KR101507862B1 - 전기자동차 구동장치 - Google Patents

전기자동차 구동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차 구동장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, ISG의 발전전압을 제어할 수 있고, 별도의 컨버터를 사용하지 않고도 서로 다른 충전전압을 갖는 복수의 배터리를 선택적으로 충전할 수 있으며, 무게 및 부피를 줄이고, 공간활용도를 높일 수 있는 전기자동차 구동장치에 관한 것이다.

Description

전기자동차 구동장치{Driving apparatus for electric vehicle}
본 발명은 전기자동차 구동장치에 관한 것이다.
최근 세계적인 환경규제 강화 및 에너지 비용 절감 추세에 따라 환경 친화적인 전기자동차(EV: Electric Vehicle)에 대한 요구가 증가 되고 있다. 미국과 유럽의 경우 대기보존법 제정에 의하여 전기자동차의 보급이 의무화되고 있는 상황이며, 국내에서도 저탄소 녹색성장의 일환으로 그린카(Green car, 친환경 자동차)에 대한 관심과 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 전기 자동차에는 자동차의 구동을 위한 구동모터 및 각종 전장 장치를 작동시키기 위하여 배터리가 장착되며, 여름철 냉방 또는 겨울철 난방을 위한 공기조화장치가 장착된다.
또한, 전기 자동차에는 통상 엔진의 시동 및 구동모터를 회전시키기 위한 IGS(Integrated Starter Generator)가 마련된다. 상기 IGS는 모터를 회전시키기 위한 모터링 모드와 소정의 출력전압을 발전시키기 위한 발전 모드로 동작한다.
또한, 상기 전기 자동차에는 서로 다른 충전전압을 갖는 복수의 배터리가 마련될 수 있다. 이때, 각 배터리는 상기 IGS의 발전 모드를 통해 충전될 수 있다.
여기서 상기 ISG는 통상 높은 출력전압을 발전시키도록 구성됨에 따라 고전압 배터리의 경우 ISG의 출력전압을 통해 충전될 수 있으나, 저전압 배터리의 경우 ISG의 출력전압을 통해 충전이 불가능하며, 별도의 DC-DC 컨버터가 요구된다. 즉, 상기 DC-DC 컨버터는 ISG의 높은 출력전압을 저전압 배터리의 충전전압으로 낮추는 기능을 수행한다.
그러나, 상기 DC-DC 컨버터는 무게가 무겁고, 부피가 커서 전기자동차의 중량을 증가시키거나, 내부 공간활용도를 떨어뜨리는 문제를 발생시키며, 나아가 전기자동차의 효율을 떨어뜨리게 된다.
따라서, 서로 다른 충전전압을 갖는 복수의 배터리가 마련되는 경우에도 별도의 DC-DC 컨버터 없이도 단일의 ISG를 통해 각각의 배터리를 충전시킬 수 있는 구조가 요구된다.
이상과 같은 본 발명의 배경이 되는 기술은 한국 공개특허공보 제10-2012-0116722호에 기재되어 있다.
본 발명은 ISG의 발전전압을 제어할 수 있는 전기자동차 구동장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 별도의 컨버터를 사용하지 않고도 서로 다른 충전전압을 갖는 복수의 배터리를 선택적으로 충전할 수 있는 전기자동차 구동장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 엔진이 정지한 상태에서 어느 한 배터리를 통해 나머지 배터리를 충전시킬 수 있는 전기자동차 구동장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 무게 및 부피를 줄이고, 공간활용도를 높일 수 있는 전기자동차 구동장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 계자 코일이 권선된 로터 및 전기자 코일이 권선된 스테이터를 포함하는 모터;와 상기 로터를 선택적으로 회전시키기 위한 엔진;과 상기 모터를 구동시키거나 상기 모터에 의하여 충전 가능한 제1 배터리;와 상기 모터에 의하여 충전 가능하고, 제1 배터리와 다른 충전전압을 갖는 제2 배터리; 및 상기 엔진의 구동상태, 제1 배터리 및 제2 배터리의 잔량 중 적어도 하나 이상에 기초하여, 상기 계자 코일로 인가되는 계자전류값을 조절함으로써 상기 제1 배터리 또는 상기 제2 배터리를 선택적으로 충전시키기 위한 모터 제어부를 포함하는 전기자동차 구동장치가 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치는 ISG의 발전전압을 제어할 수 있고, 이에 따라 별도의 컨버터를 사용하지 않고도 서로 다른 충전전압을 갖는 복수의 배터리를 선택적으로 충전할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치는 엔진이 정지한 상태에서 어느 한 배터리를 통해 나머지 배터리를 충전시킬 수 있고, 무게 및 부피를 줄이며, 공간활용도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예들에 적용될 수 있는 모터의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관려된 전기자동차 구동장치를 구성하는 모터 제어부의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치를 나타내는 회로도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 전기자동차 구동장치의 작동상태를 설명하기 위한 회로도들이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치를 나타내는 회로도이다.
도 7a 내지 도 7d는 도 6에 도시된 전기자동차 구동장치의 작동상태를 설명하기 위한 회로도들이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치를 나타내는 회로도이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 8에 도시된 전기자동차 구동장치의 작동상태를 설명하기 위한 회로도들이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차 구동장치(이하, 구동장치라고도 함)를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
한편, 제 1 또는 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의해 한정되지 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별시키는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치(100)의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예와 관련된 구동장치(100)는 모터(1)와 엔진(110)과 제1 배터리(140)와 제2 배터리(150) 및 모터 제어부(130)를 포함한다.
