KR101189237B1 - 하이브리드 자동차의 충전장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

두 개의 모터가 적용되는 하이브리드 자동차의 충전방법을 개시한다. 본 발명은 전원 플러그(충전 스탠드)의 접속이 검출되면 모터 중성점에 상용전원을 공급하고, 상용전원의 위상에 따라 제1모터 및 제2모터의 중성점을 통해 순환하는 전원루프를 형성하며, 전압변환기내 DC 링크 커패시터 전압, 평활 커패시터 전압, 배터리 전압, 각 위치별 전류을 검출하여 충전모드를 결정하여, 충전모드에 따라 전류 지령값 혹은 전압 지령값을 결정하여 전압변환기를 듀티 제어하여 배터리 충전을 실행한다.

Description

하이브리드 자동차의 충전장치 및 방법{SYSTEM AND METHOD OF RECHARGE FOR HYBRID VEHICLE}
본 발명은 두 개의 모터가 적용되는 하이브리드 자동차에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두 개 모터의 중성점을 이용하여 배터리의 충전을 실행하는 하이브리드 자동차의 충전장치 및 방법에 관한 것이다.
자동차에 대한 강화된 배기가스의 규제를 만족시키고, 연비 향상을 제공하기 위하여 하이브리드 자동차가 개발되어 운행되고 있다.
하이브리드 자동차는 감속시에 모터를 역회전시키는 회생제동을 통해 전기를 생성하여 배터리를 충전하며, 정차시에는 엔진을 시동 오프하고 출발시 모터로 엔진을 재시동시키는 아이들 스톱 앤 고(Idle Stop and Go) 제어를 통해 연비 향상 및 배기가스의 안정화를 제공한다.
또한, 하이브리드 자동차는 외부의 상용전원을 이용하여 배터리를 충전하는 플러그 인(Plug in) 충전방식이 적용된다.
플러그 인 충전을 제공하기 위하여 상용전원을 정류하여 완속 충전을 제공하는 충전기가 온 보드(On Board) 형태로 탑재된다.
하이브리드 차량에 탑재되는 충전기는 고가 및 고중량의 제품으로 하이브리드 자동차의 재료비 상승이 초래되고, 무게의 증가에 따라 연비저하가 초래되며, 부품이 차지하는 부피의 증가로 인하여 패키지 상품성의 저하가 초래된다.
특히, 충전기의 가격이 출력 기준으로 대략 10배 용량의 구동 인버터 가격과 비슷하여 하이브리드 자동차 제작에 따른 재료비를 과다하게 상승시키므로 가격 경쟁력을 크게 약화시키는 문제점이 초래된다.
또한, 짧은 시간 내에 배터리의 충전을 실행하기 위해서는 별도의 급속 충전장치를 구비하여야 하며, 급속 충전포트에 접속하여 충전을 실행한다.
급속 충전장치는 배터리의 과충전 방지 등 배터리 보호를 위해 배터리 제어기와 실시간 고속통신의 수행이 필요하며, 이를 위해서 별도의 통신 채널이 필요하게 된다.
그러나, 하이브리드 자동차 내부의 제어기와 외부 시스템의 통신 채널이 접속되는 경우 제어기의 신뢰성 확보가 그 만큼 어려워지는 단점이 발생된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 하이브리드 자동차에 고가의 충전기를 별도로 구비하지 않은 상태에서 모터와 인버터를 이용하여 외부전원으로부터 배터리의 충전을 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면 하이브리드 자동차에 있어서, 직류전압을 출력하거나 저장하는 배터리로 대표되는 직류전원; 전동기 또는 발전기로 동작하는 제1모터; 발전기 또는 전동기로 동작하는 제2모터; 제1모터를 구동시키는 제1인버터; 제2모터를 구동시키는 제2인버터; 상기 배터리로부터의 직류전압을 상기 제1인버터 및 제2인버터로 승압 또는 감압하여 공급하고, 상기 제1인버터 및 제2인버터로부터의 직류전압을 상기 배터리측으로 감압 또는 승압하여 공급하는 전압변환기; 다이오드의 애노드 단자가 제1,제2인버터의 DC 음극단자에 접속되고, 캐소드 단자는 상용전원에 연결되며 제1,제2모터의 중성점과 병렬로 접속되는 제1다이오드 및 제2다이오드를 포함하며,
제1,제2모터의 중성점에 상용전원이 공급되는 교류전압, 전압변환기와 제1,제2인버터를 연결하는 DC 링크 커패시터의 전압, 전압변환기와 배터리 연결부 평활 커패시터의 전압, 배터리 전류 또는 전압변환기의 배터리쪽 전류를 측정하고, 배터리 충전모드에 따라 전압변환기의 IGBT PWM 듀티를 제어하여 DC 링크 커패시터 전압을 배터리로 감압 또는 승압하여 배터리 충전전류 또는 충전 전압을 제어하는 충전제어기를 포함하는 하이브리드 자동차의 충전장치를 제공한다.
상기 충전제어기는 제1인버터 및 제2인버터의 IGBT로 대표되는 스위치를 항시 오프상태로 유지하여 인버터 스위치를 별도로 제어하지 않고, 제1인버터 및 제2인버터 IGBT의 프리 휠링 다이오드와 제1,제2모터의 중성점과 병렬로 접속되는 제1다이오드 및 제2다이오드를 통해서 AC전원이 정상 교체되어 DC 링크 커패시터에 (+)의 전압이 축적되도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 충전장치를 제공한다.
본 발명에 다른 측면에 따르면, 외부 교류 전원을 측정하여 교류전원의 위상이 양의 값이면 제1인버터의 상측 IGBT들을 온 시키고, 제1인버터의 하측 IGBT들 및 제2인버터 모든 IGBT를 오프시켜, 교류 전원에서 나온 전류가 제1인버터의 상측 IGBT와 전압변환기내의 DC 링크, 제1,2인버터의 음극단자에 연결되는 다이오드를 통해 교류 전원으로 연결되는 루프를 형성하고,
교류전원의 위상이 음의 값이면 제2인버터의 상측 IGBT들을 온시키고, 제2인버터의 하측 IGBT들 및 제1인버터 모든 IGBT를 오프시켜, 교류 전원에서 나온 전류가 제2인버터의 상측 IGBT와 전압변환기내의 DC 링크, 제1,2인버터의 음극단자에 연결되는 다이오드를 통해 교류 전원으로 연결되는 루프를 형성하여, DC링크 커패시터에 (+)의 전압이 축적되도록 하는 인버터 스위치를 제어하는 하이브리드 자동차의 충전방법을 제공한다.
본 발명에 다른 측면에 따르면 하이브리드 자동차에 있어서, 직류전압을 출력하거나 저장하는 배터리로 대표되는 직류전원; 전동기 또는 발전기로 동작하는 제1모터; 발전기 또는 전동기로 동작하는 제2모터; 제1모터를 구동시키는 제1인버터; 제2모터를 구동시키는 제2인버터; 상기 배터리로부터의 직류전압을 상기 제1인버터 및 제2인버터로 승압 또는 감압하여 공급하고, 상기 제1인버터 및 제2인버터로부터의 직류전압을 상기 배터리측으로 감압 또는 승압하여 공급하는 전압변환기; 다이오드의 애노드 단자가 제1,제2인버터의 DC 음극단자에 접속되고, 캐소드 단자는 상용전원에 연결되며 제1,제2모터의 중성점과 병렬로 접속되는 제1다이오드 및 제2 다이오드; 외부 AC전원 공급장치와의 커넥터 접속신호를 발생하는 접속 검출기를 포함하며,
상기 접속 검출신호를 이용하여 AC전원이 제1모터 또는 제2모터에 전기적으로 연결되기 전에 충전제어기를 포함한 제어기들을 활성화하고, 전압변환기의 IGBT PWM 듀티를 제어하여, DC링크 커패시터 전압을 배터리로 감압 또는 승압하여 배터리 충전 전류 또는 충전 전압을 제어하는 충전제어기를 포함하는 하이브리드 자동차의 충전장치를 제공한다.
상기 커넥터 접속신호를 이용하여 AC전원이 제1모터 또는 제2모터에 전기적으로 연결되기 전에 충전제어기를 포함한 제어기들을 활성화하는 하이브리드 자동차의 충전장치를 제공한다.
상기 커넥터 접속검출기는 AC전원과 제1 및 제2모터의 전기적 연결 보다 커넥터 접속을 사전에 검출할 수 있도록 AC전원 핀 길이 또는 형태와 커넥터 접속 검출 핀 길이 또는 형태를 이원한 구조를 갖는 검출기를 적용한 하이브리드 자동차의 충전장치를 제공한다.
상기 커넥터 접속검출기는 충전포트의 커버가 열리는 것을 감지하여, AC전원과 제1 및 제2모터의 전기적 연결보다 커넥터 접속의도를 사전에 검출할 수 있는, 커버 열림 검출기로 적용되는 하이브리드 자동차의 충전장치를 제공한다.
상기 커넥터 접속검출기는 상용전원을 공급하는 충전 스탠드와 유선 또는 무선 통신을 통하여 AC전원과 제1 및 제2모터의 전기적 연결 보다 접속의도를 사전에 검출하여 AC전원이 제1모터 또는 제2모터에 전기적으로 연결되기 전에 충전제어기를 포함한 제어기들을 활성화하는 하이브리드 자동차의 충전장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 하이브리드 자동차에 있어서, 직류전압을 출력하거나 저장하는 배터리로 대표되는 직류전원; 전동기 또는 발전기로 동작하는 제1모터; 발전기 또는 전동기로 동작하는 제2모터; 제1모터를 구동시키는 제1인버터; 제2모터를 구동시키는 제2인버터; 상기 배터리로부터의 직류전압을 상기 제1인버터 및 제2인버터로 승압 또는 감압하여 공급하고, 상기 제1인버터 및 제2인버터로부터의 직류전압을 상기 배터리측으로 감압 또는 승압하여 공급하는 전압변환기; 다이오드의 애노드 단자가 제1,제2인버터의 DC 음극단자에 접속되고, 캐소드 단자는 상용전원에 연결되며 제1,제2모터의 중성점과 병렬로 접속되는 제1다이오드 및 제2 다이오드; 외부 AC전원 공급장치와의 커넥터 접속 신호를 발생하는 접속 검출기; 충전포트와 제1,2모터의 사이에 설치되어 충전 제어기의 제어에 따라 제1,2모터의 중성점으로 공급되는 상용전원을 단속하는 입력단 스위치를 포함하며,
상기 커넥터 접속 검출 신호를 이용하여 AC전원이 제1모터 또는 제2모터에 전기적으로 연결되기 전에 충전제어기를 포함한 제어기들을 활성화하고, 제1, 2 인버터 DC링크 커패시터 초기충전을 실시하며, 상기 초기충전 완료 후 충전포트와 제1모터 및 제2모터의 중성점을 단속하는 입력단 스위치를 ON하여 AC전원을 모터 중성점에 전기적으로 연결하는 충전제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 충전장치를 제공한다.
