KR101507863B1 - 전기자동차 구동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기자동차 구동장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 엔진이 구동하지 않는 경우에 어느 한 배터리의 충전전압을 이용하여 나머지 배터리를 충전할 수 있고, ISG의 발전전압을 제어할 수 있으며, 별도의 컨버터를 사용하지 않고도 서로 다른 충전전압을 갖는 복수의 배터리를 선택적으로 충전할 수 있고, 무게 및 부피를 줄일 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 ISG(Integrated Starter Generator)가 마련된다. 상기 ISG는 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 ISG의 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.
한편, ISG를 이용하여 고전압 배터리와 저전압 배터리를 충전시키기 위해서는 엔진의 회전력이 ISG로 전달되어야 하며, 엔진이 구동하지 않는 상태에서는 ISG를 이용하여 고전압 배터리와 저전압 배터리를 충전하기 어렵다.
따라서, 엔진이 구동하지 않는 상태에서도, 특히 저전압 배터리의 비상 충전을 위한 구조가 요구된다.
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 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 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 마련된 로터 및 전기자 코일이 마련된 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 배터리보다 낮은 충전전압을 갖는 제2 배터리; 및 전기자 코일과 연결된 인버터 회로 및 상기 계자 코일과 연결된 계자 전류 제어기를 포함하는 모터 제어부를 포함하는 전기자동차 구동장치가 제공된다.
여기서 상기 계자 전류 제어기에는, 상기 제1 배터리와 상기 제2 배터리 및 상기 계자 코일과 함께 강압 변환 회로를 구성하도록 다이오드 및 제어 스위칭 소자가 각각 마련된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 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.
또한, 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치를 구성하는 모터 제어부의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치의 제1 작동상태를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치의 제2 작동상태를 설명하기 위한 회로도들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치의 제3 작동상태를 설명하기 위한 회로도들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치의 제4 작동상태를 설명하기 위한 회로도이다.
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.
여기서 제2 배터리(150)는 제1 배터리(140)보다 충전전압이 낮게 결정될 수 있으며, 일 실시태양으로, 제1 배터리(140)는 43V일 수 있고, 제2 배터리(150)는 12V일 수 있다.
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. 또한, 상기 발전모드는 일반 발전모드와 후술할 회생 제동모드(Regenerating mode)를 포함할 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 클러치(도시되지 않음)가 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 있으며, 일 실시태양으로, 제1 배터리(140)는 48V 또는 43V 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 배터리 스위치(161)와 상기 모터(1)의 출력 전압단과 제2 배터리(150) 사이에 마련되는 제2 배터리 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 지칭할 수 있다.
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 별도의 DC-DC컨버터 없이도 상기 모터(1)가 서로 다른 출력전압을 발전시킬 수 있도록 제어할 수 있다.
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(Look-up) 테이블로 마련될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 상기 모터 제어부(130)는, 전기자 코일과 전기적으로 연결된 인버터 회로(133, 도 2 참조)와 상기 계자 코일과 전기적으로 연결된 계자 전류 제어기(132, 도 2 참조)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 2는 본 발명의 일 실시예와 관려된 전기자동차 구동장치를 구성하는 모터 제어부(130)의 구성도이다.
한편, 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 자속을 형성하기 위하여 전기자 코일(12)을 포함하여 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 스테이터(10)는 전자석이라 할 수 있다.
상기 로터(20)는 상기 스테이터(10)의 내측에서 회전되도록 구비될 수 있으며, 상기 로터(20)는 계자 코일(22)을 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 계자 코일(22)과 전기자 코일(12)에 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 미도시된 엔진의 구동축과 연결될 수 있다. 따라서, 로터(20)의 토크와 회전수는 엔진(110)의 구동축으로 전달될 수 있다.
한편, 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 전기자 전류값은 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 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치(100)의 제1 작동상태를 설명하기 위한 회로도이다.
상기 전기자동차 구동장치(100)는 계자 코일(22)이 마련된 로터(20) 및 전기자 코일(12)이 마련된 스테이터(10)를 포함하는 모터(1)와 상기 로터(20)를 선택적으로 회전시키기 위한 엔진(110, 도 1 참조)과 상기 모터(1)를 구동시키거나 상기 모터에 의하여 충전 가능한 제1 배터리(140) 및 상기 모터(1)에 의하여 충전 가능하고, 제1 배터리(140)보다 낮은 충전전압을 갖는 제2 배터리(150)를 포함한다.
또한, 상기 구동장치(100)는 전기자 코일(12)과 연결된 인버터 회로(133) 및 상기 계자 코일(22)과 연결된 계자 전류 제어기(132)를 포함하는 모터 제어부(130)를 포함한다.