상기 모터(1)는 계자 코일이 권선된 로터(20)와 전기자 코일이 권선된 스테이터(10)를 포함하며, 구체적으로 계자권선 모터일 수 있다.
또한, 상기 구동장치(100)는 상기 모터(1), 구체적으로 상기 모터(1)의 스테이터(10) 측과 전기적으로 연결된 인버터(120)를 포함한다.
여기서 상기 인버터(120)는 상기 모터(1)의 스테이터(10) 측과 전기적으로 연결되고, 상기 모터 제어부(130)는 상기 모터(1)의 로터(20) 측과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 모터(1)는 엔진 시동, 토크 어시스트 등의 모터링 모드(Motering mode)와 소정의 출력전압을 발생시키기 위한 발전 모드(Generating mode)로 작동할 수 있다. 따라서, 상기 모터(1)는 전기자동차용 구동모터 또는 ISG(Integrated Starter Generator)라 지칭될 수 있다.
이때, 발전 모드에서, 상기 모터(1)는 출력전압을 이용하여 전술한 제1 배터리(140)와 제2 배터리(150)를 선택적으로 충전할 수 있다. 또한, 상기 모터(1)는 상기 엔진(110)에 의하여 회전됨으로써 발전 모드로 작동할 수 있다.
상기 엔진(110)은 상기 모터를 회전시키며, 구체적으로, 상기 엔진(110)은 상기 로터를 선택적으로 회전시킨다. 또한, 상기 엔진(110)과 상기 모터(1) 사이에는 회전력을 선택적으로 전달하기 위한 클러치가 마련될 수 있다.
또한, 상기 제1 배터리(140)는 상기 모터(1)를 구동시키거나, 상기 모터(1)에 의하여 충전 가능하다.
또한, 상기 제2 배터리(150)는 상기 모터(1)에 의하여 충전 가능하고, 제1 배터리(140)와 다른 충전 전압을 갖는다. 예를 들어, 제2 배터리(150)는 12V배터리일 수 있고, 제1 배터리(140)는 제2 배터리(150)보다 높은 충전전압을 갖는 고전압 배터리일 수 있다.
한편, 상기 모터 제어부(130)는 상기 엔진(110)의 구동상태, 제1 배터리(140) 및 제2 배터리(150)의 잔량 중 적어도 하나 이상에 기초하여, 상기 계자 코일로 인가되는 계자전류값을 조절함으로써 상기 제1 배터리(140) 또는 상기 제2 배터리(150)를 선택적으로 충전하도록 제어한다.
상기 엔진(110)의 구동상태는 상기 엔진(110)의 온/오프 상태 및 상기 엔진의 회전수(RPM)를 포함할 수 있다.
이를 위하여, 상기 구동장치(100)는 상기 모터(1)의 출력 전압단과 제1 배터리(140) 사이에 마련되는 제1 스위치(161)와 상기 모터(1)의 출력 전압단과 제2 배터리(150) 사이에 마련되는 제2 스위치(162)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 모터(1)의 출력 전압단은 상기 인버터(120) 측에 마련될 수 있고, 제1 배터리(140)로 상기 모터(1)에 전원을 공급하는 경우, 상기 출력 전압단은 입력 전압단으로 지칭될 수 있다.
이하, 본 문서에서 상기 모터(1)를 통해 제1 또는 제2 배터리(140, 150)를 충전하는 경우, 인버터(120)와 각 배터리를 전기적으로 연결하는 구성요소(170)를 출력 전압단으로 지칭하고, 제1 배터리(140)를 통해 상기 모터(1)를 구동시키는 경우, 인버터(120)와 제1 배터리(140)를 전기적으로 연결하는 구성요소(170)를 입력 전압단으로 지칭한다.
또한, 상기 제1 배터리(140)와 제2 배터리(150)는 상기 모터의 출력 전압단(170)에 대하여 병렬로 각각 연결될 수 있다.
일 실시태양으로, 제1 배터리(140)의 충전 잔량이 부족함에 따라 제1 배터리(140)를 충전하는 경우 상기 모터 제어부(130)는, 상기 제1 스위치(161)를 온(On) 시키고, 제2 스위치(162)를 오프(Off) 시킬 수 있다.
여기서, 상기 모터 제어부(130)는 상기 모터(1)의 스테이터의 출력 전압이 제1 배터리(140)의 충전전압 이상이 되도록 계자전류값을 제어할 수 있다.
이와는 다르게, 제2 배터리(150)의 충전 잔량이 부족함에 따라 제2 배터리(150)를 충전하는 경우 상기 모터 제어부(130)는, 상기 제1 스위치(161)를 오프 시키고, 제2 스위치(162)를 온 시킬 수 있다.
여기서, 상기 모터 제어부(130)는 상기 모터(1)의 스테이터(10)의 출력 전압이 제2 배터리(150)의 충전전압 이상이 되도록 계자 전류값을 제어할 수 있다.