상기 입력단 스위치는 제1다이오드와 제1모터의 중성점과 연결되는 제1릴레이; 제2다이오드와 제2모터의 중성점과 연결되는 제2릴레이를 포함하는 하이브리드 자동차의 충전장치를 제공한다.
상기 충전제어기는 커넥터 접속 신호가 검출되어 제어기가 초기화 된 이후, 충전포트와 제1모터 및 제2모터의 중성점을 단속하는 상기 입력단 스위치를 온하기전에 전압변환기 IGBT를 제어하여 배터리로부터 제1, 2 인버터 DC링크 커패시터로 전기적 에너지를 전달하여 DC링크 커패시터의 초기 충전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 충전장치를 제공한다.
상기 충전제어기는 배터리 충전 완료 또는 커넥터 접속 검출기로부터 커넥터 분리를 확인하고, 충전포트와 제1모터 및 제2모터의 중성점을 단속하는 상기 입력단 스위치를 오프하여 전기적 연결을 분리하고, 전압변환기 IGBT를 제어하여 제1, 2 인버터 DC링크 커패시터로부터 배터리로 전기적 에너지를 전달하여 DC링크 커패시터를 방전시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 충전장치를 제공한다.
상기 입력단 스위치는 제1다이오드와 제1모터의 중성점과 연결되는 제1릴레이; 제2다이오드와 제2모터의 중성점과 연결되는 제2릴레이; 상기 제1릴레이와 병렬로 접속되며 직렬 저항과 연결되는 제3릴레이; 상기 제2릴레이와 병렬로 접속되며 직렬 저항과 연결되는 제4릴레이를 포함하고,
상기 커넥터 접속 신호가 검출되어 제어기가 초기화 된 이후 상기 제3릴레이 및 상기 제4릴레이를 온하여 직렬저항, 제3릴레이 및 제4릴레이, 제1, 제2 인버터, 제1, 제2 다이오드를 통해 인버터 DC링크 커패시터를 초기 충전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 충전장치를 제공한다.
상기 입력단 스위치는 제1다이오드와 제1모터의 중성점과 연결되는 제1릴레이; 제2다이오드와 제2모터의 중성점과 연결되는 제2릴레이; 상기 제1릴레이와 병렬로 접속되며 직렬 저항과 연결되는 제3릴레이를 포함하고,
상기 커넥터 접속 신호가 검출되어 제어기가 초기화 된 이후, 상기 제2릴레이 및 상기 제3릴레이를 온하여 직렬저항, 제3릴레이 및 제2릴레이, 제1, 제2 인버터, 제1, 제2 다이오드를 통해 인버터 DC링크 커패시터를 초기 충전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 충전장치를 제공한다.
이와 같은 본 발명은 하이브리드 자동차에 존재하는 모터와 인터버를 이용하여 배터리의 충전을 제공함으로써, 충전기의 탑재가 배제되어 차량의 재료비에 대한 경쟁력을 향상시킨다.
또한, 하이브리드 자동차의 중량 감소로 연비 향상을 제공하며, 공간의 활성을 높여주어 패키지 상품성을 향상시킨다.
그리고, 하이브리드 자동차에 구비되어 있는 대용량의 모터 및 인버터를 그대로 활용함으로써, 급속 충전이 제공되므로 급속 충전을 위한 별도의 구조 및 외부 충전장치를 구비하지 않게 되어 상품성을 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전제어를 도시한 흐름도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전제어에서 위상에 따른 전류 패스를 구체적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전장치를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전제어를 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드 자동차의 초기 충전제어를 도시한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전장치를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드 자동차의 초기 충전제어를 도시한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전제어를 도시한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전완료 제어를 도시한 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전장치를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 제4실시예에 따른 하이브리드 자동차의 초기 충전제어를 도시한 흐름도이다.
도 14는 본 발명의 제4실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전제어를 도시한 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전완료 제어를 도시한 흐름도이다.
(제1실시예)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 제1실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예는 제1모터(101), 제2모터(102), 제1인터버(103), 제2인버터(104), 전압변환기(105), 배터리(106), 다이오드(107) 및 충전제어기(200)를 포함한다.
제1모터(101)는 3상 교류전동기로, 도시되지 않은 엔진을 시동할 수 있는 전동기로서 동작하고, 엔진에 의해 구동되는 발전기로서 동작한다.
제1모터(101)는 엔진을 시동시키기 위하여 제1인버터(103)를 통해 공급되는 3상 교류전압에 의해 구동되고, 엔진의 구동에 따라 3상 교류전압을 발전시켜 제1인버터(103)로 출력한다.
제2모터(102)는 도시되지 않은 구동차륜을 구동하는 3상 교류전동기로, 제2인버터(104)에서 공급되는 3상 교류전압의 의해 구동토크를 발생시킨다.
또한, 제2모터(102)는 차량의 회생 제동시 발전기로 동작되어 3상 교류전압을 발생시켜 제2인버터(104)로 출력한다.
제1모터(101)는 고정자 코일로서 Y결선형 3상 코일을 포함하며, 3상 코일을 형성하는 U, V, W상 코일은 각각의 일측이 서로 연결되어 중성점(N1)을 형성하고, 각각의 다른 일측은 제1인버터(103)의 대응하는 아암에 연결된다.
상기 제1모터(101)의 중성점(N1)에는 외부로부터 입력되는 상용전원(300)의 일측이 연결된다.
제2모터(102)는 고정자 코일로서 Y결선형 3상 코일을 포함하며, 3상 코일을 형성하는 U, V, W상 코일은 각각의 일측이 서로 연결되어 중성점(N2)을 형성하고, 각각의 다른 일측은 제2인버터(104)의 대응하는 아암에 연결된다.
상기 제2모터(102)의 중성점(N2)에는 외부로부터 입력되는 상용전원(300)의 다른 일측이 연결된다.
제1인버터(103)는 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 신호에 따라 전압변환기(105)를 통해 공급되는 배터리(106)의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여 제1모터(101)에 구동전압으로 공급한다.
제1인버터(103)는 제1모터(101)의 중성점(N1)을 통해 공급되는 외부의 상용전원(300)이 양의 값(Vs > 0)을 갖는 경우 전압변환기(104)의 DC 링크와 다이오드(107)의 제2다이오드(D2)로 연결되는 순환경로를 형성시킨다.
제2인버터(104)는 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 신호에 따라 전압변환기(105)를 통해 공급되는 배터리(106)의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여 제2모터(102)에 구동전압으로 공급한다.
제1인버터(103)는 제1모터(101)의 중성점(N2)을 통해 공급되는 외부의 상용전원(300)이 음의 값(Vs < 0)을 갖는 경우 전압변환기(104)의 DC 링크와 다이오드(107)의 제1다이오드(D1)로 연결되는 순환경로를 형성시킨다.
제1인버터(103)는 전력 스위칭소자가 직렬로 연결되어 구성되며, U상 아암(Sau, Sau'), V상 아암(Sav, Sav'), W상 아암(Saw, Saw')을 포함한다.
상기 전력 스위칭소자는 NPN형 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET 중 어느 하나로 구성된다.
제2인버터(104)는 전력 스위칭소자가 직렬로 연결되어 구성되며, U상 아암(Sbu, Sbu'), V상 아암(Sbv, Sbv'), W상 아암(Sbw, Sbw')을 포함한다.
상기 전력 스위칭소자는 NPN형 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET 중 어느 하나로 구성된다.
전압변환기(105)는 DC/DC컨버터로, 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 듀티 제어신호에 따라 배터리(106)에서 공급되는 직류전압을 설정된 레벨의 전압으로 승압 혹은 감압하여 제1인터버(103) 혹은 제2인버터(104)로 출력한다.
또한, 전압변환기(105)는 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 듀티 제어신호에 따라 제1인버터(103) 혹은 제2인버터(104)에서 인가되는 직류전압을 승압 및 감압하여 배터리(106)에 충전 전압으로 공급한다.
전압변환기(105)는 배터리(106)의 양단에 연결되며, DC 링크 커패시터(Cdc)와 직렬로 접속되는 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2), 배터리(106)의 양단간 전압 변동을 평활하는 평활 커패시터(Cbc)를 포함한다.
전압변환기(105)는 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(N2)의 중성점으로 공급되는 외부의 상용전원(300)이 제1인버터(103)와 제2인버터(104)를 통해 순환경로가 형성되는 DC 링크에 공급되는 경우 충전제어기(200)에서 인가되는 제어신호에 따라 제1전력 스위칭소자(S1) 및 제2전력 스위칭소자(S2)가 스위칭 되어 배터리(106)의 충전을 실행시킨다.
배터리(106)는 직류전원으로, 예를 들어 니켈-수소, 리튬-이온 2차 전지, 대용량 커패시터 중 어느 하나로 구성될 수 있으며, 충전된 직류전압을 전압변환기(105)를 통해 승압 혹은 감압시켜 제1모터(101) 혹은 제2모터(102)에 공급한다.
또한, 배터리(106)는 전압변환기(105)에서 승압 혹은 감압되어 인가되는 외부 상용전원(300)에 의해 충전된다.
다이오드(107)는 제1다이오드(D1)와 제2다이오드(D2)로 구성되며, 일측 단자 예를 들어 애노드 단자가 제1,제2인버터(101)(102)의 음극단자에 접속되고, 캐소드 단자는 외부 상용전원(300)과 제1,제2모터(101)(102)의 중성점(N1)(N2)에 연결된다.
상용전원(300)은 플러그 접속이나 커넥터 접속 중 어느 하나로 연결된다.
상용전원(300)은 교류전원을 적용하는 것이 바람직하나 직류전원의 적용도 본 발명의 범위에 포함된다.
충전제어기(200)는 상용전원(300)의 연결에 따라 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)으로 공급되는 교류전압의 위상(Vs), 순환루프가 형성되는 DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc), 배터리(106)의 전압(Vb), 배터리(106)의 양단간에 접속되는 평활 커패시터(Cbc)의 전압(Vbc), 인덕터의 전류(IL), 충전전류(Ib)를 검출하여 충전모드를 결정한다.
그리고, 결정된 충전모드에 따라 충전 제어값을 결정하여 PWM 듀티제어로 전압 변환기(105)의 제1전력 스위칭소자(S1) 및 제2전력 스위칭소자(S2)를 스위칭시켜 배터리(106)의 충전을 실행한다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 구성에서 배터리의 전압으로 제1모터를 구동시켜 엔진을 시동시키는 동작, 엔진의 구동력으로 발전되는 전압을 충전하는 동작, 배터리의 전압으로 제2모터를 구동시켜 하이브리드 자동차를 구동시키는 동작, 회생 제동시 배터리를 충전하는 동작은 통상적인 하이브리드 자동차의 제어 동작과 동일하게 실행되므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명의 제1실시예는 별도의 충전장치를 구성하지 않은 상태에서, 외부의 상용전원을 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)으로 공급하여 배터리(106)를 충전시키는 기술이므로, 이에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전제어를 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명이 적용되는 하이브리드 자동차가 배터리(106)의 충전을 대기하는 상태에서(S101) 플러그 접속이나 커넥터의 접속으로 상용전원(300)이 연결되는지 판단한다(S102).