여기서, 상기 계자 전류 제어기(132)에는, 상기 제1 배터리(140)와 상기 제2 배터리(150) 및 상기 계자 코일(22)과 함께 강압 변환 회로를 구성하도록 다이오드(180) 및 제어 스위칭 소자(230)가 각각 마련된다.
상기 강압 변환 회로(Buck converter)는 입력 전압보다 낮은 출력전압이 요구될 때 사용된다. 구체적으로, 상기 계자 코일(22)은 일반적인 강압 변환 회로의 인덕터에 대응되고, 상기 제1 배터리(140)가 입력 전압(예를 들어, 43V)에 대응되고, 제2 배터리(150)는 출력 전압(예를 들어, 12V)에 대응되며, 상기 제어 스위칭 소자(230)에 의하여 상기 다이오드(180)의 양단의 전압이 조절될 수 있다.
즉, 별도의 컨버터 없이도, 기존 구성요소인 제1 배터리(140)와 제2 배터리(150) 및 계자 코일(22)에 상기 다이오드(180) 및 제어 스위칭 소자(230)를 추가로 마련함으로써, 강압 변환 회로(Buck converter)를 구성할 수 있다.
이때, 상기 모터 제어부(130)는 상기 제어 스위칭 소자(230)는 PWM 제어(듀티 비 제어)함으로써 상기 계자 코일(22)에 인가되는 계자 전류값을 조절할 수 있다.
한편, 상기 제어 스위칭 소자(230)는 IGBT 스위칭 소자 또는 MOSFET 스위칭 소자일 수 있으며, 상기 제어 스위칭 소자(230)에는 플라이휠 다이오드(Flywheel diode)가 마련될 수 있다. 또한, 상기 제어 스위칭 소자(230)는 설명의 편의상 제3 스위칭 소자로 지칭될 수도 있다. 이러한 상기 제어 스위칭 소자(230)의 일단은 는 계자 코일(22)의 일단에 접속된다.
또한, 상기 모터 제어부(130)는 상기 엔진이 정지한 상태에서, 상기 강압 변화 회로를 통해 상기 제1 배터리(140)의 충전 전압으로 상기 제2 배터리(150)가 충전되도록 제어할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 전기자동차 구동장치(100)는 상기 제어 스위칭 소자(230)의 타단과 상기 제1 배터리 사이에 마련된 제1 스위칭 소자(210) 및 상기 계자 코일(22)과 상기 제2 배터리(150) 사이에 마련된 제5 스위칭 소자(250)를 추가로 포함할 수 있다.
이때, 상기 모터 제어부(230)는, 엔진(110)이 정지한 상태에서 제1 배터리(140)로 제2 배터리(150)를 충전하는 경우, 상기 제1 및 제5 스위칭 소자(210, 250)를 각각 온(On)시키고, 상기 제어 스위칭 소자(2300를 PWM 제어함으로써, 계자 전류값을 조절할 수 있다.
이러한 경우, 상기 제1 배터리(140)에 충전된 전압은 상기 제1 배터리(140)와 제1 스위칭 소자(210)와 제어 스위칭 소자(230)와 계자 코일(22) 및 제5 스위칭 소자(250)를 통해 제2 배터리(150)로 공급될 수 있다.
구체적으로, 상기 구동장치(100)는 상기 제어 스위칭 소자(230)와 상기 제1 배터리(140) 사이에 마련된 제1 스위칭 소자(210)와 상기 제2 배터리(150)와 제어 스위칭 소자(230) 사이에 마련된 제2 스위칭 소자(220) 및 상기 계자 코일(22)과 접지부(G) 사이에 마련된 제4 스위칭 소자(240)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동장치(100)는 상기 계자 코일(22)과 상기 제2 배터리(150) 사이에 마련된 제5 스위칭 소자(250) 및 상기 제2 배터리(150)와 제어 스위칭(230) 소자 사이에 상기 제2 스위칭 소자(220)와 병렬로 마련된 제6 스위치 소자(260)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 내지 제6 스위칭 소자(210 내지 260)은 각각 IGBT 스위칭 소자 또는 MOSFET 스위칭 소자일 수 있으며, 상기 제1 내지 제6 스위칭 소자(210 내지 260)에는 플라이휠 다이오드(Flywheel diode)가 각각 마련될 수 있다.
여기서, 상기 제2 스위칭 소자(220)는 제2 배터리(150)로부터 상기 계자 코일(22)로 전류가 공급되도록 마련되고, 제6 스위칭 소자(260)는 전기자 코일(12)에서 출력된 전류가 제2 배터리(150)로 공급되도록 마련될 수 있다.