즉, 상기 모터 제어부(130)는 계자 전류값을 제어함으로써 상기 모터(1)가 서로 다른 출력전압을 발전시킬 수 있도록 제어한다.
이를 위하여, 상기 모터 제어부(130)에는 상기 스테이터(10)의 출력 전압과 상기 스테이터(10)의 출력 전압에 대응되는 계자 전류값이 각각 마련될 수 있으며, 구체적으로, 상기 스테이터(10)의 출력 전압과 상기 스테이터(10)의 출력 전압에 대응되는 계자 전류값이 룩업 테이블로 마련될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 상기 모터 제어부(130)는, 전기자 코일과 전기적으로 연결된 인버터 회로와 상기 계자 코일과 전기적으로 연결된 계자 전류 제어기(132)를 포함할 수 있다.
여기서 상기 모터제어부(130)는 상기 모터(1)에 일체로 마련될 수 있다. 구체적으로, 상기 모터(1)와 상기 인버터(120) 및 상기 모터 제어부(130)는 일체로 마련될 수 있다. 이러한 경우, 전기자동차 내 공간 확보에 유리한 장점이 있다.
아울러, 상기 모터(1)를 냉각시키기 위한 냉각수를 통해 상기 모터 제어부(130)의 냉각이 이루어질 수 있으며, 이에 따라 모터 제어부(130) 및 인버터(120)의 냉각 효율을 높일 수 있다.
이와는 다르게, 상기 인버터(120)와 상기 모터 제어부(130)를 일체로 형성하고, 상기 인버터(120) 및 상기 모터 제어부(130)와 상기 모터(1)는 분리된 상태로 전기자동차 내부에 각각 마련될 수 있다. 이러한 경우, 상기 인버터(120) 및 상기 모터 제어부(130)와 상기 모터(1)는 각각 케이블(C)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 모터(1) 및 모터 제어부(130)를 차례로 설명한다.
도 2은 본 발명에 따른 실시예들에 적용될 수 있는 전기자동차용 구동모터(1)의 일 실시예를 도시한 분해 사시도이다. 구체적으로는 계자권선 모터(1)의 일실시예를 도시하고 있다.
상기 모터(1)는 스테이터(10, 고정자)와 로터(20, 회전자)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 로터(20)는, 상기 스테이터(10)와의 전자기 작용을 통해, 상기 스테이터(10)에 대해서 회전하게 된다.
상기 스테이터(10)는 스테이터 코어(11)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 스테이터(10)는 자속을 형성하기 위하여 스테이터 코일(12)을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 스테이터 코일(12)은 상기 스테이터 코어(11)에 권선된다. 따라서, 상기 스테이터(10)는 전자석이라 할 수 있다.
상기 로터(20)는 상기 스테이터(10)의 내측에서 회전되도록 구비될 수 있다.
상기 로터(20)는 로터 코어(21)를 포함하여 이루어질 수 있다. 아울러, 상기 로터(20)는 상기 로터 코어(21)에 권선된 로터 코일(22)을 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 로터 코일(22)을 계자 코일이라 할 수 있고, 상기 스테이터 코일(12)을 전기자 코일이라 할 수 있다. 따라서, 상기 계자 코일과 전기자 코일에 각각 인가되는 계자전류값과 전기자전류값을 통하여 상기 로터(20)의 출력을 제어할 수 있게 된다.
또한, 전술한 바와 같이, 상기 모터(1)가 제1 배터리(140) 또는 제2 배터리(150)를 충전하기 위한 발전 모드로 작동하는 경우, 상기 모터 제어부(130)는 상기 계자 코일에 인가되는 계자 전류값을 조절하여 상기 전기자 코일을 통한 출력전압을 제어할 수 있다.
상기 로터(20)는 회전축(30)과 연결되며, 상기 회전축(30)은 미도시된 자동차의 구동축과 연결될 수 있다. 따라서, 로터(20)의 토크와 회전수는 상기 회전축(30)을 통해 전기자동차의 구동축으로 전달될 수 있다. 일 실시태양으로, 회전축(30)과 구동축의 연결을 위해, 상기 회전축(30)에는 중공(31)이 형성될 수 있다. 상기 중공(31)에 구동축을 삽입함으로써 양자의 연결이 이루어질 수 있다.
상기 로터(20)의 전후에는 각각 엔드 플레이트(51, 52)가 구비될 수 있다. 이를 통해, 계자 코일(22)이 안정적으로 고정될 수 있다. 즉, 상기 엔드 플레이트(51, 52)를 통해서, 상기 계자 코일(22)이 회전함에도 불구하고, 안정적으로 로터 코어(21)에 고정될 수 있다.
상기 스테이터(10)와 로터(20)의 전후방에는 각각 전방 브라켓(61)과 후방 브라켓(62)이 구비될 수 있다. 아울러, 상기 스테이터(10)와 로터(20)를 둘러싸도록 프레임(80)이 구비될 수 있다. 상기 브라켓들과 프레임 내부에 상기 스테이터(10)와 로터(20)가 구비될 수 있다.
상기 회전축(30)의 전방에는 전방 베어링(63)이 구비되고, 후방에는 후방 베어링(64)이 구비될 수 있다. 그리고, 이러한 베어링들을 통해 상기 로터(20)와 회전축(30)이 상기 브라켓들에 대해서 회전 가능하게 지지될 수 있다. 상기 베어링들은 각각 상기 브라켓들에 지지된다. 따라서, 이러한 브라켓들(61, 62)을 베어링 하우징이라 할 수도 있을 것이다.