배터리(106)의 충전을 위해 상용전원(300)이 연결되면 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)에 상용전원(300)이 공급된다(S103).
이때, 상용전원(300)의 교류전압 위상(Vs)이 양의 값(Vs > 0)을 갖는 상태이면 도 3에 도시된 바와 같은 전원루프를 형성하고 상용전원(300)의 교류전압 위상(Vs)이 음의 값(Vs < 0)을 갖는 상태이면 도 4에 도시된 바와 같은 전원루프를 형성한다(S104).
따라서, 전압 변환기(105)에 포함되는 DC 링크 커패시터(Cdc)에 전압이 충전된다.
도 3을 참조하면, 상용전원(300)의 교류전압 위상(Vs)이 양의 값(Vs > 0)을 갖는 상태에서의 전원루프는 다음과 같이 형성된다.
상용전원(300)의 전압은 제1모터(101)의 중성점(N1)으로 공급되어 제1인버터(103)를 구성하는 전력 스위칭소자의 상측 U상 아암(Sau), V상 아암(Sav), W상 아암(Saw)을 도통시킨다.
이때, 도통은 상기 상측의 각 상별 아암에 병렬로 연결되는 바이패스 다이오드를 통해 도통되는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 제1인터버(103)의 상측 U상 아암(Sau), V상 아암(Sav), W상 아암(Saw)을 통해 전압 변환기(105)내의 DC 링크 커패시터(Cdc)를 순환하여 제1,2인버터(103)(104)의 음극단자에 접속되는 다이오드(107)의 제2다이오드(D2)를 거쳐 상용전원(300)으로 연결된다.
도 4을 참조하면, 상용전원(300)의 교류전압 위상(Vs)이 음의 값(Vs < 0)을 갖는 상태에서의 전원루프는 다음과 같이 형성된다.
상용전원(300)의 전압은 제2모터(102)의 중성점(N2)으로 공급되어 제2인버터(104)를 구성하는 전력 스위칭소자의 상측 U상 아암(Sbu), V상 아암(Sbv), W상 아암(Sbw)을 도통시킨다.
이때, 도통은 상기 상측의 각 상별 아암에 병렬로 연결되는 바이패스 다이오드를 통해 도통되는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 제2인터버(103)의 상측 U상 아암(Sbu), V상 아암(Sbv), W상 아암(Sbw)을 통해 전압 변환기(105)내의 DC 링크 커패시터(Cdc)를 순환하여 제1,2인버터(103)(104)의 음극단자에 접속되는 다이오드(107)의 제1다이오드(D1)를 거쳐 상용전원(300)으로 연결된다.
따라서, 전압 변환기(105)내의 DC 링크 커패시터(Cdc)에 전압충전이 이루어진다.
이때, 충전제어기(200)는 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)으로 공급되는 교류전압의 위상(Vs), 전압 충전이 실행되는 DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc), 배터리(106)의 전압(Vb), 배터리(106)의 양단간에 접속되는 평활 커패시터(Cbc)의 전압(Vbc), 인덕터의 전류(IL), 충전전류(Ib)를 측정하여(S105) 충전모드를 결정한다(S106).
상기 충전모드의 결정에서 배터리(106)의 전압이 설정된 기준전압, 예를 들어 80% 이상을 유지하는 상태로 전류제어 모드인지를 판단한다(S107).
상기 S107의 판단에서 전류제어 모드가 아닌 것으로 판정되면 배터리(106)의 양단 간에 연결되는 평활 커패시터(Cbc)의 전압(Vbc)이 일정한 전압을 유지하는 전압(Vbc) 지령치를 결정한다(S108).
이후, 상기 S108에서 결정된 전압(Vbc) 지령치로 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)과 제2전력 스위칭소자(S2)의 동작을 PWM 듀티 제어하여 충전을 실행시킨다(S109).
또한, 상기 S107의 판단에서 배터리(106)의 충전이 전류제어 모드이면 측정치 오차를 적용하여 전류(Ib) 지령치를 결정한다(S110).
이후, 결정된 전류(Ib) 지령치로 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)의 동작을 PWM 듀티 제어하여 배터리(106)의 충전 전류량이 전류 지령치를 추종하도록 한다(S111).
상기한 충전에 따라 배터리(106)가 만충전되었는지 판단하여(S112), 만충전이 이루어지지 않았으면 상기 S110의 과정으로 리턴하여 전술한 과정을 반복하고, 만충전이 이루어졌으면 배터리(106)의 과충전을 방지하기 위하여 충전동작을 종료한다(S113).
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 제1실시예는 더블 모터 시스템을 갖는 하이브리드 자동차에서 제1모터의 중성점과 제2모터의 중성점에 외부의 상용전원을 공급하여 DC 링크 커패시터를 충전시키고, 전압변환기의 전력 스위칭소자를 PWM 제어하여 배터리의 안정된 충전을 제공함으로써, 고가의 충전장치의 배제되어 가격 경쟁력이 향상되고, 연비 향상을 제공하는 특징이 있다.
(제2실시예)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 제2실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전장치를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예는 제1모터(101), 제2모터(102), 제1인터버(103), 제2인버터(104), 전압변환기(105), 배터리(106), 다이오드(107), 충전포트(108), 커넥터 접속검출기(109), 메인 릴레이(SR1,SR2) 및 충전제어기(200)를 포함한다.
제1모터(101)는 3상 교류전동기로, 도시되지 않은 엔진을 시동할 수 있는 전동기로서 동작하고, 엔진에 의해 구동되는 발전기로서 동작한다.
제1모터(101)는 엔진을 시동시키기 위하여 제1인버터(103)를 통해 공급되는 3상 교류전압에 의해 구동되고, 엔진의 구동에 따라 3상 교류전압을 발전시켜 제1인버터(103)로 출력한다.
제2모터(102)는 도시되지 않은 구동차륜을 구동하는 3상 교류전동기로, 제2인버터(104)에서 공급되는 3상 교류전압의 의해 구동토크를 발생시킨다.
또한, 제2모터(102)는 차량의 회생 제동시 발전기로 동작되어 3상 교류전압을 발생시켜 제2인버터(104)로 출력한다.
제1모터(101)는 고정자 코일로서 Y결선형 3상 코일을 포함하며, 3상 코일을 형성하는 U, V, W상 코일은 각각의 일측이 서로 연결되어 중성점(N1)을 형성하고, 각각의 다른 일측은 제1인버터(103)의 대응하는 아암에 연결된다.
상기 제1모터(101)의 중성점(N1)에는 외부로부터 입력되는 상용전원(300)의 일측이 연결된다.
제2모터(102)는 고정자 코일로서 Y결선형 3상 코일을 포함하며, 3상 코일을 형성하는 U, V, W상 코일은 각각의 일측이 서로 연결되어 중성점(N2)을 형성하고, 각각의 다른 일측은 제2인버터(104)의 대응하는 아암에 연결된다.
상기 제2모터(102)의 중성점(N2)에는 외부로부터 입력되는 상용전원(300)의 다른 일측이 연결된다.
제1인버터(103)는 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 신호에 따라 전압변환기(105)를 통해 공급되는 배터리(106)의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여 제1모터(101)에 구동전압으로 공급한다.
제1인버터(103)는 제1모터(101)의 중성점(N1)을 통해 공급되는 외부의 상용전원(300)이 양의 값(Vs > 0)을 갖는 경우 전압변환기(104)의 DC 링크와 다이오드(107)의 제2다이오드(D2)로 연결되는 순환경로를 형성시킨다.
제2인버터(104)는 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 신호에 따라 전압변환기(105)를 통해 공급되는 배터리(106)의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여 제2모터(102)에 구동전압으로 공급한다.
제1인버터(103)는 제1모터(101)의 중성점(N2)을 통해 공급되는 외부의 상용전원(300)이 음의 값(Vs < 0)을 갖는 경우 전압변환기(104)의 DC 링크와 다이오드(107)의 제1다이오드(D1)로 연결되는 순환경로를 형성시킨다.
제1인버터(103)는 전력 스위칭소자가 직렬로 연결되어 구성되며, U상 아암(Sau, Sau'), V상 아암(Sav, Sav'), W상 아암(Saw, Saw')을 포함한다.
상기 전력 스위칭소자는 NPN형 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET 중 어느 하나로 구성된다.
제2인버터(104)는 전력 스위칭소자가 직렬로 연결되어 구성되며, U상 아암(Sbu, Sbu'), V상 아암(Sbv, Sbv'), W상 아암(Sbw, Sbw')을 포함한다.
상기 전력 스위칭소자는 NPN형 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET 중 어느 하나로 구성된다.
전압변환기(105)는 DC/DC컨버터로, 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 듀티 제어신호에 따라 배터리(106)에서 공급되는 직류전압을 설정된 레벨의 전압으로 승압 혹은 감압하여 제1인터버(103) 혹은 제2인버터(104)로 출력한다.
또한, 전압변환기(105)는 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 듀티 제어신호에 따라 제1인버터(103) 혹은 제2인버터(104)에서 인가되는 직류전압을 승압 및 감압하여 배터리(106)에 충전 전압으로 공급한다.
전압변환기(105)는 배터리(106)의 양단에 연결되며, DC 링크 커패시터(Cdc)와 직렬로 접속되는 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2), 배터리(106)의 양단간 전압 변동을 평활하는 평활 커패시터(Cbc)를 포함한다.
전압변환기(105)는 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(N2)의 중성점으로 공급되는 외부의 상용전원(300)이 제1인버터(103)와 제2인버터(104)를 통해 순환경로가 형성되는 DC 링크에 공급되는 경우 충전제어기(200)에서 인가되는 제어신호에 따라 제1전력 스위칭소자(S1) 및 제2전력 스위칭소자(S2)가 스위칭 되어 배터리(106)의 충전을 실행시킨다.
배터리(106)는 직류전원으로, 예를 들어 니켈-수소, 리튬-이온 2차 전지, 대용량 커패시터 중 어느 하나로 구성될 수 있으며, 충전된 직류전압을 전압변환기(105)를 통해 승압 혹은 감압시켜 제1모터(101) 혹은 제2모터(102)에 공급한다.
또한, 배터리(106)는 전압변환기(105)에서 승압 혹은 감압되어 인가되는 외부 상용전원(300)에 의해 충전된다.
다이오드(107)는 제1다이오드(D1)와 제2다이오드(D2)로 구성되며, 일측 단자 예를 들어 애노드 단자가 제1,제2인버터(101)(102)의 음극단자에 접속되고, 캐소드 단자는 외부 상용전원(300)과 제1,제2모터(101)(102)의 중성점(N1)(N2)에 연결된다.