이를 위하여, 제2 스위칭 소자(220)의 플라이휠 다이오드과 제6 스위칭 소자(260)의 플라이휠 다이오드는 서로 반대방향으로 마련될 수 있다.
또한, 상기 제2 스위칭 소자(220)와 제2 배터리(150) 사이에는 제1 다이오드(221)가 마련되고, 제6 스위칭 소자(260)와 제2 배터리(150) 사이에는 제2 다이오드(261)가 마련될 수 있다.
여기서 제1 다이오드(221)는 제2 배터리(150)로부터 상기 계자 코일(22)로 전류가 공급되는 것만을 허용하도록 마련되고, 제2 다이오드(261)는 전기자 코일(12)에서 출력된 전류가 제2 배터리(150)로 공급되는 것만을 허용하도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 제5 스위칭 소자(250)와 상기 제2 배터리(150) 사이에는 제3 다이오드(251)가 마련될 수 있다. 상기 제3 다이오드(251)는 계자 코일(22)에서 제2 배터리(150) 방향으로 전류가 흐르는 것만을 허용하도록 마련될 수 있다.
한편, 미설명 부호 C1은 제1 배터리(140) 측에 마련된 제1 캐패시터를 나타내고, 미설명 부호 C2는 제2 배터리(150) 측에 마련된 제2 캐패시터를 나타낸다.
이때, 상기 모터 제어부(230)는, 엔진(10)이 정지한 상태에서 상기 제1 배터리(140)를 통해 제2 배터리(150)를 충전하는 경우, 상기 제1 및 제5 스위칭 소자(210, 250)를 각각 온(On)시키고, 제2, 제4 및 제6 스위칭 소자(220, 240, 260)를 각각 오프(Off)시키며, 상기 제어 스위칭 소자(230)를 PWM 제어함으로써, 계자 전류값을 조절할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치(100)의 제2 작동상태를 설명하기 위한 회로도들이다.
도 4를 참조하면, 상기 모터 제어부(130)는, 엔진(110)이 로터(20)를 회전시키는 상태에서 제1 배터리(140)를 충전하는 경우, 상기 제1 및 제4 스위칭 소자(210, 240)를 각각 온(On)시키고, 상기 제1 배터리(140)의 전류로 상기 계자 코일(22)을 여자시키기 위하여 계자 전류값을 제어할 수 있다. 여기서, 상기 계자 전류값은 상기 제어 스위칭 소자(230)를 통해 이루어질 수 있으며, 상기 여자량은 충전량에 비례할 수 있다.
또한, 상기 제1 배터리(140)는 상기 전기자 코일(12)로부터 인버터 회로(133)를 통해 공급되는 전류에 의하여 충전될 수 있다.
구체적으로, 상기 모터 제어부(130)는, 엔진(110)이 로터(200를 회전시키는 상태에서 제1 배터리(140)를 충전하는 경우, 상기 제1 및 제4 스위칭 소자(210, 240)를 각각 온(On)시키고, 제2, 제5 및 제6 스위칭 소자(220, 250, 260)를 각각 오프(Off)시키며, 상기 제1 배터리(140)의 전류로 상기 계자 코일(22)을 여자시키기 위하여 계자 전류값을 제어할 수 있다.
또한, 상기 모터 제어부(130)는 스테이터(10)의 출력 전압이 제1 배터리(140)의 충전전압 이상이 되도록 계자 전류값을 제어할 수 있으며, 상기 모터 제어부(130)에는 상기 스테이터의 출력 전압과 상기 스테이터의 출력 전압에 대응되는 계자 전류값이 각각 마련될 수 있다.
초기에 제1 배터리(140)로부터 계자 코일(22)에 전류가 전달됨으로써 로터자(20)를 자석화시켜 발전하며, 발전된 전압이 제1 배터리(140)를 충전시킬 수준이 되면(예를 들어, 43V 또는 48V) 제1 배터리(140)의 충전이 시작될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 모터 제어부(130)는, 회생 제동 모드에서 제1 배터리(140)를 충전할 수 있다. 이때, 각 스위칭 소자의 온/오프 상태는 도 5를 참조하여 설명한 스위칭 소자의 온/오프 상태와 동일하다.
이때, 상기 모터 제어부(130)는 음(-)의 토크가 발생하도록 인버터 회로(133)를 벡터 제어할 수 있다.
즉, 상기 모터 제어부(130)는 회생 제동 모드에서는 계자 전류값을 제어하면서, 상기 인버터 회로(133)를 제어할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치의 제3 작동상태를 설명하기 위한 회로도들이다.
