KR101568225B1 - 충전 장치, 및 이를 구비하는 전기 차량 - Google Patents

충전 장치, 및 이를 구비하는 전기 차량 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충전 장치, 및 이를 구비하는 전기 차량에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 충전 장치는, 충전 모드에서, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터는, 모터와, 모터의 어느 한상 고정자에 감긴 추가 권선에 접속되며, 스위칭 동작에 의해 입력 교류 전원을 모터로 공급하는 스위칭부와, 모터 동작 모드에서, 삼상 스위칭 소자들의 스위칭 동작에 의해, 배터리로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 모터를 구동하며, 충전 모드에서, 모터의 추가 권선, 및 스위칭부를 이용하여, 입력 교류 전원을, 직류 전원으로 변환하여, 배터리로 공급하는 인버터를 포함한다. 이에 따라, 교류 전원을 이용하여, 충전을 간단하게 수행할 수 있게 된다.

Description

충전 장치, 및 이를 구비하는 전기 차량{charging apparatus and electric vehicle including the same}
본 발명은 충전 장치, 및 이를 구비하는 전기 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 교류 전원을 이용하여, 충전을 간단하게 수행할 수 있는 충전 장치, 및 이를 구비하는 전기 차량에 관한 것이다.
내연기관의 발명에 의해 출현하게 된 자동차는 인류의 생활에 없어서는 안될 필수품이나, 환경오염의 주범 및 막대한 에너지의 소비에 의한 에너지 고갈 문제를 초래하게 되었으며, 내연기관을 동력으로 하는 자동차 대신에 전기를 동력으로 하는 전기자동차나, 내연기관과 이들을 조합한 하이브리드 자동차가 개발되어 사용되고 있는 추세에 있다.
한편, 이러한 전기 차량 또는 하이브리드 전기 차량 등은, 모터 및 배터리 등을 이용하여 그 출력을 발생시키고 있으며, 출력 및 주행 거리 향상을 위한 다양한 시도가 계속되고 있다.
한편, 한국 특허공개공보 1999-0039024호는 전원 충전 모드시와, 모터 구동 모드시의 별도의 스위칭 소자를 이요하는 것이 개시된다. 이에 의하면, 별도의 스위칭 소자를 구비하여야 하는 번거로움이 있다.
본 발명의 목적은, 교류 전원을 이용하여, 충전을 간단하게 수행할 수 있는 충전 장치, 및 이를 구비하는 전기 차량을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 충전 장치는, 충전 모드에서, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 컨버터를 제어하는 제어부를 포함하고, 컨버터는, 모터와, 모터의 어느 한상 고정자에 감긴 추가 권선에 접속되며, 스위칭 동작에 의해 입력 교류 전원을 모터로 공급하는 스위칭부와, 모터 동작 모드에서, 삼상 스위칭 소자들의 스위칭 동작에 의해, 배터리로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 모터를 구동하며, 충전 모드에서, 모터의 추가 권선, 및 스위칭부를 이용하여, 입력 교류 전원을, 직류 전원으로 변환하여, 배터리로 공급하는 인버터를 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량은, 배터리와, 충전 모드에서, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터와, 컨버터를 제어하는 제어부를 구비하는 충전 장치를 포함하고, 컨버터는, 모터와, 모터의 어느 한상 고정자에 감긴 추가 권선에 접속되며, 스위칭 동작에 의해 입력 교류 전원을 모터로 공급하는 스위칭부와, 모터 동작 모드에서, 삼상 스위칭 소자들의 스위칭 동작에 의해, 배터리로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 모터를 구동하며, 충전 모드에서, 모터의 추가 권선, 및 스위칭부를 이용하여, 입력 교류 전원을, 직류 전원으로 변환하여, 배터리로 공급하는 인버터를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 충전 장치, 및 이를 구비하는 전기 차량은, 충전 모드에서, 모터의 어느 한상 고정자에 감긴 추가 권선, 스위칭부, 및 인버터를 이용하여, 입력 교류 전원을, 직류 전원으로 변환하여, 배터리로 공급함으로써, 교류 전원을 이용한 충전을 간단하게 수행할 수 있게 된다.
특히, 충전 장치가, 충전 모드에서, 스위칭부 내의 스위칭 소자, 모터, 및 인버터는, 플라이 백 컨버터로 동작하게 된다.
한편, 충전 장치는, 추가 권선 및 추가 권선에 접속되는 스위칭 소자만으로도, 플라이 백 컨버터와 같이 동작시킬 수 있게 되어, 제조 비용이 저감되게 된다.