충전포트(108)는 외부의 상용전원(300)의 충전포트(310)와 접속되어 배터리(106) 충전을 위한 전원을 공급받는다.
커넥터 접속검출기(109)는 충전포트(108)에 상용전원(300)이 접속되는지의 여부를 검출하여 그에 대한 정보를 충전제어기(200)에 제공한다.
상기 커넥터 접속검출기(109)는 충전포트의 커버가 열리는 것을 감지하는 커버 열림 검출기로 적용될 수 있다.
또한, 상기 충전포트(108)에 상용전원(300)이 접속되는지의 정보는 상용전원을 공급하는 충전용 스탠드와 충전포트(108)와의 통신으로 검출될 수 있다.
상기 충전용 스탠드와 충전포트(108)의 통신을 다양한 형태의 유무선 통신으로 접속된다.
상기 커버 열림 검출기는 상용전원(300)이 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)에 전기적으로 연결되기 전에 충전하고자 하는 의도를 충전제어기(200)에 전달할 수 있다.
메인 릴레이(SR1,SR2)는 배터리(105)의 양단에 연결되어 배터리(105)에 입출력되는 전압 및 전류를 단속한다.
상용전원(300)은 충전포트(310)를 통해 커넥터 접속되어 연결된다.
상용전원(300)은 교류전원을 적용하는 것이 바람직하나 직류전원의 적용도 본 발명의 범위에 포함된다.
충전제어기(200)는 커넥터 접속신호 혹은 충전포트의 커버 열림이 검출되어 배터리(106)의 충전 의도가 인식되면 시스템의 안정화를 위해 외부의 상용전원(300)이 공급되기 이전에 초기 활성화를 먼저 실행한다.
상기 충전제어기(200)는 초기 활성화가 실행되면 외부의 상용전원(300)의 공급으로 DC 링크 커패시터(Cdc)에 돌입 전류가 공급되어 시스템을 파손시키는 것을 방지하기 위하여 메인 릴레이(SR1,SR2)를 온시켜 배터리(106)의 전압으로 DC 링크 커패시터(Cdc)를 설정된 소정의 레벨로 초기 충전시킨 다음 외부의 상용전원(300)이 공급되도록 한다.
상기 충전제어기(200)는 배터리(106)가 만충전되어 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)에 외부의 상용전원(300)이 공급되지 않거나 충전 중에 커넥터(충전 스탠드)가 분리되는 경우 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)를 제어하여 DC 링크 커패시터(Cdc)에 남아 있는 잔여전압을 배터리(106)로 공급하여 배터리(106)의 최대 충전을 유지하고 DC 링크 커패시터(Cdc)를 기준전압 이하로 방전시킨 다음 메인 릴레이(SR1, SR2)를 오프시켜 시스템을 안정되게 유지한다.
상기 충전제어기(200)는 초기 활성화와 DC 링크 커패시터의 초기충전이 실행된 상태에서 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)으로 공급되는 교류전압의 위상(Vs), 순환루프가 형성되는 DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc), 배터리(106)의 전압(Vb), 배터리(106)의 양단간에 접속되는 평활 커패시터(Cbc)의 전압(Vbc), 인덕터의 전류(IL), 충전전류(Ib)를 검출하여 충전모드를 결정한다.
그리고, 결정된 충전모드에 따라 충전 제어값을 결정하여 PWM 듀티제어로 전압 변환기(105)의 제1전력 스위칭소자(S1) 및 제2전력 스위칭소자(S2)를 스위칭시켜 배터리(106)의 충전을 실행한다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 구성에서 배터리의 전압으로 제1모터를 구동시켜 엔진을 시동시키는 동작, 엔진의 구동력으로 발전되는 전압을 충전하는 동작, 배터리의 전압으로 제2모터를 구동시켜 하이브리드 자동차를 구동시키는 동작, 회생 제동시 배터리를 충전하는 동작은 통상적인 하이브리드 자동차의 제어 동작과 동일하게 실행되므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명의 제2실시예는 충전포트에 상용전원의 접속이 검출되면 배터리의 충전 의도로 판정하여 충전 제어기의 초기화를 실행하고, DC 링크 커패시터를 초기 충전시키며, 별도의 충전장치를 구성하지 않은 상태에서, 외부의 상용전원을 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)으로 공급하여 배터리(106)를 충전시키는 기술이므로, 이에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전제어를 도시한 흐름도이다.
도 6를 참조하면, 본 발명이 적용되는 하이브리드 자동차가 배터리(106)의 충전을 대기하는 상태에서(S201) 충전제어기(200)는 커넥터 접속검출기(109)로부터 외부 상용전원(300)의 접속 요구가 검출되는지 판단한다(S202).
상기 외부 상용전원(300)의 접속여부 검출은 충전포트의 커버 열림이나 커넥터의 접속신호, 충전용 스탠드와의 통신으로 검출할 수 있다.
상기 S202의 판단에서 외부 상용전원(300)의 접속 요구가 검출되면 충전제어기(200)의 모든 부분을 활성화시켜 초기 활성화 시간을 단축시킨다(S203).
참고적으로, 디지털 기기인 충전 제어기(200)는 전원이 공급된 이후 정상적인 동작을 위해서는 초기 활성화 시간이 수십 ㎲ ~ 수백 ㎳의 시간이 필요하다.
따라서, 충전제어기(200)가 초기 활성화되지 않은 상태에서는 정상적인 제어신호를 출력하지 못하게 된다.
그러므로, 고전압이 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(N2)의 중성점(N2)을 통해 제1인버터(103)와 제2인터버(104), 전압변환기(105)에 인가되면 전력 스위칭소자의 구동부, 예를 들어 게이트 드라이브에 제어전원을 정상적으로 인가하지 못하는 상태이므로 노이즈에 의해 전력 스위칭소자가 오동작하여 과전류를 공급시키게 되거나 부품의 소손이 유발될 수 있는 위험이 있다.
상기한 동작에 따라 충전제어기(200)의 초기 활성화가 실행된 상태에서 충전포트(108)에 충전 스탠드 혹은 커넥터의 접속으로 외부의 상용전원(300)이 연결되면 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)에 상용전원(300)이 공급된다(S204).
이때, 상용전원(300)의 교류전압 위상(Vs)이 양의 값(Vs > 0)을 갖는 상태이면 전술한 도 3에 도시된 바와 같은 전원루프를 형성하고 상용전원(300)의 교류전압 위상(Vs)이 음의 값(Vs < 0)을 갖는 상태이면 도 4에 도시된 바와 같은 전원루프를 형성한다(S205).
따라서, 전압 변환기(105)에 포함되는 DC 링크 커패시터(Cdc)에 전압이 충전된다.
상기 상용전원(300)의 교류전압 위상(Vs)에 따른 전원루프는 전술한 도 3 및 도 4와 동일하게 형성되므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이때, 충전제어기(200)는 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)으로 공급되는 교류전압의 위상(Vs), 전압 충전이 실행되는 DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc), 배터리(106)의 전압(Vb), 배터리(106)의 양단간에 접속되는 평활 커패시터(Cbc)의 전압(Vbc), 인덕터의 전류(IL), 충전전류(Ib)를 측정하여(S206) 충전모드를 결정한다(S207).
상기 충전모드의 결정에서 배터리(106)의 전압이 설정된 기준전압, 예를 들어 80% 이하를 유지하는 전압제어 모드인지를 판단한다(S208).
상기 S208의 판단에서 전압제어 모드이면 배터리(106)의 양단 간에 연결되는 평활 커패시터(Cbc)의 전압(Vbc)이 일정한 전압을 유지하는 전압(Vbc) 지령치를 결정한다(S209).
이후, 상기 S209에서 결정된 전압(Vbc) 지령치로 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)과 제2전력 스위칭소자(S2)의 동작을 PWM 듀티 제어하여 급속 충전을 실행시킨다(S210).
상기한 과정에 의한 배터리(106)의 충전이 전류제어 모드로 진입하면 측정치 오차를 적용하여 전류(Ib) 지령치를 결정한다(S211).
이후, 결정된 전류(Ib) 지령치로 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)의 동작을 PWM 듀티 제어하여 배터리(106)의 충전 전류량이 전류 지령치를 추종하도록 한다(S212).
상기한 충전에 따라 배터리(106)가 만충전되었는지 판단하여(S213), 만충전이 이루어지지 않았으면 상기 S211의 과정으로 리턴하여 전술한 과정을 반복하고, 만충전이 이루어졌으면 배터리(106)의 과충전을 방지하기 위하여 충전동작을 종료한다.
상기 배터리(106)의 만충전이 이루어지면 외부 상용전원(300)의 연결을 검출하여(S214) 커넥터 접속(충전 스탠드)의 분리가 검출되어 외부 상용전원(300)이 차단되는지를 판단한다(S215).
상기 S215의 판단에서 외부 상용전원(300)의 차단이 검출되면 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)를 PWM 듀티 제어하여 DC 링크 커패시터(Cdc)에 남아 있는 잔여전압을 배터리(106)로 공급하여 배터리(106)의 최대 충전을 유지시킴과 동시에 DC 링크 커패시터(Cdc)를 기준전압 이하로 방전시킨다(S216).
DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc)을 측정하여 설정된 전압 이하의 상태로 방전되었는지를 판단한다(S217).
상기 S217의 판단에서 DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc)이 설정된 기준전압 이하로 방전되지 않았으면 상기 S216의 과정으로 리턴된다.
그러나, 상기 S217에서 설정된 기준전압 이후로 방전되었으면 충전제어기(200)는 배터리(106)의 양단간에 설치되어 배터리(106)의 입출력 전압을 단속하는 메인 배터리(SR1,SR2)를 오프하여 시스템을 안정되게 유지한 다음(S218) 충전동작을 완료한다(S219).
상기에서 만충전에 따라 커넥터(충전 스탠드)의 분리가 검출되는 경우에 대하여 설명하였으나, 충전중인 상태에서 외부의 상용전원(300)과 연결되는 커넥터(충전 스탠드)의 강제 분리가 검출되는 경우에도 DC 링크 커패시터(Cdc)를 설정된 기준전압 이하로 방전시키는 동작도 동일하게 실행된다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드 자동차의 초기 충전제어를 도시한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명이 적용되는 하이브리드 자동차가 배터리(106)의 충전을 대기하는 상태에서(S301) 충전제어기(200)는 커넥터 접속검출기(109)로부터 외부 상용전원(300)의 접속 요구가 검출되는지 판단한다(S302).
상기 외부 상용전원(300)의 접속 요구는 충전포트의 커버 열림이나 커넥터의 접속신호, 충전용 스탠드와의 통신으로 검출할 수 있다.
상기 S302의 판단에서 외부 상용전원(300)의 접속 요구가 검출되면 충전제어기(200)의 모든 부분에 대한 초기 활성화를 실행시킨다(S303).