상기 스테이터(10)는 상기 프레임(80)의 내측에 안정적으로 고정될 수 있다. 아울러, 상기 프레임(80)의 양측은 각각 전방 브라켓(61)과 후방 브라켓(62)와 결합될 수 있다.
모터의 과열을 방지하기 위한 구성으로 냉각 튜브(90)가 구비될 수 있다. 상기 냉각 튜브(90)는 코일 형태로 구비될 수 있으며, 상기 스테이터(10)와 프레임(80) 사이에 개재될 수 있다. 따라서, 냉각 튜브(90)를 통해 냉각수가 흐름에 따라 직접 스테이터(10)와 프레임(80)을 냉각시키는 것이 가능할 수 있다. 즉, 생각 냉각 튜브(90)가 상기 스테이터(10)와 직접 접촉되어 열전도에 의한 냉각이 가능할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 냉각 튜브(90)를 연장하여, 상기 인버터(120)와 상기 모터 제어부(130)를 함께 냉각할 수도 있다.
아울러, 상기 모터(1) 내부, 구체적으로는 프레임(80)과 브라켓들로 이루어지는 내부 공간의 공기 유동을 일으키기 위한 공기유동장치가 구비될 수 있다. 상기 공기유동장치는 팬 또는 블레이드(41, 42) 형태로 구비될 수 있다. 상기 블레이드는 회전축(30)과 결합되어 회전축의 회전과 함께 회전하도록 할 수 있다. 아울러, 회전축(30)의 전방과 후방에 각각 구비될 수도 있다.
상기 후방 브라켓(62)의 외부에는 한쌍의 슬립링(70)과 한쌍의 브러시(71)가 구비될 수 있다. 상기 슬립링(70)은 상기 회전축(30)에 결합되며, 상기 슬립링(70)을 통해 계자전류가 상기 계자 코일(22)에 흐르게 된다.
즉, 상기 슬립링(70)과 브러시(71)는 회전하는 계자 코일(22)에 로터(20) 외부로부터 계자전류가 흐를 수 있도록 하는 구성이라 할 수 있다. 다시 말하면, 상기 계자전류는 직류 전원(예를 들어 제1 배터리(140)))으로부터 상기 브러시(71)와 슬립링(70)을 통하여 공급될 수 있다.
한편, 상기 후방 브라켓(62)은 상기 냉각 코일(90)로 냉각수를 공급하는 유입구(91)와 냉각수가 회수되는 유출구(92)를 고정하거나 외부와 연결하도록 형성될 수 있다. 아울러, 전기자전류를 공급하기 위한 연결부가 상기 후방 브라켓(62)에 마련될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관려된 전기자동차 구동장치를 구성하는 모터 제어부(130)의 구성도이다.
상기 모터(1)는 제1 배터리(140)를 통해 직류 전원을 공급받는다. 구체적으로, 계자 코일(로터 코일, 22)과 전기자 코일(스테이터 코일, 12)은 서로 병렬로 연결될 수 있다.
계자 코일로 인가되는 계자전류값과 전기자 코일로 인가되는 전기자전류값은 모터 제어기(131)를 통해 결정될 수 있다. 상기 모터 제어기(130)를 통해 결정된 계자전류값은 계자 전류 제어기(132)를 통해 계자 코일(22)로 인가될 수 있다. 아울러, 모터 제어기(131)를 통해 결정된 전기자전류값은 인버터회로(133)를 통해 전기자 코일(12)로 인가될 수 있다.
상기 모터 제어기(131), 계자전류 제어기(132), 그리고 인버터 회로(133) 등은 하나의 모듈로 마련될 수 있다. 즉, 이들 모두를 모터 제어부(130)라 할 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치(100)를 나타내는 회로도이며, 도 5a 내지 도 5c는 도 4에 도시된 전기자동차 구동장치의 작동상태를 설명하기 위한 회로도들이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치(100)는 엔진의 구동상태, 제1 배터리(140) 및 제2 배터리(150)의 잔량 중 적어도 하나 이상에 기초하여, 상기 계자 코일(22)로 인가되는 계자전류값을 조절함으로써 상기 제1 배터리(140) 또는 상기 제2 배터리(150)를 선택적으로 충전시키기 위한 모터 제어부(130)를 포함한다.
제1 실시예에서, 상기 제1 배터리(140)와 제2 배터리(150)는 상기 모터(1)의 출력 전압단(170)에 대하여 병렬로 연결되고, 상기 모터(1)의 출력 전압단(170)과 제1 배터리(140) 사이에 제1 스위치(161)가 마련되며, 상기 모터(1)의 출력 전압단(170)과 제2 배터리(150) 사이에 제2 스위치(162)가 마련된다.
특히, 상기 모터 제어부(130)는 모터(1)에서 생성되는 발전전압을 계자 전류값 제어와 스위치 제어를 통해 2개의 배터리 중 하나의 배터리를 선택하여 충전하도록 제어한다. 또한, 충전될 배터리는 제1 배터리(140)와 제2 배터리(150)의 충전 잔량에 기초하여 결정될 수 있다.