한편, 충전 모드에서, 인버터 스위칭 소자들을 모두 오프시키므로, 모터 회전자가 움직이지 않게 된다.
한편, 충전 장치 내의 인버터, 제어부, 및 스위칭부를 동일 회로 보드 상에 구현함으로써, 충전 장치를 소형으로 구현할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 구동부의 내부 블록도이다.
도 3은 도 2의 구동부의 회로도를 예시한다.
도 4는 도 2의 모터의 간략 구조도이다.
도 5는 도 4의 모터의 등가 회로도를 예시한다.
도 6a 및 도 6b는 도 3의 회로도의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 7은 도 2의 제어부의 내부 블록도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기 차량(100)은, 전원을 공급하는 배터리(205), 배터리(205)로부터 전원을 공급받아 모터(250)를 구동하는 모터 구동부(200), 모터 구동부(200)에 의해 구동되어 회전하는 모터(250), 모터(250)에 의해 회전되는 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155), 노면의 진동이 차체에 전달되는 것을 차단하는 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)를 포함할 수 있다. 한편, 한편 모터(250)의 회전속도를 기어비에 따라 변환하는 구동기어(미도시)가 추가적으로 구비될 수 있다.
배터리(205)는 모터 구동부(200)에 전원을 공급한다. 특히, 모터 구동부(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급한다.
이러한 배터리(205)는, 복수개의 단위셀의 집합으로 형성될 수 있다. 복수개의 단위셀은 일정한 전압을 유지하기 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 의해 관리될 수 있으며, 배터리 관리 시스템에 의해 일정한 전압을 방출할 수 있다.
예를 들어, 배터리 관리 시스템은, 배터리(205)의 전압(Vbat)을 검출하고, 이를 전자 제어부(미도시), 또는 모터 구동부(200) 내의 제어부(230)에 전달할 수 있으며, 배터리 전압(Vbat)이 하한치 이하로 하강하는 경우, 모터 구동부(200) 내의 커패시터(C)에 저장된 직류 전원을 배터리로 공급할 수 있다. 또한, 배터리 전압(Vbat)이 상한치 이상으로 상승하는 경우, 모터 구동부(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급할 수도 있다.
배터리(205)는 충전 또는 방전이 가능한 2차 전지로 구성됨이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
모터 구동부(200)는, 모터 동작 모드에서, 배터리(205)로부터 전원입력케이블(120)에 의해서 직류전원을 공급받는다. 모터 구동부(200)는 배터리(205)로부터 받는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터(250)에 공급한다. 변환되는 교류전원은 삼상 교류 전원일 수 있다.
모터 구동부(200)는, 모터 동작 모드에서, 모터 구동부(200)에 구비된 삼상 출력 케이블(125)을 통하여 모터(250)에 삼상 교류 전원을 공급한다. 도 1의 모터 구동부(200)는 세 개의 케이블로 구성된 삼상출력케이블(125)을 도시하였으나, 단일의 케이블 내에 세 개의 케이블이 구비될 수 있다.
한편, 모터 구동부(200)는, 충전 모드에서, 입력 교류 전원을 공급받아, 입력 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여, 배터리(205)로 변환된 직류 전원을 공급할 수 있다. 이에 따라, 모터 구동부(200)는, 충전 장치로 명명할 수 있다.
본 명세서에서는, 모터 구동부(200)와 충전 장치를 혼용하여 사용하나, 이는 동일한 장치를 의미할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동부(200)에 대해서는 도 2 이하에서 후술한다.
모터(250)는, 회전하지 않고 고정되는 고정자(130)와, 회전하는 회전자(135)를 포함한다. 모터(250)는 입력케이블(140)이 구비되어 모터 구동부(200)에서 공급되는 교류전원을 인가받는다. 모터(250)는, 예를 들어, 삼상 모터일 수 있으며, 각상의 고정자의 코일에 전압 가변/주파수 가변의 각상 교류 전원이 인가되는 경우, 인가되는 주파수에 따라 회전자의 회전 속도가 가변하게 된다.
모터(250)는, 유도 모터(induction motor), BLDC 모터(blushless DC motor), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등 다양한 형태가 가능하다.
한편, 모터(250)의 일측에는 구동기어(미도시)가 구비될 수 있다. 구동기어는 모터(250)의 회전에너지를 기어비에 따라 변환시킨다. 구동기어에서 출력되는 회전에너지는 앞바퀴(150) 및/또는 뒷바퀴(155)에 전달되어 전기 차량(100)가 움직이도록 한다.
전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)는 차체에 대하여 각각 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155)를 지지한다. 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)의 상하방향은 스프링 또는 감쇠기구에 의해 지지하여, 노면의 진동이 차체에 닿지 않도록 한다.