도 6을 참조하면, 상기 모터 제어부(130)는, 엔진(110)이 로터(20)를 회전시키는 상태에서 제2 배터리(150)를 충전하는 경우, 상기 제2, 제4 및 제6 스위칭 소자(220, 240, 260)를 각각 온(On) 시키고, 상기 제2 배터리(150)의 전류로 상기 계자 코일을 여자시키기 위하여 계자 전류값을 제어할 수 있다.
여기서, 상기 계자 전류값은 상기 제어 스위칭 소자(230)를 통해 이루어질 수 있으며, 상기 여자량은 충전량에 비례할 수 있다. 또한, 상기 제2 배터리(150)는 상기 전기자 코일(12)로부터 인버터 회로(133)를 통해 공급되는 전류에 의하여 충전될 수 있다.
구체적으로, 상기 모터 제어부(130)는 엔진(110)이 로터(20)를 회전시키는 상태에서 제2 배터리(150)를 충전하는 경우, 상기 제2, 제4 및 제6 스위칭 소자(220, 240, 260)를 각각 온(On) 시키고, 제1 및 제5 스위칭 소자(210, 250)를 각각 오프(Off)시키며, 상기 제2 배터리(150)의 전류로 상기 계자 코일(22)을 여자시키기 위하여 계자 전류값을 제어할 수 있다.
일 실시태양으로, 초기에 제2 배터리(150)로부터 계자 코일(22)에 전류가 전달됨으로써 로터(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 계자 코일(22)의 계자전류를 조절하여 발전전압이 12V가 되도록 계자 전류 제어기(132)를 통해 제어한다.
도 7을 참조하면, 상기 모터 제어부(130)는, 회생 제동 모드에서 제2 배터리(150)를 충전하는 경우, 음(-)의 토크가 발생하도록 인버터 회로(133)를 벡터 제어할 수 있다. 또한, 각 스위칭 소자의 온/오프 상태는 도 7을 참조하여 설명한 스위칭 소자의 온/오프 상태와 동일하다.
즉, 상기 모터 제어부(130)는 회생 제동 모드에서는 계자 전류값을 제어하면서, 상기 인버터 회로(133)를 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기자동차 구동장치의 제4 작동상태를 설명하기 위한 회로도이다.
도 8을 참조하면, 상기 모터 제어부(130)는, 제1 배터리(140)를 통해 상기 모터(1)를 회전시키는 경우, 상기 제1 및 제4 스위칭 소자(210, 240)를 각각 온(On) 시키고, 제2, 제5 및 제6 스위칭 소자(220, 250, 260)를 각각 오프(Off) 시킬 수 있다.
구체적으로, 엔진(110) 시동 시 및 저속 토크 보조 시, 제1 배터리(140)로부터 인버터 회로(133)에 전원을 입력하여 로터(20)와 스테이터(10) 측으로 각각 전류를 공급함으로써 상기 모터(1)를 구동시킬 수 있다.
이때 상기 모터(1)는 엔진(110)을 구동시키거나 구동 토크를 보조할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 제1 내지 제6 스위칭 소자(210 내지 260)를 온/오프 제어하고, 상기 계자 코일(22)로 인가되는 계자전류값을 조절함으로써 엔진이 구동하는 상태에서, 상기 제1 배터리(140) 또는 상기 제2 배터리(150)를 선택적으로 충전시킬 수 있으며, 엔진이 정지한 상태에서 제1 배터리(140)를 통해 제2 배터리(150)를 충전할 수 있다.
