 전력을 공급시키는 것을 특징으로 하는 전원시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 전원 중 적어도 하나는 충방전 가능한 2차 전지이고,
    상기 2차 전지의 충전상태에 따라 상기 2차 전지의 최대 출력 전력을 넘지 않도록 상기 복수의 전원의 각각으로부터의 출력 전력에 대한 부하 분배를 행하는 것을 특징으로 하는 전원시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 복수의 구동용 모터와,
    직류전압을 변환하는 양방향 전력변환기와,
    상기 복수의 구동용 모터에 전력을 공급하는 서로 출력전압이 다른 복수의 전원을 구비하는 차량에 있어서,
    상기 복수의 전원의 각각은, 상기 양방향 전력변환기를 거치지 않고 상기 복수의 구동용 모터의 적어도 하나에 접속됨과 동시에, 상기 양방향 전력변환기를 거쳐 상기 복수의 구동용 모터의 적어도 하나에 접속되고,
    상기 복수의 전원 중 적어도 하나의 출력에 이상이 생긴 경우, 상기 이상이 생긴 전원의 출력을 정지시킴과 동시에, 상기 양방향 전력변환기에 의한 전력의 변환을 정지시킴으로써, 상기 이상이 생긴 전원 이외의 전원으로부터 상기 양방향 전력변환기를 거치지 않고 상기 복수의 구동용 모터 중 적어도 하나에 전력을 공급시키는 것을 특징으로 하는 차량을 구비하는 것을 특징으로 하는 차량.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 구동용 모터 중 적어도 하나를 전륜 구동용으로 하고, 상기 복수의 구동모터 중 적어도 하나를 후륜 구동용으로 하는 것을 특징으로 하는 차량.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 전원 중 적어도 하나는 연료전지이고,
    상기 연료전지의 출력 전력이 소정의 고효율 출력범위가 되도록 상기 복수의 전원의 각각에 대한 부하 배분을 행하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 복수의 구동용 모터에 대한 필요 전력이 상기 고효율 출력범위 이상인 경우, 상기 복수의 전원 중 상기 연료전지 이외의 전원으로부터 상기 복수의 구동용 모터 중 적어도 하나에 전력을 공급시키는 것을 특징으로 하는 차량.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 복수의 전원 중 상기 연료전지 이외의 전원으로부터 상기 양방향 전력변환기를 거치지 않고 상기 복수의 구동용 모터 중 적어도 하나에 전력을 공급시키는 것을 특징으로 하는 차량.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 필요 전력이 상기 복수의 전원 중 상기 연료전지 이외 의 전원의 최대 출력전력을 넘고 있지 않은 경우에는, 상기 복수의 전원 중 상기 연료전지 이외의 전원으로부터만 상기 복수의 구동용 모터 중 적어도 하나에 전력을 공급시키는 것을 특징으로 하는 차량.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 필요 전력이 상기 복수의 전원 중 상기 연료전지 이외의 전원의 최대 출력전력을 넘어 있는 경우에는, 그 초과분을 상기 연료전지로부터 상기 복수의 구동용 모터 중 적어도 하나에 전력을 공급시키는 것을 특징으로 하는 차량.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료전지로부터 상기 양방향 전력변환기를 거치지 않고 상기 복수의 구동용 모터 중 적어도 하나에 전력을 공급시키는 것을 특징으로 하는 차량.
  20. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 전원 중 적어도 하나는 충방전 가능한 2차 전지이고,
    상기 2차 전지의 충전상태에 따라 상기 2차 전지의 최대 출력전력을 넘지 않도록 상기 복수의 전원의 각각으로부터의 출력전력에 대한 부하 분배를 행하는 것을 특징으로 하는 차량.
  21. 삭제
  22. 삭제
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