앞바퀴(150)에는 조향장치(미도시)가 더 구비될 수 있다. 조향장치는 전기 차량(100)를 운전자가 의도하는 방향으로 주행시키기 위하여 앞바퀴(150)의 방향을 조절하는 장치이다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 전기 차량(100)은, 전기 차량 전반의 전자 장치들의 제어를 위한 전자 제어부(Electronic Controller)를 더 포함할 수 있다. 전자 제어부(미도시)는, 각 장치들이 동작, 표시 등을 할 수 있도록 제어한다. 또한, 상술한 배터리 관리 시스템을 제어할 수도 있다.
또한, 전자 제어부(미도시)는, 전기 차량(100)의 경사각 감지하는 경사각 감지부(미도시), 전기 차량(100)의 속도를 감지하는 속도 감지부(미도시), 브레이크 페달의 동작에 따른 브레이크 감지부(미도시), 악셀 페달의 동작에 따른 악셀 감지부(미도시) 등으로부터의 감지 신호에 기초하여, 다양한 운전 모드(주행 모드, 후진 모드, 중립 모드, 및 주차 모드 등)에 따른 운전 지령치를 생성할 수 있다. 이때의 운전 지령치는, 예를 들어, 토크 지령치 또는 속도 지령치일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량(100)은, 배터리 및 모터를 이용한 순수 전기 차량은, 물론, 엔진을 사용하면서, 배터리 및 모터를 이용하는 하이브리드 전기 차량을 포함하는 개념일 수 있다. 이때, 하이브리드 전기 차량은, 배터리와 엔진 중 적어도 어느 하나를 선택 가능한 절환 수단, 및 변속기를 더 구비할 수도 있다. 한편, 하이브리드 전기 차량은, 엔진에서 출력되는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하여 모터를 구동하는 직렬 방식과, 엔진에서 출력되는 기계 에너지와 배터리에서의 전기 에너지를 동시에 이용하는 병렬 방식으로 나뉠 수 있다.
도 2는 도 1의 구동부의 내부 블록도이고, 도 3은 도 2의 구동부의 회로도를 예시한다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동부(200), 즉, 충전 장치(200)는, 컨버터(405)와 제어부(430)를 구비할 수 있다. 그리고, 컨버터(405)는, 스위칭부(410), 모터(250), 인버터(420), 및 dc/dc 컨버터(445)를 구비할 수 있다. 여기서, dc/dc 컨버터(445)는 선택적으로 구비 가능하다.
한편, 스위칭부(410)는, 모터(250)의 어느 한 상 고정자에 감긴 추가 권선에 접속되며, 스위칭 소자(S1)를 구비하여, 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 입력 교류 전원(201)을 모터(250)로 공급할 수 있다.
도면에서는 입력 교류 전원(201)을 단상 교류 전원으로 도시하고 있으나, 삼상 교류 전원일 수도 있다.
한편, 스위칭부(410) 앞단에는, 입력 교류 전원(201)을 정류하는 정류부(도 3의 412)가 더 구비될 수 있다.
도 3은, 단상 교류 전원에 대한 정류부(412)로서, 4개의 다이오드(Da,Db,Dc,Dd)가 브릿지 형태로 사용되는 것을 예시한다.
스위칭부(410)는, 모터(250)의 어느 한 상 고정자에 감긴 추가 권선과 직렬로 접속될 수 있다. 한편, 모터(250)와 정류부(412) 사이, 즉 스위칭부(410)와 정류부(412) 사이에는 정류된 전원을 평활하는 커패시터(Cx)가 더 구비될 수 있다.
도 3은 모터(250)의 등가 회로를 예시한다. 삼상 모터(250)는, 전기적으로, a상 인덕터(La), b 상 인덕터(Lab), c 상 인덕터(Lc)로 표현될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 스위칭부(410)는, 모터(250), 특히 모터의 추가 권선과 더불어, 플라이 백 컨버터(fly back converter)로 동작하는 것을 전제한다.
도 3은, 단상 교류 전원에 대한 정류부(412)로서, 4개의 다이오드(Da,Db,Dc,Dd)가 브릿지 형태로 사용되는 것을 예시한다.
스위칭 소자(S1)는, 정류부(412)와 모터(250) 사이, 특히, 정류부(412)와 모터(250)의 어느 한 상 고정자에 감긴 추가 권선 사이에, 전기적으로 접속하여, 스위칭 동작을 수행한다.