외부 상용전원(300)의 공급으로 배터리(106)의 충전을 시작하는 경우 DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc)이 0V를 유지하는 경우 고전압의 상용전원(300)이 공급됨에 따라 돌입 전류가 과전류로 발생할 수 있다.
그러므로, 과전류는 제1인버터(103)와 제2인버터(104) 및 전압변환기(105)에 구성되는 전력 스위칭소자에 치명적인 손상을 초래하게 된다.
따라서, 충전제어기(200)의 초기 활성화가 실행되면 메인 릴레이(SR1,SR2)를 온 시켜 배터리(106)의 전원을 출력시킨다(S304).
이때, 충전제어기(200)는 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)를 PWM 듀티 제어하여 DC 링크 커패시터(Cdc)를 충전시킨다(S305).
상기의 충전에 따라 DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압이 설정된 일정전압 이상으로 충전되었는지 판단하여(S306), 일정전압에 도달되지 않은 상태이면 상기 S305의 과정으로 리턴하여 충전을 지속한다.
그러나, DC 링크 커패시터(Cdc)가 일정전압 이상으로 충전되었으면, 충전제어기(200)는 전술한 도 6의 절차에 따라 외부 상용전원(300)을 이용한 배터리(106) 충전제어를 실행한다(S307).
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 제2실시예는 더블 모터 시스템을 갖는 하이브리드 자동차에서 배터리 충전을 위한 외부 상용전원의 접속요구가 검출되면 충전제어기의 초기 활성화가 실행되어 시스템의 안정화를 제공하고, 배터리의 전압으로 DC 링크 커패시터를 충전시켜 돌입전류가 발생되는 것을 방지하여 시스템의 신뢰성을 제공한다.
그리고, 제1모터의 중성점과 제2모터의 중성점에 외부의 상용전원을 공급하고 전압변환기의 전력 스위칭소자를 PWM 제어하여 배터리의 안정된 충전을 제공함으로써, 고가의 충전장치의 배제되어 가격 경쟁력이 향상되고, 연비 향상을 제공하는 특징이 있다.
또한, 배터리의 만충전이나 충전중 외부 상용전원과 연결되는 커넥트 혹은 충전 스탠드의 분리가 검출되면 DC 링크 커패시터의 충전 상태를 설정 전압 이하로 유지하여 시스템의 안정화 및 배터리의 최대 충전을 제공한다.
(제3실시예)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 제3실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전장치를 도시한 도면이다.
도 8를 참조하면, 본 발명의 제3실시예는 제1모터(101), 제2모터(102), 제1인터버(103), 제2인버터(104), 전압변환기(105), 배터리(106), 다이오드(107), 충전포트(108), 커넥터 접속검출기(109), 메인 릴레이(SR1,SR2), 입력단 릴레이(110) 및 충전제어기(200)를 포함한다.
제1모터(101)는 3상 교류전동기로, 도시되지 않은 엔진을 시동할 수 있는 전동기로서 동작하고, 엔진에 의해 구동되는 발전기로서 동작한다.
제1모터(101)는 엔진을 시동시키기 위하여 제1인버터(103)를 통해 공급되는 3상 교류전압에 의해 구동되고, 엔진의 구동에 따라 3상 교류전압을 발전시켜 제1인버터(103)로 출력한다.
제2모터(102)는 도시되지 않은 구동차륜을 구동하는 3상 교류전동기로, 제2인버터(104)에서 공급되는 3상 교류전압의 의해 구동토크를 발생시킨다.
또한, 제2모터(102)는 차량의 회생 제동시 발전기로 동작되어 3상 교류전압을 발생시켜 제2인버터(104)로 출력한다.
제1모터(101)는 고정자 코일로서 Y결선형 3상 코일을 포함하며, 3상 코일을 형성하는 U, V, W상 코일은 각각의 일측이 서로 연결되어 중성점(N1)을 형성하고, 각각의 다른 일측은 제1인버터(103)의 대응하는 아암에 연결된다.
상기 제1모터(101)의 중성점(N1)에는 외부로부터 입력되는 상용전원(300)의 일측이 연결된다.
제2모터(102)는 고정자 코일로서 Y결선형 3상 코일을 포함하며, 3상 코일을 형성하는 U, V, W상 코일은 각각의 일측이 서로 연결되어 중성점(N2)을 형성하고, 각각의 다른 일측은 제2인버터(104)의 대응하는 아암에 연결된다.
상기 제2모터(102)의 중성점(N2)에는 외부로부터 입력되는 상용전원(300)의 다른 일측이 연결된다.
제1인버터(103)는 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 신호에 따라 전압변환기(105)를 통해 공급되는 배터리(106)의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여 제1모터(101)에 구동전압으로 공급한다.
제1인버터(103)는 제1모터(101)의 중성점(N1)을 통해 공급되는 외부의 상용전원(300)이 양의 값(Vs > 0)을 갖는 경우 전압변환기(104)의 DC 링크와 다이오드(107)의 제2다이오드(D2)로 연결되는 순환경로를 형성시킨다.
제2인버터(104)는 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 신호에 따라 전압변환기(105)를 통해 공급되는 배터리(106)의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여 제2모터(102)에 구동전압으로 공급한다.
제1인버터(103)는 제1모터(101)의 중성점(N2)을 통해 공급되는 외부의 상용전원(300)이 음의 값(Vs < 0)을 갖는 경우 전압변환기(104)의 DC 링크와 다이오드(107)의 제1다이오드(D1)로 연결되는 순환경로를 형성시킨다.
제1인버터(103)는 전력 스위칭소자가 직렬로 연결되어 구성되며, U상 아암(Sau, Sau'), V상 아암(Sav, Sav'), W상 아암(Saw, Saw')을 포함한다.
상기 전력 스위칭소자는 NPN형 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET 중 어느 하나로 구성된다.
제2인버터(104)는 전력 스위칭소자가 직렬로 연결되어 구성되며, U상 아암(Sbu, Sbu'), V상 아암(Sbv, Sbv'), W상 아암(Sbw, Sbw')을 포함한다.
상기 전력 스위칭소자는 NPN형 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET 중 어느 하나로 구성된다.
전압변환기(105)는 DC/DC컨버터로, 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 듀티 제어신호에 따라 배터리(106)에서 공급되는 직류전압을 설정된 레벨의 전압으로 승압 혹은 감압하여 제1인터버(103) 혹은 제2인버터(104)로 출력한다.
또한, 전압변환기(105)는 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 듀티 제어신호에 따라 제1인버터(103) 혹은 제2인버터(104)에서 인가되는 직류전압을 승압 및 감압하여 배터리(106)에 충전 전압으로 공급한다.
전압변환기(105)는 배터리(106)의 양단에 연결되며, DC 링크 커패시터(Cdc)와 직렬로 접속되는 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2), 배터리(106)의 양단간 전압 변동을 평활하는 평활 커패시터(Cbc)를 포함한다.
전압변환기(105)는 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(N2)의 중성점으로 공급되는 외부의 상용전원(300)이 제1인버터(103)와 제2인버터(104)를 통해 순환경로가 형성되는 DC 링크에 공급되는 경우 충전제어기(200)에서 인가되는 제어신호에 따라 제1전력 스위칭소자(S1) 및 제2전력 스위칭소자(S2)가 스위칭 되어 배터리(106)의 충전을 실행시킨다.
배터리(106)는 직류전원으로, 예를 들어 니켈-수소, 리튬-이온 2차 전지, 대용량 커패시터 중 어느 하나로 구성될 수 있으며, 충전된 직류전압을 전압변환기(105)를 통해 승압 혹은 감압시켜 제1모터(101) 혹은 제2모터(102)에 공급한다.
또한, 배터리(106)는 전압변환기(105)에서 승압 혹은 감압되어 인가되는 외부 상용전원(300)에 의해 충전된다.
다이오드(107)는 제1다이오드(D1)와 제2다이오드(D2)로 구성되며, 일측 단자 예를 들어 애노드 단자가 제1,제2인버터(101)(102)의 음극단자에 접속되고, 캐소드 단자는 제1,제2모터(101)(102)의 중성점(N1)(N2)과 입력단 릴레이(110)에 각각 연결된다.
충전포트(108)는 외부 상용전원(300)의 충전포트(310)와 접속된다.
커넥터 접속검출기(109)는 충전포트(108)에 상용전원(300)이 접속되는지의 여부를 검출하여 그에 대한 정보를 충전제어기(200)에 제공한다.
상기 커넥터 접속검출기(109)는 충전포트의 커버가 열리는 것을 감지하는 커버 열림 검출기로 적용될 수 있다.
또한, 상기 충전포트(108)에 상용전원(300)이 접속되는지의 정보는 상용전원을 공급하는 충전용 스탠드와 충전포트(108)와의 통신으로 검출될 수 있다.
상기 충전용 스탠드와 충전포트(108)의 통신을 다양한 형태, 예를 들어 CAN 통신, 블루투스 통신 등을 포함하는 유무선 통신으로 접속된다.
상기 커버 열림 검출기는 상용전원(300)이 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)에 전기적으로 연결되기 전에 충전하고자 하는 의도를 충전제어기(200)에 전달할 수 있다.
메인 릴레이(SR1,SR2)는 배터리(105)의 양단에 연결되어 배터리(105)에 입출력되는 전압 및 전류를 단속한다.
입력단 릴레이(110)는 충전포트(108)를 통해 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)으로 공급되는 외부 상용전원(300)을 단속한다.
상기 입력단 릴레이(110)는 제1다이오드(D1)와 제1모터(101)의 중성점(N1)과 연결되는 제1릴레이(SR3)과 제2다이오드(D2)와 제2모터(102)의 중성점(N2)과 연결되는 제2릴레이(SR4)를 포함한다.
상기 입력단 릴레이(110)는 충전제어기(110)의 제어에 따라 온/오프 동작되어 외부 상용전원(300)의 접속이 검출되는 경우 충전제어기(200)의 초기 활성화가 실행되고, 배터리(106)의 전압으로 DC 링크 커패시터(Cdc)가 설정된 전압 이상으로 충전되기까지 외부 상용전원(300)이 시스템의 내부로 공급되는 것을 차단하여 시스템의 안정성을 확보하여 준다.
상용전원(300)은 충전포트(310)를 통해 커넥터 접속되어 연결된다.
상용전원(300)은 교류전원을 적용하는 것이 바람직하나 직류전원의 적용도 본 발명의 범위에 포함된다.
충전제어기(200)는 커넥터 접속신호 혹은 충전포트의 커버 열림이 검출되어 배터리(106)의 충전 의도가 인식되면 시스템의 안정화를 위해 입력단 릴레이(110)를 오프 상태로 유지하여 외부의 상용전원(300)이 공급되기 않도록 하며, 이 과정에서 초기 활성화가 실행한다.