도 5a는 모터(1)의 모터링 동작 시 스위치 제어 및 전류 방향을 나타내는 회로도이다.
도 5a를 참조하면, 계자권선 모터(1)의 모터링 동작이 요구될 경우, 상기 모터 제어부(130)는 제1 스위치(161)를 온 시키고, 제2 스위치(162)를 오프 시킨다.
또한, 상기 모터 제어부(130)는 상기 제1 배터리(140, 고전압 배터리)로 상기 모터(1)를 동작시킴으로써, 상기 모터(1)는 엔진(110)을 구동시키거나 구동 토크를 보조할 수 있다.
구체적으로, 엔진(110) 시동 시 및 저속 토크 보조 시, 제1 배터리(140)로부터 인버터(120)에 전원을 입력하여 로터(20)와 스테이터(10) 측으로 각각 전류를 공급함으로써 상기 모터(1)를 구동시킬 수 있다.
도 5b는 제1 배터리(140)의 충전시 스위치 제어 및 전류 방향을 나타내는 회로도이다.
도 5b를 참조하면, 상기 모터 제어부(130)는 제1 배터리(140) 및 제2 배터리(150)의 충전 잔량이 부족하여 상기 모터(1)를 발전 모드로 작동시키는 경우, 제1 배터리(140) 및 제2 배터리(150)의 충전 잔량을 각각 확인할 수 있다.
여기서 제1 배터리(140)를 충전하는 경우 모터 제어부(130)는, 상기 제1 스위치(161)를 온 시키고, 제2 스위치(162)를 오프 시킬 수 있다. 또한, 상기 모터 제어부(130)는 스테이터(10)의 출력 전압이 제1 배터리(140)의 충전전압 이상이 되도록 계자전류값을 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 모터 제어부(130)에는 상기 스테이터의 출력 전압과 상기 스테이터의 출력 전압에 대응되는 계자 전류값이 각각 마련될 수 있다.
즉, 상기 모터 제어부(130)는 상기 모터(1)의 발전 전압이 상기 제1 배터리(140) 전압으로 유지되도록 상기 계자 전류값을 제어하여 상기 제1 배터리(140)를 충전시킬 수 있다.
또한, 상기 모터 제어부(130)는 엔진(110)이 상기 모터(1)를 회전시키는 상태, 구체적으로 상기 엔진(110)이 상기 모터(1)의 로터(20)를 회전시키는 상태에서 상기 제1 배터리(140)가 충전되도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 엔진(110)이 동작하여 벨트를 통해 회전자(20)가 회전중인 상태에서, 제1 배터리(140) 충전시, 제1 스위치(161)을 켜고, 제2 스위치(162)를 끈다.
이때 초기에 제1 배터리(140)로부터 회전자(20)에 전류가 전달됨으로써 회전자(20)를 자석화시켜 발전하며, 발전된 전압이 제1 배터리(140)를 충전시킬 수준이 되면(예를 들어, 48V) 제1 배터리(140)의 충전이 시작된다. 즉, 초기 기동 또는 충전 모드에서 일정 시간 제1 배터리(140)를 통해 상기 로터(20)로 전류가 공급될 수 있다.
즉, 상기 모터 제어부(130)는 상기 제1 배터리(140)를 충전하기 위하여 제1 배터리(140)를 통해 계자 코일(22)로 전류를 인가할 수 있다.
이때 상기 모터 제어부(130)는 회전자(20)의 전류(계자 전류)를 조절하여 발전전압이 48V가 되도록 계자전류 제어기(132)를 통해 제어를 한다. 이후 회전자(20)의 입력전류는 고정자(10)로부터 발전되는 일부의 전류를 받아 자여자 발전을 수행할 수 있다.
한편, 상기 모터 제어부(130)는, 상기 스위치를 전환하는 경우 상기 계자 코일로 인가되는 전류 공급을 차단시킬 수 있다. 즉, 스위치는 계자 코일(22)에 전류 공급을 차단시킴으로써 일정 이하의 전류가 흐를 때 전환될 수 있다.
도 5b는 제2 배터리(150)의 충전시 스위치 제어 및 전류 방향을 나타내는 회로도이다.
도 5c를 참조하면, 제2 배터리(150, 저전압 배터리)의 충전이 필요한 경우, 상기 모터 제어부(130)는, 상기 제2 스위치(162)를 온 시키고, 상기 제1 스위치(161)를 오프 시킨다. 상기 모터 제어부(130)는 스테이터(10)의 출력 전압이 제2 배터리(150)의 충전전압(예를 들어, 12V) 이상이 되도록 계자 전류값을 제어할 수 있다.
즉, 상기 모터 제어부(130)는 상기 모터(1)의 발전 전압을 12V로 유지되도록 상기 계자 전류를 제어하여 제2 배터리(150)를 충전하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 모터 제어부(130)는 엔진(110)이 상기 모터(1)를 회전시키는 상태, 구체적으로 상기 엔진(110)이 상기 모터(1)의 로터(20)를 회전시키는 상태에서 상기 제2 배터리(150)가 충전되도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 엔진(110)이 동작하여 벨트를 통해 모터(10)의 회전자(20)가 회전중인 상태에서, 제2 배터리(150) 충전시, 제1 스위치(161)를 끄고, 제2 스위치(162)를 켠다.