충전 모드에서, 스위칭 소자(S1)의 턴 온에 의해, 정류부(412)로부터의 전원이, 모터(250) 내의 추가 권선으로 전달되며, 추가 권선에 에너지가 저장된다. 이때, 인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 모두 턴 오프된다.
충전 모드에서, 스위칭 소자(S1)의 턴 오프에 의해, 정류부(412)로부터의 전원은, 더 이상 모터(250) 내의 추가 권선으로 전달되지 않게 되나, 추가 권선에 저장된 에너지가, 인버터(420)를 거쳐, 배터리(205)로 전달될 수 있다. 이때, 인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 모두 턴 오프되나, 다이어드 소자가 일방향 도통될 수 있다.
이러한 스위칭 소자(S1)의 턴 온/턴 오프 동작에 의해, 입력 교류 전원이 직류 전원으로 변환되게 된다.
통상의 플라이 백 컨버터는, 인덕터를 구비하나, 본 발명의 실시에에 따른 스위칭부(410)는, 인덕터를 별도로 구비하지 않으며, 모터(250) 내의 고정자(130)에 감긴 상 권선 및 추가 권선을, 인덕터로서 이용한다.
스위칭부(410) 내의 스위칭 소자(S1)는, 제어부(430)의 스위칭 제어 신호(Scc)에 의해 제어될 수 있다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 스위칭부(410)와 입력 교류 전원(201) 사이에, 입력 전류 검출부(미도시)가 배치될 수 있다. 또한, 스위칭부(410) 내의 커패시터(Cx) 양단에, 입력 전압 검출부(미도시)가 배치될 수 있다.
입력 전류 검출부(미도시)는, 입력 교류 전원(201)으로부터 입력되는 입력 교류 전류를 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전류 검출부(미도시)로, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 검출되는 입력 교류 전류는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 제어부(430)에 입력될 수 있다.
입력 전압 검출부(미도시)는, 커패시터(Cx) 양단의 전압을 검출할 수 있다. 이를 위하여, 입력 전압 검출부는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 입력 전압은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원(va,vb,vc)으로 변환하여, 삼상 동기 모터(230)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 제어부(430)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다.
인버터(420)는, 모터(250) 동작 모드에서, 배터리로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터(250)를 구동한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 인버터(420)는, 충전 모드에서, 인버터(420)의 삼상 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c) 모두가 턴 오프된다.
다만, 스위칭부(410) 내의 스위칭 소자(S1)의 턴 온에 의해, a 상 상암 스위칭 소자에 역병렬로 접속된 a 상 상암 다이오드(Dsa)가 턴 오프되며, 스위칭부(410) 내의 스위칭 소자(S1)의 턴 오프에 의해, a 상 상암 스위칭 소자에 역병렬로 접속된 a 상 상암 다이오드(Dsa)가 턴 온된다.
이에 따라, 충전 모드에서, 입력되는 입력 교류 전원(201)이, 스위칭부(410), 모터(250), 및 인버터(420) 내의 한 상 스위치 소자, 정확히는 한 상 스위칭 소자에 역병렬로 접속된 다이오드를 거쳐, 직류 전원으로 변환되어, 배터리(205)로 공급될 수 있다. 이에 대해서는 도 4 이하를 참조하여 후술한다.
제어부(430)는, 인버터(420) 내의 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(430)는, 출력전류 검출부(도 7의 E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받을 수 있다.
제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(420)에 출력한다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(E)로부터 검출되는 출력전류값(io)을 기초로 생성되어 출력된다.
한편, 제어부(430)는, 충전 모드에서, 스위칭부(410) 내의 스위칭 소자(S1)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(430)는, 입력 전류 검출부(미도시)에서 검출되는 입력 전류를 입력받을 수 있다. 그리고, 제어부(430)는, 스위칭부(410)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)를 스위칭부(410)에 출력할 수 있다. 이러한 컨버터 스위칭 제어신호(Scc)는 펄스폭 변조(PWM) 방식의 스위칭 제어 신호로서, 입력 전류 검출부(미도시)로부터 검출되는 입력 전류를 기초로 생성되어 출력될 수 있다.
출력전류 검출부(도 7의 E)는, 인버터(420)와 삼상 모터(230) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 즉, 모터(230)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia,ib,ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(420)와 모터(230) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
션트 저항이 사용되는 경우, 3개의 션트 저항이, 인버터(420)와 동기 모터(230) 사이에 위치하거나, 인버터(420)의 3개의 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)에 일단이 각각 접속되는 것이 가능하다. 한편, 삼상 평형을 이용하여, 2개의 션트 저항이 사용되는 것도 가능하다. 한편, 1개의 션트 저항이 사용되는 경우, 상술한 커패시터(C)와 인버터(420) 사이에서 해당 션트 저항이 배치되는 것도 가능하다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 인버터 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다. 이하에서는 검출된 출력전류(io)가 삼상의 출력 전류(ia,ib,ic)인 것으로 하여 기술한다.