상기 충전제어기(200)는 초기 활성화가 실행되면 외부의 상용전원(300)의 공급으로 DC 링크 커패시터(Cdc)에 돌입 전류가 공급되어 시스템을 파손시키는 것을 방지하기 위하여 메인 릴레이(SR1,SR2)를 온 시켜 배터리(106)의 전압으로 DC 링크 커패시터(Cdc)를 설정된 소정의 레벨로 초기 충전시킨 다음 외부의 상용전원(300)이 공급되도록 한다.
상기 충전제어기(200)는 배터리(106)가 만충전되어 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)에 외부의 상용전원(300)이 공급되지 않거나 충전 중에 커넥터(충전 스탠드)가 분리되는 경우 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)를 제어하여 DC 링크 커패시터(Cdc)에 남아 있는 잔여전압을 배터리(106)로 공급하여 배터리(106)의 최대 충전을 유지하고 DC 링크 커패시터(Cdc)를 기준전압 이하로 방전시킨 다음 메인 릴레이(SR1, SR2)를 오프시켜 시스템을 안정되게 유지한다.
상기 충전제어기(200)는 초기활성화와 DC 링크 커패시터의 초기충전이 실행되면 입력단 릴레이(110)를 온시켜 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)으로 외부의 상용전원(300)이 공급되도록 한다.
그리고, 상용전원(300)의 위상(Vs), 순환루프가 형성되는 DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc), 배터리(106)의 전압(Vb), 배터리(106)의 양단간에 접속되는 평활 커패시터(Cbc)의 전압(Vbc), 인덕터의 전류(IL), 충전전류(Ib)를 검출하여 충전모드를 결정한다.
그리고, 결정된 충전모드에 따라 충전 제어값을 결정하여 PWM 듀티제어로 전압 변환기(105)의 제1전력 스위칭소자(S1) 및 제2전력 스위칭소자(S2)를 스위칭시켜 배터리(106)의 충전을 실행한다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 구성에서 배터리의 전압으로 제1모터를 구동시켜 엔진을 시동시키는 동작, 엔진의 구동력으로 발전되는 전압을 충전하는 동작, 배터리의 전압으로 제2모터를 구동시켜 하이브리드 자동차를 구동시키는 동작, 회생 제동시 배터리를 충전하는 동작은 통상적인 하이브리드 자동차의 제어 동작과 동일하게 실행되므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명의 제3실시예는 배터리의 충전 의도가 검출되는 경우 입력단 릴레이를 오프시켜 상용전원이 시스템에 공급되지 않는 상태에서, 충전 제어기의 초기화화 DC 링크 커패시터를 초기 충전시키고, 입력단 릴레이를 온시켜 외부의 상용전원을 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)으로 공급하여 배터리(106)를 충전시키는 기술이므로, 이에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드 자동차의 초기 충전제어를 도시한 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명이 적용되는 하이브리드 자동차가 배터리(106)의 충전을 대기하는 상태에서(S401) 충전제어기(200)는 커넥터 접속검출기(109)의 신호를 분석하여 충전포트(108)에 배터리(106)의 충전을 위한 외부의 상용전원(300)이 접속되는지 판단한다(S402).
상기 외부 상용전원(300)의 접속검출은 충전포트의 커버 열림이나 커넥터의 접속, 충전용 스탠드와의 유무선을 이용한 통신으로 검출할 수 있다.
상기 S402의 판단에서 외부 상용전원(300)의 접속이 검출되면 충전제어기(200)의 입력단 릴레이(110)를 오프로 유지한 상태에서 초기 활성화를 실행한다(S403).
그리고, 메인 릴레이(SR1,SR2)를 온시켜 배터리(106)의 전압을 출력시켜 전압변환기(105)내에 공급하고(S404), 동시에 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)를 작동시켜 배터리(106)의 전압을 DC 링크 커패시커(Cdc)에 공급하여 DC 링크 커패시터(Cdc)를 초기 충전시킨다(S405).
상기 초기 충전되는 DC 링크 커패시터(Cdc)의 충전 전압을 검출하여 설정된 일정전압 이상으로 충전되었는지 판단한다(S406).
상기 S406의 판단에서 DC 링크 커패시터(Cdc)가 설정된 일정전압 이상으로 충전되었으면 오프 상태를 유지하고 있는 입력단 릴레이(110)를 온시켜(S107) 충전포트(108)에 접속된 외부 상용전원(300)이 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)에 공급되도록 한다(S408).
따라서, 상용전원(300)의 교류전압 위상(Vs)에 따라 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2), 제1인버터(103)와 제2인버터(104), DC 링크 커패시터(Cdc), 다이오드(107)내의 제1다이오드(D1) 및 제2다이오드(D2)를 경유하는 전원루프를 형성한다(S205).
따라서, 전압 변환기(105)에 포함되는 DC 링크 커패시터(Cdc)에 전압이 충전되므로, 충전제어기(200)는 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)를 PWM 제어하여 배터리(106)의 충전을 실행한다(S409).
상기 상용전원(300)의 교류전압 위상(Vs)에 따른 전원루프는 전술한 도 3 및 도 4와 동일하게 형성되므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 충전제어를 도시한 흐름도이다.
전술한 바와 같이 입력단 릴레이(110)의 온으로 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)에 외부의 상용전원이 공급되면(S501), 상용전원(300)의 위상(Vs)에 따라 도 3 및 도 4와 같은 전원루프가 형성된다(S502).
따라서, 충전제어기(200)는 충전제어기(200)는 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)으로 공급되는 교류전압의 위상(Vs), 전압 충전이 실행되는 DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc), 배터리(106)의 전압(Vb), 배터리(106)의 양단간에 접속되는 평활 커패시터(Cbc)의 전압(Vbc), 인덕터의 전류(IL), 충전전류(Ib)를 측정하여(S503) 충전모드를 결정한다(S504).
상기 충전모드의 결정에서 배터리(106)의 전압이 설정된 기준전압, 예를 들어 80% 이상을 유지하는 전류제어 모드인지를 판단한다(S505).
상기 S505의 판단에서 전류제어 모드가 아니면 전압제어모드로 판정하여 배터리(106)의 양단간에 연결되는 평활 커패시터(Cbc)의 전압(Vbc)이 일정한 전압을 유지하는 전압(Vbc) 지령치를 결정한다(S506).
이후, 상기 S506에서 결정된 전압(Vbc) 지령치로 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)과 제2전력 스위칭소자(S2)의 동작을 PWM 듀티 제어하여 급속 충전을 실행시킨다(S507).
상기 S505의 판단에서 배터리(106)의 충전이 전류제어 모드이면 측정치 오차를 적용하여 전류(Ib) 지령치를 결정한다(S508).
이후, 결정된 전류(Ib) 지령치로 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)의 동작을 PWM 듀티 제어하여 배터리(106)의 충전 전류량이 전류 지령치를 추종하도록 한다(S509).
상기한 충전에 따라 배터리(106)가 만충전되었는지 판단하여(S510), 만충전이 이루어지지 않았으면 상기 S508의 과정으로 리턴하여 전술한 과정을 반복하고, 만충전이 이루어졌으면 배터리(106)의 과충전을 방지하기 위하여 충전동작을 종료한다(S511).
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전완료제어를 도시한 흐름도이다.
충전제어기(200)는 배터리(106)의 만충전이 검출되거나 상용전원(300)을 연결하는 충전 커넥터 접속(충전 스탠드)의 분리가 검출되는지 판단한다(S601).
상기 S601의 판단에서 배터리(106)의 만충전 혹은 상용전원(300)을 연결하는 충전 커넥터(충전 스탠드)의 분리가 검출되면 입력단 릴레이(110)를 오프시켜 충전포트(108)와 제1모터(101)의 중성점(N1) 및 제2모터(102)의 중성점(N2) 연결을 차단한다(S602).
이후, 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)를 PWM 듀티 제어하여 DC 링크 커패시터(Cdc)에 남아 있는 잔여전압을 배터리(106)로 공급하여 배터리(106)의 최대 충전을 유지시킴과 동시에 DC 링크 커패시터(Cdc)를 기준전압 이하로 방전시킨다(S603).
DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc)을 측정하여(S604) 설정된 전압 이하의 상태로 방전되었는지를 판단한다(S605).
상기 S605의 판단에서 DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc)이 설정된 기준전압 이하로 방전되지 않았으면 상기 S603의 과정으로 리턴되어 방전 제어를 지속하고, 기준전압 이하로 방전되었으면 충전제어기(200)는 배터리(106)의 양단간에 설치되어 배터리(106)의 입출력 전압을 단속하는 메인 배터리(SR1,SR2)를 오프하여 시스템을 안정되게 유지한 다음(S220) 충전동작을 완료한다(S606).
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 제3실시예는 더블 모터 시스템을 갖는 하이브리드 자동차에서 배터리 충전을 위한 상용전원이 접속되면 입력단 릴레이를 제어하여 충전제어기의 초기 활성화와 DC 링크 커패시터의 충전이 이루어지기까지 상용전원이 공급되는 것을 차단하여 시스템의 안정화를 제공한다.
(제4실시예)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 제4실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전장치를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 제4실시예는 제1모터(101), 제2모터(102), 제1인터버(103), 제2인버터(104), 전압변환기(105), 배터리(106), 다이오드(107), 충전포트(108), 커넥터 접속검출기(109), 메인 릴레이(SR1,SR2), 입력단 릴레이(110) 및 충전제어기(200)를 포함한다.
제1모터(101)는 3상 교류전동기로, 도시되지 않은 엔진을 시동할 수 있는 전동기로서 동작하고, 엔진에 의해 구동되는 발전기로서 동작한다.
제1모터(101)는 엔진을 시동시키기 위하여 제1인버터(103)를 통해 공급되는 3상 교류전압에 의해 구동되고, 엔진의 구동에 따라 3상 교류전압을 발전시켜 제1인버터(103)로 출력한다.
제2모터(102)는 도시되지 않은 구동차륜을 구동하는 3상 교류전동기로, 제2인버터(104)에서 공급되는 3상 교류전압의 의해 구동토크를 발생시킨다.
또한, 제2모터(102)는 차량의 회생 제동시 발전기로 동작되어 3상 교류전압을 발생시켜 제2인버터(104)로 출력한다.
제1모터(101)는 고정자 코일로서 Y결선형 3상 코일을 포함하며, 3상 코일을 형성하는 U, V, W상 코일은 각각의 일측이 서로 연결되어 중성점(N1)을 형성하고, 각각의 다른 일측은 제1인버터(103)의 대응하는 아암에 연결된다.
상기 제1모터(101)의 중성점(N1)에는 외부로부터 입력되는 상용전원(300)의 일측이 연결된다.
제2모터(102)는 고정자 코일로서 Y결선형 3상 코일을 포함하며, 3상 코일을 형성하는 U, V, W상 코일은 각각의 일측이 서로 연결되어 중성점(N2)을 형성하고, 각각의 다른 일측은 제2인버터(104)의 대응하는 아암에 연결된다.
상기 제2모터(102)의 중성점(N2)에는 외부로부터 입력되는 상용전원(300)의 다른 일측이 연결된다.