한편, 초기에 제1 배터리(140)로부터 회전자(20)에 전류가 전달됨으로써 회전자(20)를 자석화시켜 발전하며, 발전된 전압이 제2 배터리(150)를 충전시킬 수준이 되면(12V) 제2 배터리(150)의 충전이 시작된다.
이때 상기 모터 제어부(130)는 회전자(20)의 계자전류를 조절하여 발전전압이 12V가 되도록 계자 전류 제어기(132)를 통해 제어를 한다. 이후 회전자(20) 입력전류는 고정자(10)로부터 발전되는 일부의 전류를 받아 자여자 발전을 수행할 수 있다.
정리하면, 상기 모터 제어부(130)는 제2 배터리(150)를 충전하기 위하여 제1 배터리(140)를 통해 계좌 코일(22)로 전류를 인가한다.
또한, 상기 모터 제어부(130)는 상기 제2 배터리(150)를 충전하기 위하여 소정 시간 동안 제1 배터리(140)를 통해 계자 코일(22)로 전류를 인가한 후, 소정 시간이 경과하면 상기 계자 코일(22)로 전류가 인가되지 않도록 제어할 수 있다.
즉, 상기 모터 제어부(130)는 소정 시간이 경과하면 전기자 코일로부터 발전된 전류의 일부가 상기 계좌 코일(22)로 전달되도록 제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치(200)를 나타내는 회로도이고, 도 7a 내지 도 7d는 도 6에 도시된 전기자동차 구동장치의 작동상태를 설명하기 위한 회로도들이다.
도 6을 참조하면, 제2 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치(200)에서는 상기 계자 코일(22)의 출력 전압단과 상기 전기자 코일의 출력 전압단 사이에 제1 스위치(261)가 마련되고, 상기 모터의 출력 전압단(270)과 제2 배터리(250) 사이에 제2 스위치(262)가 마련될 수 있다.
즉, 제2 실시예에서는 제1 실시예와 비교하여 제1 스위치(261)의 위치가 달라진다.
도 7a는 모터(1)의 모터링 동작시 스위치 제어 및 전류 방향을 나타내는 회로도이다.
계자권선 모터(1)의 모터링 동작이 요구될 경우, 상기 모터 제어부(230)는 제1 스위치(261)를 온 시키고, 제2 스위치(262)를 오프 시킨다.
또한, 상기 모터 제어부(230)는 상기 제1 배터리(240)로 상기 모터(1)를 동작시킴으로써, 상기 모터(1)는 엔진(110)을 구동시키거나 구동 토크를 보조할 수 있다.
도 7b는 제1 배터리(240) 충전시 스위치 제어 및 전류 방향을 나타내는 회로도이다.
엔진이 로터를 회전시키는 상태에서 제1 배터리(240)를 충전하는 경우, 상기 모터 제어부(230)는 상기 제1 스위치(261)를 온 시키고, 스테이터의 출력 전압이 제1 배터리(240)의 충전전압 이상이 되도록 계자 전류값을 제어할 수 있다.
도 7c는 제2 배터리(250) 충전시 스위치 제어 및 전류 방향을 나타내는 회로도이다.
엔진이 로터를 회전시키는 상태에서 제2 배터리(250)를 충전하는 경우, 상기 모터 제어부(230)는, 상기 제2 스위치(262)를 온 시키고, 스테이터의 출력 전압이 제2 배터리(250)의 충전전압 이상이 되도록 계자전류값을 제어할 수 있다.
도 7d는 제2 배터리의 비상 충전시 스위치 제어 및 전류 방향을 나타내는 회로도이다.
지금까지는 모터(1)를 발전 모드로 작동시키기 위하여, 상기 엔진의 회전력을 통해 상기 모터가 회전되는 실시예를 설명하였으나, 제2 실시예와 관련된 구동장치(200)에서는 엔진이 작동하지 않는 상태에서도 제2 배터리(250)를 충전할 수 있다.
엔진이 작동하지 않는 상태에서 제2 배터리(250)를 충전하는 경우, 상기 모터 제어부(230)는, 제2 스위치(262)를 온 시키고, 제1 스위치(261)를 오프시킨다.
또한, 상기 모터 제어부(230)는 제1 배터리(240)를 통해 전기자 코일로 전류를 인가하고, 전기자 코일로부터 계자 코일(22)로 전류를 유기시킴으로써 제2 배터리(250)가 충전되도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 시동이 꺼진 상태에서 제2 배터리(250, 저전압 배터리)가 방전된 경우, 비상시 충전 방법으로 상기 모터 제어부(230)는 제1 스위치(261)를 끄고, 제2 스위치(262)를 켠다.
이후 제1 배터리(240, 고전압 배터리)로부터 고정자에 교류 전류가 흘러(1상) 계자권선 모터를 변압기의 원리로 회전자 권선쪽에 전류를 유기시킨다. 회전자에 전달된 전류가 정류기(280)를 통해 DC로 정류됨으로써 제2 배터리(250)를 충전시킬 수 있다. 또한, 로터도 정지시킨 후, 전기자 코일하고 계자 코일이 트랜스포머의 역할을 하면서 제2 배터리(250)를 충전시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치(300)를 나타내는 회로도이고, 도 9a 내지 도 9d는 도 8에 도시된 전기자동차 구동장치의 작동상태를 설명하기 위한 회로도들이다.