한편, dc/dc 컨버터(445)는, 양방향 컨버터일 수 있다. 즉, 모터 구동 모드에서, 배터리(205)에 저장된 직류 전원을 레벨 변환하여, 인버터(420) 방향으로 레벨 변환된 직류 전원을 출력하며, 충전 모드에서, 인버터(420) 등의 스위칭 동작에 의해, 생성되는 직류 전원을 레벨 변환하여, 배터리(205)로 전달할 수 있다.
한편, dc/dc 컨버터(445)는, 상술한 바와 같이, 구동부(200) 내에, 구비되지 않을 수도 있다.
한편, 인버터(420)와 배터리(205) 사이에, 직류 전원을 저장하기 위한, 커패시터(C)가 배치될 수 있다. 커패시터(C)는, 평활 커패시터로 동작 가능하며, 평활 커패시터(C)는, 입력되는 전원을 평활하고 이를 저장할 수 있다.
도면에서는, 평활 커패시터(C)로 하나의 소자를 예시하나, 복수개가 구비되어, 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
한편, 도 3에서는, 커패시터(C)가, 인버터(420)와 dc/dc 컨버터(445) 사이에, 배치되는 것을 예시한다.
한편, 커패시터(C) 양단은, 직류 전원이 저장되므로, 이를 dc 단 또는 dc 링크단이라 명명할 수도 있다.
이에 따라, 구동부(200)는, 커패시터(C) 양단의 전압을 검출하는, dc 단 전압 검출부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
dc 단 전압 검출부(미도시)는, 평활 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 제어부(430)에 입력될 수 있다.
한편, dc/dc 컨버터(445)가, 인버터(420)와 배터리(205) 사이에, 존재하지 않는 경우, dc 단 전압 검출부(미도시)에서 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 배터리(205) 전압(VBAT)에 대응할 수 있다.
이에 따라, 제어부(430)는, 배터리(205) 전압(VBAT)에 대응하는, dc 단 전압(Vdc)과, 입력 전압을 이용하여, 충전 모드 하에서, 승압 또는 강압 여부를 결정할 수 있다.
한편, 스위칭부(410), 인버터(420), 제어부(430)는, 구동부(200), 즉 충전 장치(200) 내에 배치되며, 특히, 동일한 회로 보드 상에, 형성되는 것이 가능하다. 이를 온 보드 차져(On Board Charger; OBC)라 명할 수 있다. 한편, 충전 장치 내의 인버터, 제어부, 및 컨버터를 동일 회로 보드 상에 구현함으로써, 충전 장치를 소형으로 구현할 수 있게 된다.
또한, 스위칭부(410), 인버터(420), 제어부(430) 외에, dc/dc 컨버터(445) 까지, 구동부(200), 즉 충전 장치(200) 내에 배치되며, 특히, 동일한 회로 보드 상에, 형성되는 것이 가능하다.
도 4는 도 2의 모터의 간략 구조도이고, 도 5는 도 4의 모터의 등가 회로도를 예시한다.
도면을 참조하면, 모터(250)는, 삼상 교류 모터로서, a상, b상, c 상의 고정자(130), 및 회전자(135)를 구비한다.
모터 동작 모드에서, a상, b상, c 상의 고정자(130)에 감긴 상 권선에, 각각, PWM 신호가 입력된다. 이에 의해, 회전자(135)가, 전계, 및 자계에 의해 회전하게 된다.
한편, 모터(250)는, a상, b상, c 상 중 어느 한 상, 예를 들어, a상 고정자에, 상 권선 외에 추가 권선이 감길 수가 있다.
도면에서는, a 상 권선이, x 노드와 n 노드 사이에서, a 상 고정자에 감기고, b 상 권선이, y 노드와 n 노드 사이에서, b 상 고정자에 감기고, c 상 권선이, z 노드와 n 노드 사이에서, c 상 고정자에 감긴 것을 예시한다. 여기서, n 노드는, a 상, b상, c 상의 공통 중성점을 의미한다.
또한, 도면에서는, 추가 권선이, a 상 권선과 이격되어, k 노드와 ㅣ 노드 사이에서, a 상 고정자에 감기는 것을 예시한다.