1: 모터 10: 스테이터
12: 전기자 코일 20: 로터
22: 계자 코일 100: 전기자동차 구동장치
110: 엔진 120: 인버터
130: 모터 제어부 140: 제1 배터리
150: 제2 배터리 161: 제1 배터리 스위치
162: 제2 배터리 스위치

Claims (15)

  1. 계자 코일이 마련된 로터 및 전기자 코일이 마련된 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 배터리보다 낮은 충전전압을 갖는 제2 배터리;
    전기자 코일과 연결된 인버터 회로;
    상기 계자 코일의 일단에, 일단이 접속되는 제어 스위칭 소자;
    상기 제어 스위칭 소자의 타단과 상기 제1 배터리 사이에 접속되는 제1 스위칭 소자;
    상기 계자 코일의 타단과 상기 제2 배터리 사이에 접속되는 제5 스위칭 소자; 및
    상기 제1 배터리로 상기 제2 배터리를 충전하는 경우, 상기 제1 및 제5 스위칭 소자를 각각 온(On)시키고, 상기 제어 스위칭 소자를 PWM 제어하는 모터 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 스위칭 소자의 일단과 접지부 사이에 접속되는 다이오드;를 더 포함하며,
    상기 제1 배터리, 상기 제2 배터리, 상기 다이오드, 상기 제어 스위칭 소자, 및 상기 계자 코일은 강압 변환 회로를 구성하며,
    상기 모터 제어부는, 상기 강압 변환 회로를 통해 상기 제1 배터리의 충전 전압으로 상기 제2 배터리가 충전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 계자 코일의 타단과 접지부 사이에 마련된 제4 스위칭 소자를 추가로 포함하며,
    상기 모터 제어부는, 상기 제1 배터리를 충전하는 경우, 상기 제1 및 제4 스위칭 소자를 각각 온(On)시키고, 상기 제어 스위칭 소자를 PWM 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 모터 제어부는, 회생 제동 모드에서 상기 제1 배터리를 충전하는 경우, 음(-)의 토크가 발생하도록 상기 인버터 회로를 벡터 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 배터리와 상기 제어 스위칭 소자 사이에 마련된 제2 스위칭 소자와 상기 제2 배터리와 상기 제어 스위칭 소자의 타단 사이에 상기 제2 스위칭 소자와 병렬로 마련된 제 6 스위칭 소자, 및 상기 계자 코일의 타단과 접지부 사이에 마련된 제4 스위칭 소자를 추가로 포함하며,
    상기 모터 제어부는, 상기 제2 배터리를 충전하는 경우, 상기 제2, 제4 및 제6 스위칭 소자를 각각 온(On) 시키고, 상기 제어 스위칭 소자를 PWM 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 모터 제어부는, 회생 제동 모드에서 상기 제2 배터리를 충전하는 경우, 음(-)의 토크가 발생하도록 상기 인버터 회로를 벡터 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 소자는 제2 배터리로부터 상기 계자 코일로 전류를 공급하여, 상기 제6 스위칭 소자는 전기자 코일에서 출력된 전류를 상기 제2 배터리로 공급하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 배터리와 상기 제어 스위칭 소자의 타단 사이에 마련된 제2 스위칭 소자;
    상기 계자 코일의 타단과 접지부 사이에 마련된 제4 스위칭 소자;
    상기 제2 배터리와 상기 제어 스위칭 소자의 타단 사이에 상기 제2 스위칭 소자와 병렬로 마련된 제6 스위칭 소자를 추가로 포함하며,
    상기 제2 스위칭 소자는 제2 배터리로부터 상기 계자 코일로 전류를 공급하고, 제6 스위칭 소자는 상기 전기자 코일에서 출력된 전류를 상기 제2 배터리로 공급하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 로터를 선택적으로 회전시키기 위한 엔진을 더 포함하고,
    상기 모터 제어부는, 상기 엔진이 정지한 상태에서 상기 제1 배터리를 통해 상기 제2 배터리를 충전하는 경우, 상기 제1 및 제5 스위칭 소자를 각각 온(On)시키고, 제2, 제4 및 제6 스위칭 소자를 각각 오프(Off)시키며, 상기 제어 스위칭 소자를 PWM 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 로터를 선택적으로 회전시키기 위한 엔진을 더 포함하고,
    상기 모터 제어부는, 상기 엔진이 로터를 회전시키는 상태에서 상기 제1 배터리를 충전하는 경우, 상기 제1 및 제4 스위칭 소자를 각각 온(On)시키고, 상기 제2, 제5 및 제6 스위칭 소자를 각각 오프(Off)시키며, 상기 제어 스위칭 소자를 PWM 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 모터 제어부는, 회생 제동 모드에서 상기 제1 배터리를 충전하는 경우, 음(-)의 토크가 발생하도록 상기 인버터 회로를 벡터 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 모터 제어부는, 상기 제2 배터리를 충전하는 경우, 상기 제2, 제4 및 제6 스위칭 소자를 각각 온(On) 시키고, 상기 제1 및 제5 스위칭 소자를 각각 오프(Off)시키며, 상기 제어 스위칭 소자를 PWM 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 모터 제어부는, 회생 제동 모드에서 제1 배터리를 충전하는 경우, 음(-)의 토크가 발생하도록 상기 인버터 회로를 벡터 제어하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 모터 제어부는, 상기 제1 배터리를 통해 상기 모터를 회전시키는 경우, 상기 제1 및 제4 스위칭 소자를 각각 온(On) 시키고, 제2, 제5 및 제6 스위칭 소자를 각각 오프(Off) 시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차 구동장치.
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