제1인버터(103)는 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 신호에 따라 전압변환기(105)를 통해 공급되는 배터리(106)의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여 제1모터(101)에 구동전압으로 공급한다.
제1인버터(103)는 제1모터(101)의 중성점(N1)을 통해 공급되는 외부의 상용전원(300)이 양의 값(Vs > 0)을 갖는 경우 전압변환기(104)의 DC 링크와 다이오드(107)의 제2다이오드(D2)로 연결되는 순환경로를 형성시킨다.
제2인버터(104)는 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 신호에 따라 전압변환기(105)를 통해 공급되는 배터리(106)의 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여 제2모터(102)에 구동전압으로 공급한다.
제1인버터(103)는 제1모터(101)의 중성점(N2)을 통해 공급되는 외부의 상용전원(300)이 음의 값(Vs < 0)을 갖는 경우 전압변환기(104)의 DC 링크와 다이오드(107)의 제1다이오드(D1)로 연결되는 순환경로를 형성시킨다.
제1인버터(103)는 전력 스위칭소자가 직렬로 연결되어 구성되며, U상 아암(Sau, Sau'), V상 아암(Sav, Sav'), W상 아암(Saw, Saw')을 포함한다.
상기 전력 스위칭소자는 NPN형 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET 중 어느 하나로 구성된다.
제2인버터(104)는 전력 스위칭소자가 직렬로 연결되어 구성되며, U상 아암(Sbu, Sbu'), V상 아암(Sbv, Sbv'), W상 아암(Sbw, Sbw')을 포함한다.
상기 전력 스위칭소자는 NPN형 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET 중 어느 하나로 구성된다.
전압변환기(105)는 DC/DC컨버터로, 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 듀티 제어신호에 따라 배터리(106)에서 공급되는 직류전압을 설정된 레벨의 전압으로 승압 혹은 감압하여 제1인터버(103) 혹은 제2인버터(104)로 출력한다.
또한, 전압변환기(105)는 충전제어기(200)에서 인가되는 PWM 듀티 제어신호에 따라 제1인버터(103) 혹은 제2인버터(104)에서 인가되는 직류전압을 승압 및 감압하여 배터리(106)에 충전 전압으로 공급한다.
전압변환기(105)는 배터리(106)의 양단에 연결되며, DC 링크 커패시터(Cdc)와 직렬로 접속되는 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2), 배터리(106)의 양단간 전압 변동을 평활하는 평활 커패시터(Cbc)를 포함한다.
전압변환기(105)는 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(N2)의 중성점으로 공급되는 외부의 상용전원(300)이 제1인버터(103)와 제2인버터(104)를 통해 순환경로가 형성되는 DC 링크에 공급되는 경우 충전제어기(200)에서 인가되는 제어신호에 따라 제1전력 스위칭소자(S1) 및 제2전력 스위칭소자(S2)가 스위칭 되어 배터리(106)의 충전을 실행시킨다.
배터리(106)는 직류전원으로, 예를 들어 니켈-수소, 리튬-이온 2차 전지, 대용량 커패시터 중 어느 하나로 구성될 수 있으며, 충전된 직류전압을 전압변환기(105)를 통해 승압 혹은 감압시켜 제1모터(101) 혹은 제2모터(102)에 공급한다.
또한, 배터리(106)는 전압변환기(105)에서 승압 혹은 감압되어 인가되는 외부 상용전원(300)에 의해 충전된다.
다이오드(107)는 제1다이오드(D1)와 제2다이오드(D2)로 구성되며, 일측 단자 예를 들어 애노드 단자가 제1,제2인버터(101)(102)의 음극단자에 접속되고, 캐소드 단자는 제1,제2모터(101)(102)의 중성점(N1)(N2)과 입력단 릴레이(110)에 각각 연결된다.
충전포트(108)는 외부 상용전원(300)의 충전포트(310)와 접속된다.
커넥터 접속검출기(109)는 충전포트(108)에 상용전원(300)이 접속되는지의 여부를 검출하여 그에 대한 정보를 충전제어기(200)에 제공한다.
상기 커넥터 접속검출기(109)는 충전포트의 커버가 열리는 것을 감지하는 커버 열림 검출기로 적용될 수 있다.
또한, 상기 충전포트(108)에 상용전원(300)이 접속되는지의 정보는 상용전원을 공급하는 충전용 스탠드와 충전포트(108)와의 통신으로 검출될 수 있다.
상기 충전용 스탠드와 충전포트(108)의 통신을 다양한 형태, 예를 들어 CAN 통신, 블루투스 통신 등을 포함하는 유무선 통신으로 접속된다.
상기 커버 열림 검출기는 상용전원(300)이 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)에 전기적으로 연결되기 전에 충전하고자 하는 의도를 충전제어기(200)에 전달할 수 있다.
메인 릴레이(SR1,SR2)는 배터리(105)의 양단에 연결되어 배터리(105)에 입출력되는 전압 및 전류를 단속한다.
입력단 릴레이(110)는 충전포트(108)를 통해 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)으로 공급되는 외부 상용전원(300)을 단속한다.
상기 입력단 릴레이(110)는 제1다이오드(D1)와 제1모터(101)의 중성점(N1)과 연결되는 제1릴레이(SR3)과 제2다이오드(D2)와 제2모터(102)의 중성점(N2)과 연결되는 제2릴레이(SR4), 상기 제1릴레이(SR3)와 병렬로 접속되며 직렬저항(R1)이 연결되는 제3릴레이를 포함한다.
또한, 상기 제2릴레이(SR4)에 직렬저항이 연결되는 제4릴레이를 연결하는 것을 더 포함한다.
상기 입력단 릴레이(110)는 충전제어기(110)의 제어에 따라 온/오프 동작되어 외부 상용전원(300)의 접속이 검출되는 경우 충전제어기(200)의 제어에 따라 직렬저항(R1)이 연결되는 제3릴레이(SR5)과 제2릴레이(SR4)를 연결하여 외부의 상용전압(300)을 저전압의 상태로 DC 링크 커패시터(Cdc)에 공급하여 초기 충전을 실행하고, DC 링크 커패시터(Cdc)가 설정된 전압 이상으로 충전되면 제3릴레이(SR5)를 오프하고, 제1릴레이(SR3)와 제2릴레이(SR4)를 온시켜 정상적인 상용전원(300)의 공급으로 충전을 실행시킨다.
상용전원(300)은 충전포트(310)를 통해 커넥터 접속되어 연결된다.
상용전원(300)은 교류전원을 적용하는 것이 바람직하나 직류전원의 적용도 본 발명의 범위에 포함된다.
충전제어기(200)는 커넥터 접속신호 혹은 충전포트의 커버 열림이 검출되어 배터리(106)의 충전 의도가 인식되면 시스템의 안정화를 위해 입력단 릴레이(110)를 오프 상태로 유지한 상태에서 초기 활성화가 실행한다.
상기 충전제어기(200)는 초기 활성화가 실행되면 입력단 릴레이(110)에서 직렬저항(R1)이 연결되는 제3릴레이(SR5)과 제2릴레이(SR4)를 연결하여 외부의 상용전압(300)을 저전압의 상태로 DC 링크 커패시터(Cdc)에 공급하여 초기 충전을 실행하고, DC 링크 커패시터(Cdc)가 설정된 전압 이상으로 충전되면 제3릴레이(SR5)를 오프하고, 제1릴레이(SR3)와 제2릴레이(SR4)를 온시켜 정상적인 상용전원(300)의 공급으로 충전을 실행시킨다.
상기 충전제어기(200)는 배터리(106)가 만충전되어 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)에 외부의 상용전원(300)이 공급되지 않거나 충전 중에 커넥터(충전 스탠드)가 분리되는 경우 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)를 제어하여 DC 링크 커패시터(Cdc)에 남아 있는 잔여전압을 배터리(106)로 공급하여 배터리(106)의 최대 충전을 유지하고 DC 링크 커패시터(Cdc)를 기준전압 이하로 방전시킨 다음 메인 릴레이(SR1, SR2)를 오프시켜 시스템을 안정되게 유지한다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 구성에서 배터리의 전압으로 제1모터를 구동시켜 엔진을 시동시키는 동작, 엔진의 구동력으로 발전되는 전압을 충전하는 동작, 배터리의 전압으로 제2모터를 구동시켜 하이브리드 자동차를 구동시키는 동작, 회생 제동시 배터리를 충전하는 동작은 통상적인 하이브리드 자동차의 제어 동작과 동일하게 실행되므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명의 제4실시예는 상용전원이 접속되면 초기에는 저전압을 공급하여 DC 링크 커패시터를 초기 충전시키고, 초기 충전이 완료되는 상용전원을 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)에 정상적으로 공급하여 배터리(106)를 충전시키는 기술이므로, 이에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 13는 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드 자동차의 초기 충전제어를 도시한 흐름도이다.
도 13를 참조하면, 본 발명이 적용되는 하이브리드 자동차가 배터리(106)의 충전을 대기하는 상태에서(S701) 충전제어기(200)는 커넥터 접속검출기(109)의 신호를 분석하여 충전포트(108)에 배터리(106)의 충전을 위한 외부의 상용전원(300)이 접속되는지 판단한다(S702).
상기 외부 상용전원(300)의 접속검출은 충전포트의 커버 열림이나 커넥터의 접속, 충전용 스탠드와의 유무선을 이용한 통신으로 검출할 수 있다.
상기 S702의 판단에서 외부 상용전원(300)의 접속이 검출되면 충전제어기(200)의 입력단 릴레이(110)를 모두 오프로 유지한 상태에서 초기 활성화를 실행한다(S703).
이후, 입력단 릴레이(110)의 제2릴레이(SR4)와 직렬저항(R1)이 연결되고 제1릴레이(SR5)에 병렬로 연결되는 제3릴레이(SR3)를 온시켜 상용전원(300)을 저항(R1)을 통해 저전압으로 형성시켜(S705) 제1모터(101)의 중성점(N1)에 공급함으로써, DC 링크 커패시터(Cdc)를 저전류로 순환하는 루프를 형성시켜 DC 링크 커패시터(Cdc)의 초기 충전을 실행한다(S706).
상기한 저전류의 순환으로 초기 충전되는 DC 링크 커패시터(Cdc)의 충전 전압을 검출하여 설정된 일정전압 이상으로 충전되었는지 판단한다(S707).
상기 S707의 판단에서 DC 링크 커패시터(Cdc)가 설정된 일정전압 이상으로 충전되었으면 입력단 릴레이(110)의 제3릴레이(SR5)를 오프시키고 제1릴레이(SR3)와 제2릴레이(SR4)를 온시켜 충전포트(108)에 접속된 외부 상용전원(300)이 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)에 정상적인 전압으로 공급되도록 한다(S708).