도 8을 참조하면, 제3 실시예에서는 상기 모터의 출력 전압단과 제1 배터리(340) 사이에 제1 스위치(361)가 마련되고, 상기 모터의 출력 전압단과 제2 배터리 사이에 제2 스위치(362)가 마련되며, 상기 계자 코일의 출력 전압단과 상기 전기자 코일의 출력 전압단 사이에 제3 스위치(363)가 마련된다.
즉, 제3 실시예는 제1 실시예와 제2 실시예의 각 기능이 동시에 적용될 수 있는 구조이다. 구체적으로, 모터(1)의 모터링 작동과 제1 및 제2 배터리(340, 350)의 충전과정은 제1 실시예와 동일하며, 제2 배터리(350)의 비상충전은 제2 실시예와 동일하다.
도 9a는 모터(1)의 모터링 작동시 스위치 제어 및 전류 방향을 나타내는 회로도이다.
계자권선 모터(1)의 모터링 동작이 요구될 경우, 상기 모터 제어부(330)는 제1 스위치(361)와 제3 스위치(363)를 온 시키고, 제2 스위치(362)를 오프 시킨다.
또한, 상기 모터 제어부(330)는 상기 제1 배터리(340)로 상기 모터(1)를 동작시킴으로써, 상기 모터(1)는 엔진(110)을 구동시키거나 구동 토크를 보조할 수 있다.
도 9b는 제1 배터리(340) 충전시 스위치 제어 및 전류 방향을 나타내는 회로도이다.
엔진이 로터를 회전시키는 상태에서 제1 배터리를 충전하는 경우, 상기 모터 제어부(330)는 상기 제1 및 제3 스위치(361, 363)를 온 시키고, 제2 스위치(362)를 오프시킨다. 상기 모터 제어부(330)는 스테이터의 출력 전압이 제1 배터리(340)의 충전전압 이상이 되도록 계자전류값을 제어할 수 있다.
도 9c는 제2 배터리(350) 충전시 스위치 제어 및 전류 방향을 나타내는 회로도이다.
엔진이 로터를 회전시키는 상태에서 제2 배터리(350)를 충전하는 경우, 상기 모터 제어부(330)는, 상기 제2 및 제3 스위치(362, 363)를 온 시키고, 제1 스위치(361)를 오프시킨다. 상기 모터 제어부(330)는 스테이터의 출력 전압이 제2 배터리(350)의 충전전압 이상이 되도록 계자전류값을 제어할 수 있다.
도 9d는 제2 배터리(350)의 비상 충전시 스위치 제어 및 전류 방향을 나타내는 회로도이다.
엔진이 작동하지 않는 상태에서 제2 배터리(350)를 충전하는 경우, 상기 모터 제어부(330)는, 제1 및 제2 스위치(361, 362)를 온 시키고, 제3 스위치(363)를 오프 시킨다.
또한, 상기 모터 제어부(330)는 제1 배터리(340)를 통해 전기자 코일로 전류를 인가하며, 전기자 코일로부터 계자 코일(22)로 전류를 유기시킴으로써 제2 배터리(350)가 충전되도록 제어할 수 있다.
한편, 미설명 부호 380은 제2 실시예를 통해 설명한 정류기를 나타낸다.
1: 모터
100: 전기자동차 구동장치
110: 엔진
120: 인버터
130: 모터 제어부
140: 제1 배터리
150: 제2 배터리
161: 제1 스위치
162: 제2 스위치

Claims (18)

  1. 계자 코일이 권선된 로터 및 전기자 코일이 권선된 스테이터를 포함하는 모터;
    상기 로터를 선택적으로 회전시키기 위한 엔진;
    상기 모터를 구동시키거나 상기 모터에 의하여 충전 가능한 제1 배터리;
    상기 모터에 의하여 충전 가능하고, 제1 배터리와 다른 충전전압을 갖는 제2 배터리; 및
    상기 엔진의 구동상태, 제1 배터리 및 제2 배터리의 잔량 중 적어도 하나 이상에 기초하여, 상기 계자 코일로 인가되는 계자전류값을 조절함으로써 상기 제1 배터리 또는 상기 제2 배터리를 선택적으로 충전시키기 위한 모터 제어부; 및
    상기 모터의 출력 전압단과 제1 배터리 사이에 마련되는 제1 스위치와 상기 모터의 출력 전압단과 제2 배터리 사이에 마련되는 제2 스위치를 포함하여 구성되고,
    상기 모터 제어부는 상기 제1 배터리 또는 제2 배터리를 충전하기 위하여 제1 배터리를 통해 계자 코일로 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 모터 제어부는,
    상기 계자 코일과 연결된 계자 전류 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진이 로터를 회전시키는 상태에서, 제1 배터리를 충전하는 경우 모터 제어부는, 상기 제1 스위치를 온 시키고, 제2 스위치를 오프시키며, 스테이터의 출력 전압이 제1 배터리의 충전전압 이상이 되도록 계자전류값을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진이 로터를 회전시키는 상태에서, 제2 배터리를 충전하는 경우 모터 제어부는, 상기 제1 스위치를 오프시키고, 상기 제2 스위치를 온 시키며, 스테이터의 출력 전압이 제2 배터리의 충전전압 이상이 되도록 계자전류값을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 모터 제어부에는 상기 스테이터의 출력 전압과 상기 스테이터의 출력 전압에 대응되는 계자 전류값이 각각 마련된 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 모터 제어부는, 상기 스위치를 전환하는 경우 상기 계자 코일로 인가되는 전류 공급을 차단시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터 제어부는 상기 제2 배터리를 충전하기 위하여 소정 시간 동안 제1 배터리를 통해 계자 코일로 전류를 인가한 후, 소정 시간이 경과하면 상기 계자 코일로 전류가 인가되지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  10. 계자 코일이 권선된 로터 및 전기자 코일이 권선된 스테이터를 포함하는 모터;