본 발명의 실시예에서는 상 권선 외에, 추가 권선을 이용 하여, 플라이 백 컨버터의 변압기의 1차 측으로 활용하고, 상 권선을 변압기의 2차 측으로 활용한다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 모터(250)는, 도 5와 같은 등가 회로로 표현될 수 있다.
즉, k 노드와 ㅣ 노드 사이에, 추가 권선에 의한 인덕터(Lw)가 플라이 백 컨버터의 변압기의 1차 측으로 활용되며, l 노드에 스위칭부(410) 내의 스위칭 소자(S1)가 접속될 수 있다.
한편, x 노드와 n 노드 사이, y 노드와 n 노드 사이, 및 z 노드와 n 노드 사이에, 각각 a 상 인덕터(La), b 상 인덕터(Lb), c 상 인덕터(Lc)가 서로 병렬 접속될 수 있다. 각 a 상 인덕터(La), b 상 인덕터(Lb), c 상 인덕터(Lc) 중 어느 하나, 예를 들어, a 상 인덕터(La)는, 변압기의 2차 측으로 활용된다.
한편, 충전 모드에서, 인버터(420)의 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)는 모두 턴 오프될 수 있으며, 이에 따라, 제어부(430)는, 충전 모드에서, 인버터(420)의 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)가 모두 턴 오프되도록 제어할 수 있다.
한편, 충전 모드에서, 인버터 스위칭 소자들을 모두 오프시키므로, 모터 회전자가 움직이지 않게 된다.
한편, 도 5의 등가 회로도는, 스위칭 소자(S1), 추가 권선에 의한 인덕터(Lw), a 상 인덕터(La), b 상 인덕터(Lb), c 상 인덕터(Lc)에 의해, 플라이 백 모드로 동작 가능하므로, 플라이 백 컨버터(fly back converter)라 명할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 도 3의 회로도의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
먼저, 도 6a는, 도 5의 구동부(200)의 등가 회로도가, 플라이 백 컨버터인 경우, 에너지 축적 모드로 동작하는 것을 예시한다.
도 6a는, 스위칭 소자(S1)가 턴 온하는 경우, 추가 권선에 의한 인덕터(Lw), 스위칭 소자(S1)에 의해 폐루프가 형성되어, 전류(Ion)가 흐르는 것을 예시한다. 이에 의해, 추가 권선에 의한 인덕터(Lw), 즉 변압기 1차측에 전류(Ion)에 기초한 에너지가 축적된다. 이때, a 상 상암 스위칭 소자(Sa)는 턴 오프된다.
에너지 축적 모드에서, 변압기 2차측에 발생하는 유도 전류는, a 상 상암 스위칭 소자(Sa)에 역병렬로 접속되는 다이오드(Dsa)로 인해, 흐르지 않게 된다.
다음, 도 6b는, 도 5의 구동부(200)의 등가 회로도가, 플라이 백 컨버터인 경우, 에너지 개방 모드로 동작하는 것을 예시한다.
도 6b는, 스위칭 소자(S1)가 턴 오프하는 경우, 추가 권선에 의한 인덕터(Lw)에 저장된 에너지로부터 유도되는 전류(Ioff)가, a 상 인덕터(La), 및 a 상 상암 스위칭 소자(Sa)에 역병렬로 접속되는 다이오드(Dsa)를 통해, 흐르는 것을 예시한다. 즉, a 상 인덕터(La) 및 다이오드(Dsa)에 의해, 폐루프가 형성되어, 전류(Ioff)가 흐르는 것을 예시한다. 이에 의해, 전류(Ioff)에 의한 에너지가, 커패시터(C) 및 배터리(205)로 저장된다. 결국, 변환된 직류 전원이 배터리(205)에 저장된다.
결국, 스위칭 소자(S1)의 온/오프 동작, 즉 PWM 동작에 의해, 변환된 직류 전원이 배터리(205)에 저장된다.
한편, 구동부(200), 즉 충전 장치(200)의 승압 동작 또는 강압 동작은, 커패시터(C)의 양단에서 감지된 전압과, 정류부(412)의 출력단에 배치되는 커패시터(Cx)의 양단에서 감지되 전압의 비교에 의해 결정될 수 있다.
제어부(430)는, 커패시터(Cx)의 양단에서 감지된 전압이, 커패시터(C)의 양단에서 감지된 전압 보다 작은 경우, 승압 동작하도록, 즉, 스위칭 소자(S1)의 턴 온 듀티비를 제어할 수 있다. 예를 들어, 승압을 위해, 듀티비를 증가시킬 수 있다.