따라서, 상용전원(300)의 교류전압 위상(Vs)에 따라 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2), 제1인버터(103)와 제2인버터(104), DC 링크 커패시터(Cdc), 다이오드(107)내의 제1다이오드(D1) 및 제2다이오드(D2)를 경유하는 정상적인 전압의 전원루프를 형성한다.
전압 변환기(105)에 포함되는 DC 링크 커패시터(Cdc)에 전압이 충전되므로, 충전제어기(200)는 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)를 PWM 제어하여 배터리(106)의 충전을 실행한다(S709).
상용전원(300)의 교류전압 위상(Vs)에 따른 전원루프의 형성은 전술한 도 3 및 도 4와 같이 실행되므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 14은 본 발명의 제4실시예에 따른 하이브리드 자동차에서 충전제어를 도시한 흐름도이다.
전술한 바와 같이 입력단 릴레이(110)의 온으로 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)에 외부의 상용전원이 공급되면(S801), 상용전원(300)의 위상(Vs)에 따라 도 3 및 도 4와 같은 전원루프가 형성된다(S802).
따라서, 충전제어기(200)는 충전제어기(200)는 제1모터(101)의 중성점(N1)과 제2모터(102)의 중성점(N2)으로 공급되는 교류전압의 위상(Vs), 전압 충전이 실행되는 DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc), 배터리(106)의 전압(Vb), 배터리(106)의 양단간에 접속되는 평활 커패시터(Cbc)의 전압(Vbc), 인덕터의 전류(IL), 충전전류(Ib)를 측정하여(S803) 충전모드를 결정한다(S804).
상기 충전모드의 결정에서 배터리(106)의 전압이 설정된 기준전압, 예를 들어 80% 이상을 유지하는 전류제어 모드인지를 판단한다(S805).
상기 S805의 판단에서 전류제어 모드가 아니면 전압제어모드로 판정하여 배터리(106)의 양단간에 연결되는 평활 커패시터(Cbc)의 전압(Vbc)이 일정한 전압을 유지하는 전압(Vbc) 지령치를 결정한다(S806).
이후, 상기 S806에서 결정된 전압(Vbc) 지령치로 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)과 제2전력 스위칭소자(S2)의 동작을 PWM 듀티 제어하여 급속 충전을 실행시킨다(S807).
상기 S805의 판단에서 배터리(106)의 충전이 전류제어 모드로 진입이면 측정치 오차를 적용하여 전류(Ib) 지령치를 결정한다(S808).
이후, 결정된 전류(Ib) 지령치로 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)의 동작을 PWM 듀티 제어하여 배터리(106)의 충전 전류량이 전류 지령치를 추종하도록 한다(S809).
상기한 충전에 따라 배터리(106)가 만충전 되었는지 판단하여(S810), 만충전이 이루어지지 않았으면 상기 S808의 과정으로 리턴하여 전술한 과정을 반복하고, 만충전이 이루어졌으면 배터리(106)의 과충전을 방지하기 위하여 충전동작을 종료한다(S811).
도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 하이브리드 자동차의 충전완료제어를 도시한 흐름도이다.
충전제어기(200)는 배터리(106)의 만충전이 검출되거나 상용전원(300)을 연결하는 충전 커넥터 접속(충전 스탠드)의 분리가 검출되는지 판단한다(S901).
상기 S901의 판단에서 배터리(106)의 만충전 혹은 상용전원(300)을 연결하는 충전 커넥터(충전 스탠드)의 분리가 검출되면 입력단 릴레이(110)를 오프시켜 충전포트(108)와 제1모터(101)의 중성점(N1) 및 제2모터(102)의 중성점(N2) 연결을 차단한다(S902).
이후, 전압변환기(105)내의 제1전력 스위칭소자(S1)와 제2전력 스위칭소자(S2)를 PWM 듀티 제어하여 DC 링크 커패시터(Cdc)에 남아 있는 잔여전압을 배터리(106)로 공급하여 배터리(106)의 최대 충전을 유지시킴과 동시에 DC 링크 커패시터(Cdc)를 기준전압 이하로 방전시킨다(S903).
DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc)을 측정하여(S904) 설정된 전압 이하의 상태로 방전되었는지를 판단한다(S905).
상기 S905의 판단에서 DC 링크 커패시터(Cdc)의 전압(Vdc)이 설정된 기준전압 이하로 방전되지 않았으면 상기 S903의 과정으로 리턴되어 방전 제어를 지속하고, 기준전압 이하로 방전되었으면 충전제어기(200)는 배터리(106)의 양단간에 설치되어 배터리(106)의 입출력 전압을 단속하는 메인 배터리(SR1,SR2)를 오프하여 시스템을 안정되게 유지한 다음(S220) 충전동작을 완료한다(S906).
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 제4실시예는 더블 모터 시스템을 갖는 하이브리드 자동차에서 배터리 충전을 위한 상용전원이 접속되면 입력단 릴레이를 통해 저전류를 공급하여 DC 링크 커패시터의 충전을 실행함으로써, 돌입전류에 의한 시스템 파손을 방지하여 시스템의 안정화를 제공한다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 추가, 삭제 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 포함된다고 할 것이다.
101 : 제1모터 102 : 제2모터
103 : 제1인버터 104 : 제2인버터
105 : 전압변환기 106 : 배터리
107 : 다이오드 108 : 충전포트
109 : 커넥터 접속 검출기 110 : 입력단 릴레이

Claims (14)

  1. 직류전압을 출력하거나 저장하는 배터리; 전동기 또는 발전기로 동작하는 제1,2모터; 제1,2모터를 구동시키는 제1,2인버터; 상기 배터리로부터의 직류전압을 승압 또는 감압하여 제1,2인버터에 공급하고, 상기 제1,2인버터로부터의 직류전압을 감압 또는 승압하여 상기 배터리측으로 공급하는 전압변환기; 상기 전압변환기와 제1,제2인버터를 연결하는 DC 링크 커패시터의 전압, 평활 커패시터의 전압, 배터리의 전류, 전압변환기의 전류를 측정하고, 배터리 충전모드에 따라 전압변환기의 IGBT PWM 듀티를 제어하여 DC 링크 커패시터 전압을 배터리로 감압 또는 승압 공급하여 배터리 충전을 제어하는 충전제어기를 포함하는 하이브리드 자동차의 충전장치에 있어서,
    애노드 단자가 제1,제2인버터의 DC 음극단자에 접속되고, 캐소드 단자는 상용전원과 제1,제2모터의 중성점에 병렬로 접속되는 제1다이오드 및 제2다이오드;
    를 포함하고,
    상기 충전제어기는 제1,2인버터를 구성하는 IGBT를 별도로 제어하지 않고 항시 오프 상태로 유지하여 제1,2인버터를 구성하는 IGBT의 프리 휠링 다이오드와 제1,제2모터의 중성점과 병렬로 접속되는 제1다이오드 및 제2다이오드를 통해서 AC전원이 정상 교체되어 DC 링크 커패시터에 (+)의 전압이 축적되도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 충전장치.
  2. 삭제
  3. 외부 교류 전원을 측정하여 교류전원의 위상이 양의 값이면 제1인버터의 상측 IGBT들을 온 시키고, 제1인버터의 하측 IGBT들 및 제2인버터 모든 IGBT를 오프시켜, 교류 전원에서 나온 전류가 제1인버터의 상측 IGBT와 전압변환기내의 DC 링크, 제1,2인버터의 음극단자에 연결되는 다이오드를 통해 교류 전원으로 연결되는 루프를 형성하고,
    교류전원의 위상이 음의 값이면 제2인버터의 상측 IGBT들을 온시키고, 제2인버터의 하측 IGBT들 및 제1인버터 모든 IGBT를 오프시켜, 교류 전원에서 나온 전류가 제2인버터의 상측 IGBT와 전압변환기내의 DC 링크, 제1,2인버터의 음극단자에 연결되는 다이오드를 통해 교류 전원으로 연결되는 루프를 형성하여, DC링크 커패시터에 (+)의 전압이 축적되도록 하는 인버터 스위치를 제어하는 하이브리드 자동차의 충전방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 직류전압을 출력하거나 저장하는 배터리; 전동기 또는 발전기로 동작하는 제1모터; 발전기 또는 전동기로 동작하는 제2모터; 제1모터를 구동시키는 제1인버터; 제2모터를 구동시키는 제2인버터; 배터리로부터의 직류전압을 승압 또는 강압하여 제1인버터 및 제2인버터로 공급하고 제1인버터 및 제2인버터로부터의 직류전압을 감압 또는 승압하여 배터리에 공급하는 전압변환기; 전압변환기의 감압 또는 승압 동작을 제어하는 충전제어기를 포함하는 하이브리드 자동차의 충전장치에 있어서,
    애노드 단자가 제1,2인버터의 DC 음극단자에 접속되고, 캐소드 단자는 상용전원과 제1,2모터의 중성점에 병렬로 접속되는 제1,2다이오드;
    상용전원의 접속의도를 검출하는 접속검출기;
    충전포트와 제1,2모터의 사이에 설치되어 상기 충전제어기의 제어에 따라 제1,2모터의 중성점으로 공급되는 상용전원을 단속하는 입력단 스위치;
    를 포함하고,
    상기 입력단 스위치는 제1다이오드와 제1모터의 중성점과 연결되는 제1릴레이;
    제2다이오드와 제2모터의 중성점과 연결되는 제2릴레이;
    상기 제1릴레이와 병렬로 접속되며 직렬 저항과 연결되는 제3릴레이;
    상기 제2릴레이와 병렬로 접속되며 직렬 저항과 연결되는 제4릴레이;
    를 포함하며,
    상기 충전제어기는 접속검출기로부터 상용전원의 접속의도가 검출되면 상용전원이 제1모터 또는 제2모터에 전기적으로 연결되기 전에 충전제어기를 포함한 제어기들을 활성화하고,
    상기 입력단 스위치를 온시키기 이전에 상기 전압변환기를 제어하여 배터리의 전압으로 DC링크 커패시터를 초기 충전하며,
    상기 DC링크 커패시터의 초기 충전이 완료되면 상기 입력단 스위치의 제3릴레이와 제4릴레이를 온시켜 직렬저항, 제3릴레이 및 제4릴레이, 제1,2인버터, 제1,2다이오드로 연결되는 루프를 형성시켜 DC링크 커패시터를 충전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 충전장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제9항에 있어서,
    상기 입력단 스위치는 제1다이오드와 제1모터의 중성점과 연결되는 제1릴레이;
    제2다이오드와 제2모터의 중성점과 연결되는 제2릴레이;
    상기 제1릴레이와 병렬로 접속되며 직렬 저항과 연결되는 제3릴레이;
    를 포함하고,
    상기 DC링크 커패시터의 초기 충전이 완료되면 상기 충전제어기의 제어에 ㄸ따라 상기 제2릴레이와 상기 제3릴레이가 온되어 직렬저항, 제3릴레이 및 제2릴레이, 제1,2인버터, 제1,2다이오드를 통해 DC링크 커패시터를 충전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차의 충전장치.
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