    상기 로터를 선택적으로 회전시키기 위한 엔진;
    상기 모터를 구동시키거나 상기 모터에 의하여 충전 가능한 제1 배터리;
    상기 모터에 의하여 충전 가능하고, 제1 배터리와 다른 충전전압을 갖는 제2 배터리; 및
    상기 엔진의 구동상태, 제1 배터리 및 제2 배터리의 잔량 중 적어도 하나 이상에 기초하여, 상기 계자 코일로 인가되는 계자전류값을 조절함으로써 상기 제1 배터리 또는 상기 제2 배터리를 선택적으로 충전시키기 위한 모터 제어부; 및
    상기 계자 코일의 출력 전압단과 상기 전기자 코일의 출력 전압단 사이에 마련되는 제1 스위치 및 상기 모터의 일단과 제2 배터리 사이에 마련되는 제2 스위치를 포함하며,
    제1 배터리를 통해 상기 모터를 회전시키는 경우, 상기 모터 제어부는, 상기 제1 스위치를 온 시키고, 제2 스위치를 오프시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    엔진이 로터를 회전시키는 상태에서 제1 배터리를 충전하는 경우, 상기 모터 제어부는 상기 제1 스위치를 온 시키고, 제2 스위치를 오프시키며, 스테이터의 출력 전압이 제1 배터리의 충전전압 이상이 되도록 계자전류값을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    엔진이 로터를 회전시키는 상태에서 제2 배터리를 충전하는 경우, 상기 모터 제어부는, 상기 제1 스위치를 오프시키고, 상기 제2 스위치를 온 시키며, 스테이터의 출력 전압이 제2 배터리의 충전전압 이상이 되도록 계자전류값을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    엔진이 작동하지 않는 상태에서 제2 배터리를 충전하는 경우, 상기 모터 제어부는, 제1 스위치를 오프시키고, 제2 스위치를 온 시키며, 제1 배터리를 통해 전기자 코일로 전류를 인가하고, 전기자 코일로부터 계자 코일로 전류를 유기시킴으로써 제2 배터리가 충전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  14. 계자 코일이 권선된 로터 및 전기자 코일이 권선된 스테이터를 포함하는 모터;
    상기 로터를 선택적으로 회전시키기 위한 엔진;
    상기 모터를 구동시키거나 상기 모터에 의하여 충전 가능한 제1 배터리;
    상기 모터에 의하여 충전 가능하고, 제1 배터리와 다른 충전전압을 갖는 제2 배터리; 및
    상기 엔진의 구동상태, 제1 배터리 및 제2 배터리의 잔량 중 적어도 하나 이상에 기초하여, 상기 계자 코일로 인가되는 계자전류값을 조절함으로써 상기 제1 배터리 또는 상기 제2 배터리를 선택적으로 충전시키기 위한 모터 제어부; 및
    상기 모터의 출력 전압단과 제1 배터리 사이에 마련되는 제1 스위치와 상기 모터의 일단과 제2 배터리 사이에 마련되는 제2 스위치 및 상기 계자 코일의 출력 전압단과 상기 전기자 코일의 출력 전압단 사이에 마련되는 제3 스위치를 포함하며,
    제1 배터리를 통해 상기 모터를 회전시키는 경우, 상기 모터 제어부는, 상기 제1 및 제3 스위치를 온 시키고, 제2 스위치를 오프시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    엔진이 로터를 회전시키는 상태에서 제1 배터리를 충전하는 경우, 상기 모터 제어부는 상기 제1 및 제3 스위치를 온 시키고, 제2 스위치를 오프시키며, 스테이터의 출력 전압이 제1 배터리의 충전전압 이상이 되도록 계자전류값을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    엔진이 로터를 회전시키는 상태에서 제2 배터리를 충전하는 경우, 상기 모터 제어부는, 상기 제1 스위치를 오프시키고, 상기 제2 및 제3 스위치를 온 시키며, 스테이터의 출력 전압이 제2 배터리의 충전전압 이상이 되도록 계자전류값을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    엔진이 작동하지 않는 상태에서 제2 배터리를 충전하는 경우, 상기 모터 제어부는, 제1 및 제2 스위치를 온 시키고, 제3 스위치를 오프시키며, 제1 배터리를 통해 전기자 코일로 전류를 인가하며, 전기자 코일로부터 계자 코일로 전류를 유기시킴으로써 제2 배터리가 충전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터 제어부는 상기 모터에 일체로 마련되며,
    상기 모터를 냉각시키기 위한 냉각수를 통해 상기 모터 제어부의 냉각이 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
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