한편, 제어부(430)는, 커패시터(Cx)의 양단에서 감지된 전압이, 커패시터(C)의 양단에서 감지된 전압 보다 큰 경우, 강압 동작하도록, 스위칭 소자(S1)의 턴 온 듀티비를 제어할 수 있다. 예를 들어, 강압을 위해, 듀티비를 감소시킬 수 있다.
도 7은 도 3의 제어부의 내부 블록도이다.
도 7을 참조하면, 제어부(430)는, 축변환부(510), 속도 연산부(520), 전류 지령 생성부(530), 전압 지령 생성부(540), 축변환부(550), 및 스위칭 제어신호 출력부(560)를 포함할 수 있다.
축변환부(510)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 삼상 출력 전류(ia,ib,ic)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환한다.
한편, 축변환부(510)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
속도 연산부(520)는, 위치 감지부(235)로부터 입력되는 회전자의 위치 신호(H)에 기초하여, 속도(
Figure 112013011284352-pat00001
)를 연산할 수 있다. 즉, 위치 신호에 기반하여, 시간에 대해, 나누면, 속도를 연산할 수 있게 된다.
한편, 위치 감지부(235)는, 모터(230)의 회전자 위치를 감지할 수 있다. 이를 위해, 위치 감지부(235)는 홀 센서를 포함할 수 있다.
한편, 속도 연산부(520)는, 입력되는 회전자의 위치 신호(H)에 기초하여 연산된 위치(
Figure 112013011284352-pat00002
)와 연산된 속도(
Figure 112013011284352-pat00003
)를 출력할 수 있다.
한편, 전류 지령 생성부(530)는, 연산 속도(
Figure 112013011284352-pat00004
)와 목표 속도(ω)에 기초하여, 속도 지령치(ω* r)를 연산하며, 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, 전류 지령치(i* q)를 생성한다. 예를 들어, 전류 지령 생성부(530)는, 연산 속도(
Figure 112013011284352-pat00005
)와 목표 속도(ω)의 차이인 속도 지령치(ω* r)에 기초하여, PI 제어기(535)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i* q)를 생성할 수 있다. 도면에서는, 전류 지령치로, q축 전류 지령치(i* q)를 예시하나, 도면과 달리, d축 전류 지령치(i* d)를 함께 생성하는 것도 가능하다. 한편, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(530)는, 전류 지령치(i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(540)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id,iq)와, 전류 지령 생성부(530) 등에서의 전류 지령치(i* d,i* q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 예를 들어, 전압 지령 생성부(540)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i* q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(544)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(v* q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(540)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i* d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(548)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(v* d)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전압 지령치(v* d)의 값은, d축 전류 지령치(i* d)의 값은 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(540)는, d 축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)는, 축변환부(550)에 입력된다.
축변환부(550)는, 속도 연산부(520)에서 연산된 위치(
Figure 112013011284352-pat00006
)와, d축, q축 전압 지령치(v* d,v* q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 축변환부(550)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(520)에서 연산된 위치(
Figure 112013011284352-pat00007
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(550)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(1050)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)를 출력하게 된다.
스위칭 제어 신호 출력부(560)는, 3상 출력 전압 지령치(v*a,v*b,v*c)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력한다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
한편, 제어부(430)는, 스위칭 소자(S1)(414) 내의 스위칭 소자(S1)의 스위칭 동작을 제어할 수도 있다.
본 발명의 실시에에 따른 충전 장치, 및 이를 구비하는 전기 차량은, 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 충전 장치의 동작방법은 충전 장치에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (17)

  1. 충전 모드에서, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부;
    모터;
    상기 모터와 상기 정류부 사이에 배치되며, 상기 정류된 전원을 평활하는 커패시터;
    상기 모터의 어느 한상 고정자에 감긴 추가 권선에 접속되며, 스위칭 동작에 의해 상기 입력 교류 전원을 상기 모터로 공급하는 스위칭부; 및
    상기 충전 모드에서, 상기 모터의 상기 추가 권선, 및 상기 스위칭부를 이용하여, 변환된 직류 전원을 배터리로 공급하는 인버터;
    상기 인버터를 제어하며, 상기 충전 모드에서 상기 스위칭부를 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 인버터는, 모터 동작 모드에서, 삼상 스위칭 소자들의 스위칭 동작에 의해, 상기 배터리로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 상기 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 충전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전 모드에서, 상기 스위칭부 내의 스위칭 소자, 상기 모터, 및 상기 인버터는, 플라이 백 컨버터로 동작하는 것을 특징으로 하는 충전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전 모드에서, 상기 스위칭부 내의 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 상기 추가 권선에 에너지가 저장되며, 상기 스위칭부 내의 스위칭 소자의 턴 오프에 의해, 상기 저장된 에너지가 상기 인버터를 거쳐, 직류 전원으로 변환되어 상기 배터리로 공급되는 것을 특징으로 하는 충전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충전 모드에서,
    상기 모터 내의 상기 추가 권선이 변압기의 1차 측으로 동작하고, 상기 한 상 고정자에 감긴 상 권선이 상기 변압기의 2차 측으로 동작하는 것을 특징으로 하는 충전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전 모드에서, 상기 스위칭부 내의 스위칭 소자가 턴 온 또는 턴 오프되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 충전장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인버터, 상기 제어부, 및 상기 스위칭부는 동일 회로 보드 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 충전장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전 모드 시,
    상기 인버터의 삼상 스위칭 소자들을 모두 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 충전장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 인버터와 상기 배터리 사이에 배치되며,
    상기 모터 구동 모드에서, 상기 배터리에 저장된 직류 전원을 레벨 변환하여, 상기 인버터로 레벨 변환된 직류 전원을 출력하며,
    상기 충전 모드에서, 상기 인버터로부터의 직류 전원을 레벨 변환하여, 상기 배터리로 출력하는 dc/dc 컨버터;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 충전장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모터의 회전자의 위치 신호에 기초하여, 상기 모터의 회전자 속도 정보를 연산하는 속도 연산부;
    상기 속도 정보와, 속도 지령치에 기초하여, 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치와 상기 모터에 흐르는 검출 전류에 기초하여, 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 전압 지령치에 기초하여, 상기 인버터를 구동하기 위한 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전장치.
  10. 배터리; 및
    충전 모드에서, 입력 교류 전원을 정류하는 정류부 와, 모터와, 상기 모터와 상기 정류부 사이에 배치되며, 상기 정류된 전원을 평활하는 커패시터 와, 상기 모터의 어느 한상 고정자에 감긴 추가 권선에 접속되며, 스위칭 동작에 의해 상기 입력 교류 전원을 상기 모터로 공급하는 스위칭부와, 상기 충전 모드에서, 상기 모터의 상기 추가 권선, 및 상기 스위칭부를 이용하여, 변환된 직류 전원을 상기 배터리로 공급하는 인버터와, 상기 인버터를 제어하며, 상기 충전 모드에서 상기 스위칭부를 제어하는 제어부 를 구비하는 충전장치;를 포함하며,
    상기 인버터는,
    모터 동작 모드에서, 삼상 스위칭 소자들의 스위칭 동작에 의해, 상기 배터리로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 상기 모터를 구동하 는 것을 특징으로 하는 전기 차량.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 충전 장치는,
    상기 충전 모드에서, 상기 스위칭부 내의 스위칭 소자, 상기 모터, 및 상기 인버터를, 플라이 백 컨버터로 동작시키는 것을 특징으로 하는 전기 차량.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 충전 장치는,
    상기 충전 모드에서, 상기 스위칭부 내의 스위칭 소자의 턴 온에 의해, 상기 추가 권선에 에너지를 저장하며, 상기 스위칭부 내의 스위칭 소자의 턴 오프에 의해, 상기 저장된 에너지를 상기 인버터를 거쳐, 직류 전원으로 변환하여, 상기 배터리로 공급하는 것을 특징으로 하는 전기 차량.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 충전 모드에서,
    상기 모터 내의 상기 추가 권선이 변압기의 1차 측으로 동작하고, 상기 한 상 고정자에 감긴 상 권선이 상기 변압기의 2차 측으로 동작하는 것을 특징으로 하는 전기 차량.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전 모드 시,
    상기 인버터의 삼상 스위칭 소자들을 모두 턴 오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 차량.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 인버터, 상기 제어부, 및 상기 스위칭부는 동일 회로 보드 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 차량.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 충전 장치는,
    상기 인버터와 상기 배터리 사이에 배치되며,
    상기 모터 구동 모드에서, 상기 배터리에 저장된 직류 전원을 레벨 변환하여, 상기 인버터로 레벨 변환된 직류 전원을 출력하며,
    상기 충전 모드에서, 상기 인버터로부터의 직류 전원을 레벨 변환하여, 상기 배터리로 출력하는 dc/dc 컨버터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 차량.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모터의 회전자의 위치 신호에 기초하여, 상기 모터의 회전자 속도 정보를 연산하는 속도 연산부;
    상기 속도 정보와, 속도 지령치에 기초하여, 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치와 상기 모터에 흐르는 검출 전류에 기초하여, 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 전압 지령치에 기초하여, 상기 인버터를 구동하기 위한 스위칭 제어 신호를 출력하는 스위칭 제어신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량.
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